Aivojen rakenteen ja älykkyyden yhteyttä on tutkittu paljon. On esimerkiksi osoitettu, että aivojen suurempi koko korreloi älykkyyden kanssa. Luonnollisena selityksenä tälle on tarjottu sitä, että suuremmissa aivoissa on enemmän hermosoluja ja niiden tarjoamaa laskentatehoa. Aiemmat tutkimukset ovat myös osoittaneet, että älykkyystestiä tehdessä korkeamman tuloksen saaneiden koehenkilöiden aivot kuluttivat vähemmän energiaa kuin heikomman tuloksen saaneet. Tästä ja jatkotutkimuksista onkin arveltu, että älykkyyteen liittyy myös aivojen tehokkaampi toiminta. Aivojen mikrorakenteiden yhteyttä älykkyyteen ei kuitenkaan ole toistaiseksi tutkittu.

Nature Communications -lehdessä julkaistussa artikkelissa älykkyyden ja aivojen mikrorakenteen välistä yhteyttä tutkittiin MRI-kuvaukseen perustuvan NODDI-tekniikan (Neurite Orientation Dispersion and Density Imaging) avulla. Tekniikalla pystytään kuvantamaan hermosolujen haarakkeiden määrää ja kolmiulotteista suuntautumista. Tutkimuksessa käytettiin kahta erillistä kohorttia, jotka koostuivat 259 ja 498 koehenkilöstä. Koehenkilöt tekivät älykkyystestin ja heidän aivonsa kuvannettiin NODDI-tekniikalla. Aivokuoren eli korteksin muodostaa harmaa aine, jossa sijaitsevat hermosolujen solukeskukset ja viejähaarakkeet eli dendriitit. Valkeassa aineessa sijaitsevat puolestaan hermosolujen tuojahaarakkeet eli aksonit. Tutkimuksessa aivojen koko määritettiin mittaamalla aivokuoren ja valkean aineen tilavuudet. Aivojen mikrorakenteita tutkittiin mittaamalla hermosolujen haarakkeiden tiheyttä ja suuntautumista aivokuoressa ja valkeassa aineessa.

Tulokset vahvistivat aiemman käsityksen ja osoittivat, että suuremmat aivot ja siitä johtuva hermosolujen korkeampi lukumäärä korreloivat korkean älykkyyden kanssa. Aivojen mikrorakenteet paljastivat kuitenkin vielä lisää eroja. Sekä hermosolujen haarakkeiden määrä että niiden suuntautumisen hajanaisuus aivokuorella korreloivat käänteisesti älykkyyden kanssa. Valkeassa aineessa vastaavaa korrelaatiota ei löydetty. Käytännössä älykkäämmissä aivoissa hermosoluilla oli vähemmän viejähaarakkeita ja ne olivat keskenään samansuuntaisia. Se voi kuulostaa ristiriitaiselta, mutta selitys löytyy aivojen tehokkaammasta toiminnasta. Koska ainoastaan oleellisimmat yhteydet ovat jäljellä, signaali liikkuu nopeammin juuri oikeaan paikkaan, eikä sekoitu taustakohinaan.

Aivot kehittyvät lapsuuden jälkeenkin noin kahteenkymmeneen ikävuoteen asti. Käytännössä hermosolujen välille syntyy lisää haarakkeita ja aktiivisesti käytettävät haarakkeet vahvistuvat. Oleellista on myös se, että vähemmän käytettävät haarakkeet hermosolujen välillä kuihtuvat pikkuhiljaa pois. Tämä optimoi aivojen rakennetta ja on uusien asioiden oppimisen perusta. Aiemmissa tutkimuksissa onkin havaittu, että joissakin alhaiseen älykkyyteen liittyvissä patologioissa, kuten Downin syndroomassa, hermosoluissa on synapseja eli kahden hermosolun liitoskohtia keskimääräistä suurempi määrä. On arveltu, että tuolloin vähän käytettyjen haarakkeiden kuihtuminen on häiriintynyt ja se hidastaa aivojen prosessointikykyä. Myös aiemmat tietokonesimulaatiot ovat osoittaneet, että vähemmän käytettyjen haarakkeiden poistuminen tehostaa oppimista ja prosessointinopeutta. Lisäksi se vähentää energiankulutusta.

Tulokset vahvistavat käsitystä siitä, että erityisesti tarpeettomien hermosolujen haarakkeiden karsiutuminen liittyy aivojen prosessointikykyyn ja älykkyyteen. Aiemmin on jo osoitettu, että kognitiivisia tehtäviä tehdessä korkeamman älykkyyden koehenkilöillä aktivoituu pelkästään tehtävässä tarvittava alue aivoista. Alhaisemman älykkyysosamäärän koehenkilöillä aktivointia tapahtui myös käytettävän aivoalueen viereisillä alueilla. Tämä voi liittyä huonommin optimoituihin yhteyksiin hermosolujen välillä.

Tutkimuksen tuloksia vahvistaa se, että pääosa tuloksista havaittiin kahdella toisistaan riippumattomalla kohortilla. Kohortit erosivat toisistaan usealla tavalla. Niissä oli esimerkiksi käytetty eri älykkyystestiä (BOMAT ja PMAT24) ja sekä MRI-kuvantaminen että sen alkuanalysointi erosivat toisistaan.

Tutkimus osoitti ensimmäistä kertaa, että älykkyys korreloi aivojen mikrorakenteiden kanssa. Erityisesti hermosolujen väliset kytkökset ovat tehokkaita ja hyvin rakentuneita, joiden vuoksi älykkäämmät aivot kykenevät toimimaan nopeammin ja tehokkaammin. Tulokset vahvistavat myös käsitystä siitä, että älykkyys on havaittavissa aivojen rakenteessa.

Diffusion markers of dendritic density and arborization in gray matter predict differences in intelligence. E. Genç, C. Fraenz, C. Schlüter, P. Friedrich, R. Hossiep, M.C. Voelkle, J.M. Ling, O. Güntürkün & R.E. Jung. Nature Communications, 2018, doi:10.1038/s41467-018-04268-8