Tutkija jäljittää skitsofrenian mekanismia matemaattisen mallintamisen avulla

Mäki-Marttusen erityisenä tutkimuskohteena ovat skitsofreniaan liittyvien fenotyyppien mekanismit. Esimerkkinä tutkija mainitsee deltaoskillaatiot, jotka ovat aivosähkökäyrätutkimuksessa havaittuja aivoaaltoja.

— Yksi tärkeimmistä tuloksistamme tähän mennessä on, että osoitimme, että skitsofreniaan liittyvistä geeneistä erityisesti ionikanavia ja kalsiumpumppuja koodaavien geenien muuttunut toiminta tai muuttunut ilmentymistaso aiheuttaa tietyissä aivokuoren, korteksin, soluissa sen, että deltaoskillaatiot saattavat olla suurempia tai pienempiä kuin normaalisti, Mäki-Marttunen kertoo.

— Tämä on yksi uusi mekanismi, joka saattaisi selittää skitsofreniapotilailla usein mitatun kohonneen deltaoskillaation tehon.

Solutason matemaattiset mallit työvälineenä

Laskennallinen neurotiede, johon Mäki-Marttusen tutkimuskin kuuluu, on viime vuosina edistynyt niin paljon, että psykiatristen sairauksien syntyä voidaan tutkia tietokoneiden avulla.

Tutkimustyössä käytetään olemassa olevia matemaattisia malleja, jotka kuvaavat tiettyä solutason tapahtumaa. Valmiita malleja joudutaan usein laajentamaan ja kehittämään, jotta voitaisiin mallintaa sitä, kuinka skitsofreniaan yhdistetyt geenit liittyvät solutason tapahtumiin, jotka voisivat olla skitsofrenian kannalta tärkeitä.

— Työmme on lähes kokonaan simulaatioiden varassa. Kehitämme malleja, simuloimme solutason tapahtumia ja yritämme vastata biologisiin kysymyksiin siitä, mikä skitsofreniapotilaiden aivoissa tapahtuu eri tavalla.

Geenejä tunnetaan, muttei sairauden mekanismia

Mielisairauksista on kerätty paljon geneettistä tietoa ja todettu, että monien tautien taustalla on paljon erilaisia geenimuunnelmia. Vielä ei kuitenkaan tiedetä, millä tavalla nämä muunnelmat johtavat sairauden syntyyn.

— Jollain tavalla solun geenit, tai niiden tuotteet eli proteiinit, toimivat eri tavalla kuin normaalisti tai niitä on eri määrä kuin normaalisti. Jotkin niistä yhdessä ympäristötekijöiden kanssa altistavat skitsofrenialle, Mäki-Marttunen sanoo.

— Kun tutkitaan aivoja, tutkitaan yleensä neuroneja eli hermosoluja. Yhtä lailla tärkeää on, mitä tapahtuu neuronien välillä olevissa synapseissa. Varsinkin skitsofreniaa tutkittaessa yksi hypoteesi on, että sairaus liittyy läheisesti synapseihin.

— Tutkimuksemme on sillä tavalla ainutlaatuista, että yritämme alusta lähtien ymmärtää monien eri geenivarianttien toimintaa ja yhteistoimintaa. Mallit, joita käytämme, valitaan sitä silmällä pitäen, että ne pystyisivät kuvaamaan mahdollisimman monien eri geenien osuutta, ja se auttaa meitä ymmärtämään skitsofrenian polygeenistä näkökulmaa.

Uusi malli eurooppalaisella rahoituksella

Matemaattisessa mallintamisessa tarvitaan suurtehotietokoneita. Mäki-Marttunen on käyttänyt sekä norjalaisia että suomalaisia koneita.

Uusia teknisiä mahdollisuuksia on tulossa eurooppalaisen EBRAINS-projektin kautta. Mäki-Marttunen sai sieltä rahoituksen, jonka avulla on tarkoitus palkata Tukholman Kungliga Tekniska Högskolaniin työntekijä rakentamaan matemaattista mallia, joka sopii skitsofrenian fenotyyppien kuvaamiseen. Mäki-Marttunen työtovereineen auttaa mallien kehittämisessä ja käyttää niitä myöhemmin omassa työssään.

— EBRAINS-rahoitus on vain pieni osa kokonaiskuvaa. Takana on kuitenkin vuosien työ, että osasimme edes ehdottaa rakennettavaksi oikeanlaista mallia ja sitten käyttää sitä, Mäki-Marttunen kertoo.

Työsarkaa loppuelämäksi

Tuomo Mäki-Marttunen on Tampereen teknillisestä yliopistosta valmistunut diplomi-insinööri ja tekniikan tohtori, joka on erikoistunut laskennalliseen neurotieteeseen.

Skitsofreniasta tuli hänen tutkimuskohteensa Norjassa vietetyn post doc -tutkijakauden aikana. Monitieteisessä, genetiikkaan perehtyneen psykiatrin johtamassa skitsofrenian tutkimusryhmässä tutkimusta tehtiin myös mallintamalla solutasoa.

— Olen itse tutkinut skitsofreniaa vuodesta 2014 lähtien ja uskon, että siinä on työsarkaa ihan loppuelämäksi, Mäki-Marttunen sanoo.

Toimiva malli ilahduttaa insinööriä

Mikä tutkijalle tuottaa iloa työssään?

— Biologisten prosessien matemaattisissa mallinnuksissa on monia eri tekijöitä. Yksi on ihan vain insinöörin ilo siitä, että rakentaa matemaattista mallia ja saa sen toimimaan tarkoittamallaan tavalla ja siten, että se vastaa kokeellisessa kirjallisuudessa havaittuja ilmiöitä.  

— Pidemmällä tähtäimellä isompi asia on, että toivoo, että omasta tutkimuksesta olisi hyötyä tuleville sukupolville kehittyneiden hoitotapojen muodossa. Sitä vaikutusta ei välttämättä näe koko elinaikanansa, mutta kuitenkin sen haluaa pitää mielessä.

— Myös se, että oppii enemmän ja enemmän solun toiminnasta ja oppii ymmärtämään biologisia prosesseja, jotka sitä ohjaavat, on tosi inspiroivaa, Mäki-Marttunen sanoo.