Decoding emotions from brain activity and connectivity patterns

Tunteet ohjaavat ihmisten ja eläinten käyttäytymistä tarjoamalla keinoja selviytyä jatkuvasti muuttuvassa ympäristössä. Eri tunteet eroavat toisistaan monin tavoin: eri tunnetiloihin liittyy erilaisia fysiologisia muutoksia, kehon tuntemuksia, kasvonilmeitä ja yksilöllisiä tunnekokemuksia. Tunnetutkimuksessa kuitenkin kiistellään siitä, miten eri tunnetilat eroavat toisistaan aivoissa. Tämän väitöskirjan tavoitteena oli hyödyntää koneoppimisen menetelmiä eri tunnetilojen hermostollisen perustan tutkimiseksi. Erityisesti oletettiin, että jos eri tunteilla on erillinen aivoperusta, ne pitäisi pystyä luokittelemaan aivojen aktiivisuuden ja yhteyksien muutosten perusteella. Lisäksi oletettiin, että käytetyn luokittelualgoritmin tekemät virheet paljastavat, millä tunteilla on keskenään samankaltaisempi hermostollinen perusta. Eri tunnetiloja tuotettiin neljässä tutkimuksessa (yhteensä 109 vapaaehtoista osallistujaa) tunnepitoisten elokuvien, eläytymistehtävän ja tarinoiden avulla samalla, kun osallistujien aivojen aktivaatiota mitattiin toiminnallisella magneettikuvantamisella (fMRI). Datan analyysissa käytettiin useita eri lähestymistapoja: eri tunteisiin liittyviä vokselikohtaisia aktivaatioita ja funktionaalista konnektiviteettia eriteltiin koneoppimisen luokittelualgoritmeja käyttäen, eri tunteiden koettua ja hermostollista samankaltaisuutta vertailtiin samankaltaisuusanalyysia hyödyntäen, tunteiden aikaansaamia muutoksia aivojen konnektiivisuudessa tutkittiin funktionaalista konnektiivisuusanalyysia käyttäen, yksimuuttujamenetelmiä kuten lineaarista regressiota käytettiin eri tunteiden aivoperustan visualisointeihin ja korrelaatioanalyyseilla verrattiin tunnetilojen eroja tunteiden eri komponenteissa. Tulokset osoittavat, että tunteita voidaan luokitella sekä vokseliaktivaatioiden että funktionaalisen konnektiviteetin muutosten perusteella. Onnistunut koko aivojen aktivaatioon perustuva luokittelu osoittaa, että eri tunteilla on erillinen aivoperusta, joka yleistyy henkilöstä ja tunteiden herättämistekniikasta toiseen. Lisäksi tunteilla, jotka koetaan samankaltaisempina, on myös samankaltaisempi aivoperusta. Tunne muokkaa funktionaalista konnektiviteettia, jonka tunnekohtaiset erot ovat selvimpiä aivojen lepotilaverkostoissa (default mode network, DMN). Aivojen keskilinjan rakenteiden lisäksi erityisesti somatomotoriset, sensoriset ja subkortikaaliset alueet aktivoituvat useimpien tunteiden aikana. Tunteiden erillisyys ilmenee eri komponteissa, kuten kasvonilmeissä, kehon tuntemuksissa, tunnesisällön arvioinnissa, yksilöllisessä tunnekokemuksessa sekä aivoperustassa. Yhteenvetona voidaan todeta, että eri tunteisiin liittyy kullekin tunteelle tyypillinen aivojen aktivaatio ja konnektiviteetti, jotka kattavat suuren osan aivoista. Tunteita voidaan siis pitää aivojen tilana, joka kullakin ajanhetkellä vaikuttaa muihin mielen toimintoihin.