Hyppää pääsisältöön
  • Ei musiikkia ilman matematiikkaa

    Yle tiede blogisti Samuli Siltanen ja kuvassa teksti: "anteeksi, olisiko teillä hetki aikaa puhua aallokemuunnoksesta?"
    Yle tiede blogisti Samuli Siltanen ja kuvassa teksti: "anteeksi, olisiko teillä hetki aikaa puhua aallokemuunnoksesta?" Kuva: Yle Samuli Siltanen,tiede

    Lempimusiikkisi soi älypuhelimessasi ilman katkoja matematiikan kehityksen ansiosta.

    Kymmenvuotiaan Aksun kanssa tuli puhetta koulumatkasta. Hän ei kävele lyhintä tietä vaan sitä reittiä, jossa musiikki striimautuu älypuhelimeen vähimmillä katkoilla. Voi tuota tukiasemien riittämätöntä sijoittelua!

    Voisin mumista Aksulle setämäisesti mahdollisuuksista joko soittaa kännyyn tallennettuja äänitiedostoja tai suorastaan ottaa kuulokkeet pois korvilta. Me 1970-luvun koululaisethan kuuntelimme koulumatkalla linnun viserrystä ja tieliikenteen murinaa! Mutta koulumatkan taustamusiikkipulmaan on matemaattinenkin ratkaisu.

    Vahvistin puskee ykköset ja nollat kuulokkeiden kautta korviin ajassa muuttuvana äänenpaineena.

    Digitaalisessa maailmassa teksti, ääni ja kuva ovat bittien eli nollien ja ykkösten jonoja. Vilma Alinan tai Gasellien biisit soittaakseen täytyy älypuhelimen saada kaikki nuo bitit muistiinsa. Digitaalisesta analogiseksi -muunnin tulkitsee sitten nuo puhelimeen singonneet ykköset ja nollat ajassa muuttuvana äänenpaineena, jonka vahvistin puskee kuulokkeiden kautta korviin.

    Esimerkiksi Paula Vesalan kappale Monta nimee kestää 219 sekuntia. Studiossa musiikin äänenpaine on näytteistetty 96 000 kertaa sekunnissa, jolloin näytteitä on kertynyt reilut 21 miljoonaa. Pelkät lauluraidan näytteet tallentamalla saisimme siis 21 megan tiedoston. Sellaisen kanssa Aksun känny kyllä yskähtelee jo lähempänäkin tukiasemaa. Voisimmeko lähettää hiukan pienemmän määrän bittejä ja silti nauttia musiikista hyvällä laadulla?

    Aksun koulumatkaongelma on ollut insinööreillä ja matemaatikoilla mielessä jo vuosikymmeniä, joskin puhtaan teoreettisena kysymyksenä. Jos bittejä välittävä kanava on tukkoinen, kuten se tukiaseman katvealueella on, voisimmeko saada viestin perille lähettämättä ihan kaikkia nollia ja ykkösiä alkuperäisessä järjestyksessään? Kyllä voi.

    Äänisignaalien pakkauksen kehittäjä on yksi viitatuimmista matemaatikoista kautta aikojen.

    Tätä kutsutaan tiedoston pakkaamiseksi ja tämä pakkaaminen onnistuu kiitos matematiikan kehityksen. Yksi tärkeimmistä äänisignaalien pakkauksen kehittäjistä on Ingrid Daubechies, hiilikaivosinsinöörin tytär Belgiasta. Hän kuuluu niin kutsutun aallokemuunnoksen keksijöihin ja on yksi viitatuimmista matemaatikoista kautta aikojen.

    Ingrid Daybechiesin keksinnön avulla digitaalinen äänitiedosto voidaan pakata osiin erittäin ovelalla tavalla. Siinä eri kokoiset aaltomuodot sijoitetaan omiin lokeroihinsa, jossa niitä voidaan vahvistaa, heikentää tai jopa poistaa tiedoston koon muuttamiseksi. Esimerkiksi sellaisissa kohdissa äänitystä, jossa ei ole merkittävää ääntä, pienimpiä aaltomuotoja ei kaivata ja ne voidaan jättää pois ilman että laatu kärsii.

    langattomat kuulokkeet keltaisella taustalla
    langattomat kuulokkeet keltaisella taustalla Kuva: Unsplash / Malte Wingen Yle Tiede,Yle Blogit

    Aallokkeiden kehitystyössä professori Daubechies joutui astumaan ulos matemaatikkojen mukavuusalueelta eli teoreettisten rakennelmien ja äärettömyyksien maailmasta. Matematiikan ihanteellisissa oloissa oli jo muodostettu kokoelma toisistaan riippumattomia aaltomuotoja ja vieläpä laskukaavat niiden käyttämiselle. Nuo kaavat olivat vieläpä signaalinkäsittelyyn sopivasti muotoiltu suotimiksi eli säännöiksi, joiden mukaan signaalin näytteet yhdistellään sopivilla prosenteilla naapurinäytteisiin.

    Ennen Ingridiä nuo suotimet olivat äärettömän pitkiä! Sellainenhan ei teoreettista matemaatikkoa toki haittaa. Mutta jos vaikka kitaristi painaa digitaalisesta efektilaitteesta overdriven päälle ja joutuu odottamaan särösoundin alkamista, öh, ikuisesti, saattaa uskollisempikin yleisö painua kotosalle kesken keikan.

    Joten Aksu, jos tulee kiire kouluun ja joudut kulkemaan lyhintä reittiä kaukana tukiasemista, valitse joku näistä: (1) imuta biisi luuriin etukäteen, (2) luota aallokkeiden voimaan ja lataa pakattu äänitiedosto tai (3) ota kuulokkeet pois ja ihmettele lintujen viserrystä.

    Kokeile itse, kuuletko eron!

    Aallokkeiden esitysvoimaa havainnollistaakseni äänitin lauseen ”Filmiaikana valokuvia käsiteltiin kemialla, mutta digitaalisia kuvia muokataan matematiikalla” älypuhelimellani. Laskin siitä aallokemuunnoksen Daubechies’n kehittämällä tekniikalla ja heitin pois suurimman osan muunnoskertoimista. Jätin vain suurimmat kertoimet jäljelle niin, että tallennettavien lukujen määrä väheni neljännekseen.

    Nyt voit itse kokeilla, kuuletko eroa. Alla on sama tallenne neljänä eri versiona putkeen. Ensin kuulet alkuperäisen äänitiedoston, joka on kooltaan 21 megaa. Sitten pakatun version, joka on vain noin 5 megaa. Parhaat hifiharrastajat varmasti huomaavat kultakorvillaan eron, mutta tavalliselle käyttäjälle se tuskin on ratkaiseva. Etenkin, jos täysikokoinen äänitiedosto ei ole kuultavissa ollenkaan!

    Kokeilin myös rajumpia pienennyksiä. Jos äänitiedosto pakataan vain viiteen tai jopa yhteen prosenttiin alkuperäisestä, niin ero kuuluu jo selvästi, mutta sanoista saa edelleen selvää. Alkuperäinen 21 megan tiedosto on näissä puristettu 1 megaan ja sitten 200 kilotavuun.

    Kirjoittaja: Samuli Siltanen

    Teollisuusmatemaatikko Samuli Siltanen näkee matematiikkaa lääkärin röntgenlaitteessa, huulipunamallien siloposkikuvissa ja hämähäkkien ruuanhankinnassa. Hän tutkii Helsingin yliopistolla käänteisiä ongelmia, joissa edetään seurauksista syihin. Samuli viihtyy painavien asioiden, kuten kahvakuulien ja kamerajalustojen, parissa.

    Yle Tieteen asiantuntijat bloggaavat itselleen tärkeistä tiedeaiheista.

    Liity Yle Tieteen yhteisöön Facebookissa.

    Pysyväislinkki
  • Älylaitteet tyhmentävät koko ihmiskunnan – Aivotutkijan 5 vinkkiä keskittymiskyvyn elvyttämiseen

    Tutkija Minna huotilainen
    Tutkija Minna huotilainen Kuva: yle Minna Huotilainen,Yle Tiede

    Onko niin, että vuorokauden ainut hetki, jolloin mikään PIIP ei keskeytä keskittymistäsi on se aika, jonka nukut? Ja nukutko edes? Mikä on unen laatu, jos aamun ensimmäinen ja illan viimeinen teko on työsähköpostien tarkistus? Älylaitteet tyhmentävät koko ihmiskunnan, jos käytämme niitä näin huonosti.

    Sinun pitäisi keskittyä, mutta PIIP. Otat puhelimen käteen. Aah, joku vastasi aamun twiittiin. PIIP. No katsotaan nyt tuokin, kun luuri on jo kädessä ja keskittyminen joka tapauksessa katkennut. PLIM, PLIM. Samaan aikaan tulee myös sähköpostia (merkkiäänet on tietysti aina päällä) ja PIIP avokontt...eiku monitoimitilassa myös vieressä työskentelevän puhelin katkaisee ajatuksen. Vessaankaan ei pysty menemään ilman puhelinta.

    Mitä tapahtuu, jos ihmiskunnan fiksuimmat mielet valjastetaan katsomaan kissavideoita?

    Älylaitteet ovat mainio keksintö. Mutta niiden sovellukset käyvät kovaa kilpailua sinun ajastasi ja kehitystiimit pohtivat juuri nytkin sitä, miten saisivat tarkkaavaisuutesi käännettyä heidän sovellukseensa ja pidettyä sen siellä.

    Mitä jos sovelluksen kehitystiimi aina voittaa? Mitä meille tapahtuu, jos myös ihmiskunnan fiksuimmat mielet valjastetaan katsomaan kissavideoita, hyppimään tehtävästä toiseen ja hajottamaan tarkkaavaisuutensa moneen asiaan yhtä aikaa?

    Jääkö lääketieteen kehitys tauolle? Miten vähennämme muovin kertakäyttöisyyttä? Emmekö pysty ratkaisemaan ilmastonmuutoksen asettamia haasteita, kun taannumme katsomaan päivityksiä naapurin koiralle syntyneistä pennuista?

    Ja juuri silloin puhelin piippaa!

    Ihmiskunta on parantanut olosuhteitaan nimenomaan älykkyytensä avulla.

    Lääketieteen kehityksen ansiosta elämme pidempään ja parempaa elämää kuin koskaan aiemmin. Teknologia helpottaa työtä ja yhteydenpitoa. Yhteiskunnalliset rakenteet lisäävät oikeudenmukaisuutta, absoluuttisessa köyhyydessä elää yhä vähemmän ihmisiä ja lukutaito yleistyy. ja olemme onnistuneet torjumaan monta ympäristökatastrofiakin: happosateet, otsonikato ja lyijyllisen bensan aiheuttamat myrkytykset ovat historiaa.

    Kaikki nämä upeat keksinnöt ja onnistumiset ovat vaatineet luovuutta ja ongelmanratkaisukykyä. Se on vaatinut niitä, jotka ovat osanneet keskittyä yhteen asiaan todella syvällisesti.

    Uppoutuminen yhteen tehtävään ja aivan tietyn ongelman ratkaisemiseen on ihmiselle ominaista – olemme siinä hyviä. Tekeminen vie mukanaan ja mieli askartelee tärkeän asian parissa yötä päivää. Parhaimmillaan voi saavuttaa mahtavan virtaustilan, jossa mikään ei häiritse mielen toimintaa. Silloin olemme parhaimmillamme.

    Ja juuri silloin puhelin piippaa!

    Onko ihmiskunnan älyllinen kehitys pysähtynyt siihen, ettemme pysty käyttämään koko kapasiteettiamme, kun juutumme älylaitteisiin ja säheltämään?

    Älylaitteet eivät ole ainut syy säheltämiseen ja tehtävästä toiseen hyppimiseen. Yritämme muutenkin olla niin “tehokkaita”, ettemme ehdi oikeasti syventymään mihinkään. Monella on työelämässä niin monta erillistä tehtävää ja vastuuta, ettei mitään niistä ehdi tehdä kunnolla. Tämä johtaa virheisiin, suorituksen hidastumiseen ja kuormituksen kasvamiseen.

    Entä ne ihmiset, joiden tehtävänä olisi ratkaista ihmiskunnan isoja ongelmia? Mitä teemme, jos hekin säheltävät? Onko ihmiskunnan älyllinen kehitys pysähtynyt siihen, ettemme pysty käyttämään koko kapasiteettiamme, kun juutumme älylaitteisiin ja säheltämään?

    Tämän on loputtava!

    Näin elvytät keskittymiskykysi

    Tässä ajassa kannattaa taistella paremman keskittymiskyvyn puolesta. Tässä viisi vinkkiä, joiden avulla voimme opetella uudelleen keskittymään ja tekemään yhtä asiaa kerrallaan.

    1) Lopeta kiireestä puhuminen!

    Kiireestä jauhaminen vain lisää kiirettä. Ole myös realistinen ajankäytöstäsi. Jos tiettyyn tehtävään on käytettävissä viikko, niin viikko riittäköön. Lopputuloksesta tulee sellainen, joka annetussa ajassa on mahdollista. Älä venytä jaksamistasi liikaa.

    2) Rajoita älylaitteiden käyttöä!

    Hyvä keino on ladata puhelimeen sovellus, joka kertoo kaunistelematta, kuinka paljon aikaa käytät älylaitteiden parissa. Sopikaa kotona tietty kellonaika, jolloin kaikki älylaitteet sammutetaan - myös aikuisilta!

    3) Panosta uneen!

    Jos et nuku kunnolla, sinulla ei ole paras osaamisesi, muistisi, tarkkaavaisuutesi ja innostuksesi käytettävissäsi. Hanki siis unitaitoja! Jos kärsit unen ongelmista, tartu niihin. Hankkiudu lääkkeettömän unettomuuden hoidon kurssille työterveyshuoltoon tai terveysasemalle.

    4) Hanki innostava harrastus, jossa opit uutta!

    Haluaisitko osata espanjaa? Kiinnostutko tekoälystä? Innostutko uusista resepteistä tai käsityöohjeista? Uudessa harrastuksessa joudut käyttämään keskittymiskykyäsi, mutta samalla myös harjoitat sitä.

    5) Suunnittele elämääsi pidemmällä tähtäimellä!

    Mieti, mikä sinulle on oikeasti tärkeää ja mitä haluat saavuttaa. Ota avuksesi puoliso, ystävä, työpsykologi tai ammattiauttaja. Pohdi myös arkeasi ja elämäntapojasi: miten ne auttavat sinua tavoitteidesi saavuttamisessa? Laita kalenteriin kerran kuussa tarkastuspiste, jossa käyt tavoitteitasi läpi.

    Jos emme ihmiskuntana osaa kääntää nykyistä älylaitteisiin addiktoitumisen ja työpaikoilla säheltämisen kulttuuria, olemme tuomitut tyhmenemään. Erityisen huolestuttavaa on, jos pilaamme näillä tavoillamme seuraavien sukupolvien keskittymiskyvyn. He tulevat ratkaisemaan ilmastonmuutoksen mukanaantuomia ongelmia, vanhustenhoidon resurssit ja syöpähoidon haasteet.

    Laita nyt jo se puhelin pois.

    ihmisiä älypuhelimet kädessä
    ihmisiä älypuhelimet kädessä Kuva: Unsplash / Robin Worrall Yle Tiede

    Kirjoittaja: Minna Huotilainen

    Aivotutkija Minna Huotilainen tietää, että aivot ovat koetuksella nykyisessä työelämässä. Siksi hän käy työpaikoilla luennoimassa ja on kirjoittanut kirjoja siitä, mitä aivot tarvitsevat toimiakseen hyvin. Minna rummuttaa myös musiikin harrastamisen merkityksestä aivoille ja soittaa itse pianoa bändikoulussa.

    Yle Tieteen asiantuntijat bloggaavat itselleen tärkeistä tiedeaiheista.

    Liity Yle Tieteen yhteisöön Facebookissa.

    Pysyväislinkki
  • Hämmentävä optinen harha muuttaa värejä - Illuusiot ovat hauskaa viihdettä, mutta niillä tehdään myös tiedettä

    Blogisti Jukka Häkkinen
    Blogisti Jukka Häkkinen Kuva: Yle illuusiot,Yle Tiede

    Sosiaalinen media vilisee optisia illuusioita, jotka johtavat näköaistia harhaan. Siinä missä useimmille meistä illuusiot ovat hauskaa viihdettä, havaintopsykologeille ne ovat vakavan tieteenteon välineitä, joilla pyritään edistämään ja kumoamaan teorioita ja joista käydään myös kiivasta väittelyä.

    Jokin aika sitten sosiaalisessa mediassa kiersi amerikkalaisen professori David Novickin kehittämä upea konfetti-illuusio, jossa saman väristen ympyröiden värit muuttuvat ympäristön vaikutuksesta. Illuusio on voimakkaampi katseen kohdistuksen ulkopuolella tai jos kuvaa katsoo kauempaa.

    Skip Twitter post

    Saman illuusion toisessa versiossa kaksi samanväristä ympyrää liikkuu juovien keskellä. Ympyröiden väri muuttuu kun ympyrät siirtyvät reunasta toiseen. Ensimmäisessä videossa ympyrät liikkuvat samaan suuntaan ja toisessa vastakkaisiin suuntiin.

    Skip Twitter post

    Skip Twitter post

    Novickin hienot illuusiot liittyvät pintojen havaitsemisen ilmiöön, jonka psykologi Michael White huomasi vuonna 1976 selaillessaan OP-taidetta käsittelevää kirjaa. Taiteilija Susan Hirthin teoksessa 11th grade harmaasävyt muuttivat vaaleuttaan ympärillä olevien elementtien vaikutuksesta.

    White oivalsi, että on kyse uudesta illuusiosta. Hän teki kuviosta erilaisia versioita ja selvitti ilmiön ehtoja. Koska tietokoneet olivat vielä harvinaisia, kuviot piti leikata mustasta ja harmaasta paperista. Askartelu tuotti tuloksia ja White kiteytti efektin alla olevaan kuvioon, jossa harmaiden alueiden vaaleus riippuu sen ympärillä olevista alueista. Oikeanpuolimmaisesta kuvasta olen poistanut tummat alueet, jotta palkkien todellinen harmaasävy näkyisi. White julkaisi illuusionsa Perception-lehdessä vuonna 1979.

    kuva illuusio
    kuva illuusio Kuva: Jukka Häkkinen illuusiot

    Whiten tietämättä saksalainen Hans Munker oli julkaissut illuusion värillisen version vuonna 1970 opinnäytetyössään. Munkerin kuvissa värien havainto muuttuu niitä ympäröivien alueiden värin mukaan.

    Illuusio
    Illuusio Kuva: Jukka Häkkinen illuusiot

    Ajan myötä illuusiota on alettu kutsumaan Munker-White –illuusioksi eli kumpikin löytäjä sai osansa kunniasta. Illuusion taustalla ovat näköjärjestelmän pintoja ja ääriviivoja hahmottavat prosessit. Näille prosesseille on erityisen tärkeää selvittää, mitkä näkymän ominaisuudet ovat pinnan ominaisuuksia ja mitkä kuviot syntyvät muulla tavalla. Aurinkoisena päivänä kuvatusta seinästä pitää erotella seinän todellinen väri ja hahmottaa, että tummat alueet ovat varjoja eivätkä maaliläikkiä.

    varjot seinässä
    varjot seinässä Kuva: Jukka Häkkinen Yle Tiede,Parveke

    Aivojen tasolla ilmiötä on pyritty selittämään monilla tavoilla. Erään teorian mukaan se liittyy ääriviivojen ja pintojen hermostolliseen käsittelyyn aivoissa. Kun näkymä välittyy silmistä eteenpäin, siitä erotetaan eri yksityiskohtien tasoja. Jotkut mekanismit selvittävät pieniä yksityiskohtia ja jotkut mekanismit puolestaan suuria yksityiskohtia. Varhainen näkötiedonkäsittely koostuu suuresta joukosta tällaisia mekanismeja, jotka tarkkailevat näkökenttää kukin oman kokoisen ikkunansa läpi.

    Pieniin yksityiskohtiin erikoistuneen järjestelmän näkökulmasta maailma näyttää teräviltä ääriviivoilta.

    muokattu, ääriviivoja korostava kuva, jossa varjoja seinällä
    muokattu, ääriviivoja korostava kuva, jossa varjoja seinällä Kuva: jukka häkkinen Yle Tiede,Illuusio

    Suuriin yksityiskohtiin huomionsa kiinnittävät mekanismit puolestaan näkevät maailmasta vain karkeat piirteet. Todellisuudessa aivoissa yksityiskohtien tasoja on enemmän kuin kaksi, eli näkymästä on olemassa monia eri versioita. Munker-Whiten illuusio syntyy kun näköjärjestelmä yhdistelee näitä eri yksityisyyskohtaisuustason kuvia ja erityisesti niiden ääriviivoja toisiinsa. Tällä teorialla on pystytty selittämään Munker-White-illuusio monissa yhteyksissä, mutta kaikki eivät ole asiasta samaa mieltä. Tieteellinen keskustelu illuusion ympärillä on kiivasta ja eri teorioita tukevia koeasetelmia kehitetään edelleen.

    blurrattu kuva varjoista seinällä
    blurrattu kuva varjoista seinällä Kuva: Jukka Häkkinen Yle Tiede,Illuusio

    Eräs esimerkki on Paola Bressanin esittämä illuusio, jossa harmaiden ympyröiden väri muuttuu Munker-White –tyyppisesti, vaikka ympyrät eivät kosketa toisiinsa. Tätä ei pidetä yhteensopivana ääriviivojen käsittelyyn liittyvän teorian kanssa.

    illuusio
    illuusio Kuva: Jukka Häkkinen illuusiot

    Toinen esimerkki on Arthur Shapiron illuusio, jossa vaikutus tapahtuu näytön toiselta reunalta toiselle. Videossa keskellä olevat suorakaiteet välkkyvät samaan tahtiin. Muuttamalla ympärillä olevien palkkien kokoa ja sijaintia välke muuttuu vuorottelevaksi. Vaikka asiaa on videota katsoessa vaikea uskoa, muutokset välkkeessä ovat illusorisia ja palkit välkkyvät samaa tahtia koko videon ajan. Myös tätä esimerkkiä on pidetty ristiriitaisena ääriviivaselityksen kanssa.

    Havaintopsykologiassa illuusiot eivät siis ole viihdettä vaan vakavan tieteenteon välineitä, joilla pyritään edistämään omia teorioita ja kumoamaan muiden teorioita. Alan lehdissä keskustelu käy välillä kuumana ja esimerkiksi Munker-White-illuusioon liittyvän keskustelun kiihkeyttä on päivitelty poikkeuksellisen kiivaaksi. Reipas väittely kuuluu tietenkin tieteeseen ja tässä tapauksessa sen sivuvaikutuksena syntyy jatkuvasti uusia illuusioita meidän ihmeteltäväksemme.

    Kirjoittaja: Jukka Häkkinen

    Havaintopsykologi Jukka Häkkinen tietää, mikä on katseidemme ja silmänliikkeidemme salaisuus. Häkkinen tutkii kuvien havaitsemista sekä ihmisen ja teknologian vuorovaikutusta Helsingin yliopistossa. Jukka on toiminut myös Skepsiksen puheenjohtajana, joten yliluonnolliset ilmiöt ja niiden psykologiset taustat ovat tuttuja juttuja. Häkkinen on perehtynyt myös ufosieppauksiin, enneuniin ja valemuistoihin.

    Yle Tieteen asiantuntijat bloggaavat itselleen tärkeistä tiedeaiheista.

    Liity Yle Tieteen yhteisöön Facebookissa.

    Pysyväislinkki
  • Koira kesytti ihmisen – ja kesyttää yhä

    ihminen halaa koiraa
    ihminen halaa koiraa Kuva: Unsplash / Eric Ward Yle Tiede

    Emme enää näe ihmisen ja koiran yhteistä kehitystaivalta pelkästään niin, että ihminen kesytti sudesta itselleen koiran. Voimme nähdä sen myös niin, että koira kehitti ihmisestä itselleen hyvän kumppanin, ja kehittää yhä, kirjoittaa aivotutkija Minna Huotilainen blogissaan.

    Koiran historia kietoutuu moneen ihmisen historian merkkipaaluun. Kun opimme käyttämään tulta, rohkeimmat sudet uskalsivat tulla apajille yli jääneitä luita kaluamaan. Rohkeimmat ja suloisimmat sudenpennut leikeissään saivat varmasti ihmisiltä parhaita herkkupaloja ja rohkaistuivat entisestään.

    Kun opimme viljelemään maata, ruokaa alkoi olla enemmän ja kaikkein eniten ihmisiin luottavat eläimet saivat siitä varmasti osansa.

    Tutkijat kuvaavat, kuinka ihminen on vaikuttanut koiran kehitykseen: rauhallisimmat ja söpöimmat sudet ovat päässeet ihmistä lähelle ja niinpä koirista on lopulta tullut ihmisen näkökulmasta optimaalisia.

    pieni koiranpentu
    pieni koiranpentu Kuva: Unsplash / Jairo Alzate Yle Tiede

    Koira on oppinut lukemaan ihmisen eleitä ja ilmeitä, palvelemaan ihmistä, reagoimaan ihmisen kanssa muuttuviin olosuhteisiin ja olemaan rauhallinen ihmistä kohtaan. Ja tietysti koira on oppinut kallistamaan päätään ja katsomaan ihmistä syvälle silmiin, tulemaan sängyssä flunssaa potevan emäntänsä viereen empaattisen näköisenä ja jopa seuraamaan MM-jalkapalloa innostuneen ja kiinnostuneen oloisena isäntänsä kanssa. Koira on oppinut valtavan määrän taitoja, jotka hyödyttävät sitä ihmisen kanssa elellessä.

    Mutta entä jos asiaa tarkastellaankin toisin päin: Millä tavalla koira on muovannut ihmistä?

    2000-luvulla tehdyissä tutkimuksissa tulos on aika lailla selvä: koira on monin tavoin hyödyksi ihmiselle sekä fyysisen että henkisen terveyden tuojana.

    1) Ylös, ulos ja lenkille – koira tekee ihmisestä aktiivisemman

    Ainakin ihmisen paras kaveri saa meidät liikkeelle – ja sitä kautta tekee meistä monella tavalla terveempiä.

    Amerikkalaistutkimuksen mukaan koiraa ulkoiluttavilla ikäihmisillä on parempi painonhallinta, vähemmän lääkärikäyntejä ja vähemmän arkea haittaavia rajoitteita.

    Brittitutkimuksessa taas huomattiin, että huonoimmallakin säällä koiranomistajat liikkuivat keskimäärin enemmän kuin koirattomat verrokit hyvän sään aikana.

    koira katsoo kameraan
    koira katsoo kameraan Kuva: Unsplash / Jacob Curtis Yle Tiede

    2) Lämmin, märkä nuolaisu – koira tekee ihmisestä terveemmän

    Koiranomistajilla näyttäisi olevan vähemmän sydän- ja verisuonitauteja, eikä se ruotsalaistutkimuksen mukaan johdu pelkästään liikunnasta.

    Koiraperheessä asuminen erityisesti lapsena näyttää suojaavan myös monilta allergioilta ja astmalta sekä antavan paremman suolistomikrobiston - todella tärkeä asia sekä painonhallinnassa, yleisterveydessä että myös mielenterveyden ylläpidossa. Suoliston hyvä kunto auttaa aivoja ja koko elimistöä torjumaan sairauksia masennuksesta aina ylipainoon asti.

    Se, että koira nuolee pikkulapsen naamaa, on siis hyvä juttu!

    koira nuolee huuliaan
    koira nuolee huuliaan Kuva: Unsplash / James Barker Yle Tiede

    3) Uskollinen ystävä tekee ihmisestä onnellisemman

    Osa tutkimuksista näyttää koiran omistamisen myös auttavan vähentämään masennusta, ahdistuneisuutta ja yksinäisyyden tunnetta. Yksinäinen koiranomistaja voi löytää luontevasti juttukaverin ulkoilutusreissulla vaikka joka päivä.

    Kaikki eivät ole koiraihmisiä (itsellänikin on kissa). Nämä koiran kanssa yhdessä vuosituhansien kanssa kehitetyt geenit ovat kuitenkin meissä jokaisessa. Koiraa voi yrittää korvata muilla lemmikkieläimillä, mutta kaipuu uskolliseen kumppaniin, jonka äidinkieleen eivät kirosanat kuulu, on meissä syvällä.

    Emme enää näe ihmisen ja koiran yhteistä kehitystaivalta pelkästään niin, että ihminen kesytti sudesta itselleen koiran. Voimme nähdä sen myös niin, että koira kehitti ihmisestä itselleen hyvää kumppania, ja kehittää yhä. Koiran kanssa moni meistä on se parempi versio itsestään: aktiivisempi, terveempi ja onnellisempi. Hau!

    aivotutkija Minna Huotilainen
    Aivotutkija Minna Huotilainen aivotutkija Minna Huotilainen Kuva: Otavamedia/Kari Hautala Yle Tiede,Minna Huotilainen

    Kirjoittaja: Minna Huotilainen

    Aivotutkija Minna Huotilainen tietää, että aivot ovat koetuksella nykyisessä työelämässä. Siksi hän käy työpaikoilla luennoimassa ja on kirjoittanut kirjoja siitä, mitä aivot tarvitsevat toimiakseen hyvin. Minna rummuttaa myös musiikin harrastamisen merkityksestä aivoille ja soittaa itse pianoa bändikoulussa.

    Yle Tieteen asiantuntijat bloggaavat itselleen tärkeistä tiedeaiheista.

    Tule mukaan kokeilemaan Ylen tiedekirjettä!

    Liity Yle Tieteen yhteisöön Facebookissa.

    Pysyväislinkki
  • Kvantit ovat jo arjessamme – Haluatko ymmärtää niiden toimintaa? Kuvittele itsesi mäkiselle pyöräretkelle

    pyöräilijä polkee mäkistä tietä
    pyöräilijä polkee mäkistä tietä Kuva: Unsplash / David Marcu Yle Tiede

    “Jos luulet ymmärtäväsi kvanttimekaniikkaa, et ymmärrä kvanttimekaniikkaa,” lausui nobelisti Richard Feynman. Mutta yritetään kuitenkin, sillä kvantit ovat jo arjessamme! Esimerkiksi tuikitavallinen muistitikku toimii kvanttien voimalla. Sen toimintaa voi ymmärtää, jos kuvittelee itsensä mäkiselle pyöräretkelle, kirjoittaa teollisuusmatemaatikko Samuli Siltanen blogissaan.

    Lehtien tiedesivut pursuavat huikeita ennusteita tulevaisuuden kvanttitietokoneen kyvystä toimittaa kaikki mahdolliset laskutoimitukset yhtä aikaa. Silloin tiukimmatkin salaukset murtuvat, ja koneet ryhtyvät tekemään taiteenkin puolestamme.

    Täytyyhän siis kvanttien olla niin korkealentoista tieteenfilosofiaa, ettei niillä ole merkitystä arkipäivän pyrkimyksillemme? Vaan ei! Usko pois: kvantit ovat jo keskellämme. Esimerkiksi muistitikku toimii kvanttien voimalla, hyödyntäen pienoismaailman outoa ilmiötä nimeltä tunneloituminen.

    Mistä tunneloitumisessa on kysymys? Siinä hiukkanen pujahtaa läpitunkemattoman esteen läpi salavihkaisesti hetkellä, joka määräytyy satunnaisesti. Ihmisen kokoiseen maailmaan siirrettynä ilmiötä voisi ajatella mäkisenä pyöräretkenä, johon liittyy sekä vahinko että onnenpotku.

    Kuvittele pyöräileväsi lavatansseista mökille valoisana kesäyönä. Matkaa ei ole paljon jäljellä, enää pieni mäki ja sitten isompi ylitettävänä, ja siellä mökki jo odottaa. Mutta ensimmäisen mäen harjalla pyöräsi ketju katkeaa! Pahuksen pahus, tämä tietää taluttamista.

    mäkinen tie auringonnousussa
    Ensimmäisen mäen harjalla pyörästäsi katkeaa ketjut. Pahuksen pahus! mäkinen tie auringonnousussa Kuva: Unsplash / Matt Howard Yle Tiede

    Päätät ottaa pienestä alamäestä kaiken irti. Suunnitelmasi on istua sitkeästi satulassa niin pitkälle kuin vauhtia riittää. Laskettelet pikkumäen alas hihat lepattaen, ja suurempaa mäkeä ylös noustessasi fillarin kulku hiipuu. Mitä tapahtuu seuraavaksi?
    (a) Nouset vanhan vauhdin voimalla ylämäkeen täsmälleen pienemmän mäen korkeudelle.
    (b) Vauhti riittää melko ylös, mutta kuitenkin matalammalle kuin pieni mäki.
    (c) Huristelet satulassa istuen, mitään tekemättä, ison mäen toiselle puolelle.

    Oikea vastaus on (b). Pienen mäen tarjoama potentiaalienergia muuttuu alamäessä liike-energiaksi ja jälleen ylämäessä takaisin potentiaalienergiaksi. Pyörän laakereiden kitka, ilmanvastus sekä kumien letkeä vuorovaikutus soratien kanssa verottavat osan energiasta, eikä sinun ole mahdollista päästä pienen mäen huippua korkeammalle.

    Jos tunneloituminen toimisi ihmisille ja toistaisit tuon mäenlaskun sata kertaa, pujahtaisit kerran tai kaksi korkeamman mäen läpi suoraan mökin ovelle.

    Jos tunneloituminen toimisi ihmisille ja toistaisit tuon mäenlaskun sata kertaa, pujahtaisit kerran tai kaksi korkeamman mäen läpi suoraan mökin ovelle. Vieläpä kulkematta ison mäen harjan kautta!

    Tiedon tallentaminen muistitikulle perustuu tuohon outoon tunneloitumisilmiöön. Digitaalinen tieto koostuu ykkösistä ja nollista. Muistitikulla on suuri määrä sähköisiä koloja, joihin voidaan sijoittaa elektroneja. Kolot on vuorattu sähköä eristävällä kerroksella. Elektroneja sisältävä kolo vastaa nollaa ja tyhjä kolo ykköstä; upouuden muistitikun kaikki kolot ovat tyhjiä eli tikku on täynnä ykkösiä. Miten tikku ujuttaa elektroneja eristeen läpi niihin koloihin, jotka vastaavat tiedoston nollia?

    pyörän rengas ruohikolla
    pyörän rengas ruohikolla Kuva: Unsplash / Anton Darius Yle Tiede

    Juhannuspyöräilyyn verraten tilanne on se, että ison ja pienen mäen sijasta näetkin kaksi vierekkäistä Mount Everestiä. Niiden välissä on laakso, ja sinä olet ulkopuolella ketjuttomine pyörinesi Tahkovuoren kokoisen nyppylän huipulla. Edes tunneloituminen ei sinua auta näin suurten korkeuserojen tapauksessa, koska läpipääsyn todennäköisyys on häviävän pieni: vaikka laskettelisit miljoona kertaa Tahkovuorelta Everestille, et pujahtaisi läpi.

    Tiedon kirjoittamista varten muistitikun ohjauselektroniikka käyttää jännitettä, joka madaltaa nuo Everestit väliaikaisesti vain Haltitunturin korkuisiksi. Nyt tunneloitumisen todennäköisyys kasvaa niin suureksi, että pääset kvanttimuljahtamaan Tahkovuoren huipulta laakson puolelle. Tunneloitumisen jälkeen tikun komentokeskus poistaa jännitteen, ja siellä pysyt suojaisassa laaksossa toimittamassa elektronin virkaa, ylpeänä nollaa edustaen ja valmiina putkahtamaan taas ulos tunturin läpi, kun käyttäjä lukee muistitikun tietoja.

    Muistitikku siis jo käyttää arkijärjelle käsittämätöntä kvanttitemppua säännönmukaisesti teknisenä apuvälineenä. Tervetuloa, kvanttitietokonekin!

    teollisuusmatemaatikko Samuli Siltanen
    Teollisuusmatemaatikko Samuli Siltanen teollisuusmatemaatikko Samuli Siltanen Kuva: Yle Kuvapalvelu / Jukka Lintinen prisma studio

    Kirjoittaja: Samuli Siltanen

    Teollisuusmatemaatikko Samuli Siltanen näkee matematiikkaa lääkärin röntgenlaitteessa, huulipunamallien siloposkikuvissa ja hämähäkkien ruuanhankinnassa. Hän tutkii Helsingin yliopistolla käänteisiä ongelmia, joissa edetään seurauksista syihin. Samuli viihtyy painavien asioiden, kuten kahvakuulien ja kamerajalustojen, parissa.

    Yle Tieteen asiantuntijat bloggaavat itselleen tärkeistä tiedeaiheista.

    Tule mukaan kokeilemaan Ylen tiedekirjettä!

    Liity Yle Tieteen yhteisöön Facebookissa.

    Pysyväislinkki
  • Amputoitu raaja voi aiheuttaa jopa aavekrampin - Eroon aavesäryistä peileillä tai taikasienillä

    käsi jolle sataa vettä
    käsi jolle sataa vettä Kuva: Unsplash / Geetanjal Khanna Yle Tiede

    Ihmisen tuntoaisti on aika uskomaton! Jos henkilö menettää raajansa, kehon osat jatkavat olemassaoloaan aivoissa. Monet kokevat voivansa amputaation jälkeen heilutella olemattomia varpaitaan tai avata kätensä ja niissä voi esiintyä aavesärkyä tai kramppeja, kirjoittaa havaintopsykologi Jukka Häkkinen blogissaan.

    Kolmivuotias poikani kiipesi illalla syliini halaamaan. Halaushetken venähtäessä minulla oli aikaa miettiä kosketuksen merkitystä. Halatessa niin lapsi kuin aikuinenkin rauhoittuu ja tutkimuksissa halaamisen onkin todettu vähentävän stressiä ja parantavan mielialaa. Rauhoittava kosketus välittyy ihossa olevien aistireseptorien välityksellä, jotka muodostavat iholle suurimman aistimme.

    Ihon aistireseptorit muodostavat matriisin, joka rekisteröi esimerkiksi ihoon kohdistuvan paineen ja värinän. Tämä informaatio kulkee hermosyiden välityksellä aivojen päälakilohkoon. Siellä aivokuorelta varattu tila riippuu iholta tulevan informaation määrästä.

    Jos iholla on reseptoreita tiheästi, myös aivokuorta pitää olla enemmän varattuna. Alla olevassa kuvassa tätä on visualisoitu piirtämällä aivoalueiden yläpuolelle siellä käsiteltävän ihoalueen kuva. Esimerkiksi huulien runsas reseptorimäärä näkyy kuvassa huulien suurena kokona.

    aivoalueiden yläpuolelle on piirretty siellä käsiteltävän ihoalueen kuva
    aivoalueiden yläpuolelle on piirretty siellä käsiteltävän ihoalueen kuva Kuva: David Brang Yle Tiede

    Visualisointi voidaan toteuttaa myös alla olevan kuvan kaltaisena ukkona, jonka kehon osat on suurennettu niille varatun aivokuoren pinta-alan mukaan.

    Ukko, jonka kehon osat on suurennettu niille varatun aivokuoren pinta-alan mukaan.
    Ukko, jonka kehon osat on suurennettu niille varatun aivokuoren pinta-alan mukaan. Kuva: Wikimedia commons Yle Tiede

    Jos henkilö menettää raajansa, kehon osat jatkavat olemassaoloaan aivoissa. Tämä ilmenee aavetuntemuksina, joita on 95 prosentilla raajansa menettäneistä henkilöistä. Aavetuntemus voi olla sykkivää aavesärkyä, sähköiskumaisia tuntemuksia tai jopa aavekäden kramppeja. Monet voivat amputaation jälkeen heilutella olemattomia varpaitaan tai avata kätensä.

    Aavetuntemukset nousivat laajempaan tietoisuuteen Yhdysvaltain sisällissodan aikana ja liittyivät nykyaikaisen luodin esiasteen, Minié-luodin, käyttöönottoon. Minié-luoti ei ollut pyöreä, kuten musketin ammus, vaan kartiomainen, joten ampumisen tarkkuus lisääntyi. Eräs seuraus oli myös raajavammojen lisääntyminen ja sodassa tehtiinkin noin 30 000 amputaatiota.

    Amputaatioiden yhteydessä havaittiin outoja ilmiöitä, joita lääkäri Silas Weir Mitchell kuvaili novellissaan ”George Dedlowin tapaus”. Novelli julkaistiin Atlantic Monthly-lehdessä vuonna 1866 ja siinä kuvailtiin fiktiivisen George Dedlowin outoja kokemuksia kun hänen kaikki raajansa oli amputoitu. Poistettuja käsiä ja jalkoja kutitti ja särki. Joskus ne kramppasivat. Kuukausien kuluessa kivut vähenivät ja kokemus jäsenien olemassaolosta lakkasi. Mitchellin novellista tuli erittäin suosittu ja se levitti aavetuntemukset laajempaan tietoisuuteen. Aikaisemmin kokemuksia oli pidetty niin outoina, että monet eivät olleet uskaltaneet kertoa niistä.

    Nykyisin aavetuntemuksia selitetään aivojen muokkautuvuudella. Kun menetetyn raajan aistireseptoreita ei ole enää olemassa, aivoalueen toimintakin hiljenee. Aivoilla ei ole tapana jättää alueita käyttämättä ja asteittain alueet vallataankin uuteen käyttöön. Kosketusaistissa tämä näkyy aivokartoissa, joissa viereiset aktiiviset alueet valtaavat hiljentyneen aivoalueen. Kun aivojen uudelleenorganisoituminen on kesken, menevät aivosignaalit sekaisin. Amerikkalainen neurologi Vilayanur Ramachandran on kuvaillut tätä artikkelissaan, jossa potilaan käsi oli amputoitu ranteesta eteenpäin, mutta hän koki edelleen aavetuntemuksia kädessään.

    Tutkiessaan potilasta Ramachandran havaitsi, että henkilön posken koskettaminen tuotti kokemuksen aaveraajan sormessa. Tätä on kuvailtu alla olevassa kuvassa, jossa Ramachandran on koskettanut henkilön kasvoja systemaattisesti eri paikoista ja kysynyt tämän kokemuksia. Kokeilu osoitti, että kasvojen ihossa oli alue kullekin sormelle. Kun Ramachandran kosketteli kasvojen aluetta numero yksi, tuntui ykkösellä numeroidussa aavesormessa kosketus. Aivot olivat siis ottamassa käden tietoa käsittelevää aluetta uuteen käyttöön, mutta välivaiheessa yhteydet eivät menneet oikein ja kasvojen kosketus tuntui sormien kosketteluna.

    piirros kasvojen ja sormien ihon aistialueista
    piirros kasvojen ja sormien ihon aistialueista Kuva: David Brang Yle Tiede

    Kun uudelleenorganisoituminen oli valmis, aivokuori oli muuttunut alla olevan kuvan kaltaisesti. Käden kosketustietoa käsittelevä alue on kadonnut ja kasvot ovat vallanneet aikaisemmin kädelle kuuluneen alueen.

    Piirros havainnollistaa, miten aivokuori muuttuu käden amputoinnin jälkeen.
    Piirros havainnollistaa, miten aivokuori muuttuu käden amputoinnin jälkeen. Kuva: David Brang Yle Tiede

    Eräs omalaatuisimmista aavetuntemuksista on halvaantunut aaveraaja. Jos käsi on ennen amputaatiota ollut halvaantunut, saattaa halvaantumisen kokemus jatkua myös amputaation jälkeen. Aivot ovat oppineet, että halvaantunutta kättä ei voi liikuttaa ja että se on tietyssä asennossa. Joskus tällainen halvaantunut aaveraaja voi olla jumittuneena kivuliaaseen asentoon ja voi esimerkiksi krampata. Ongelmaksi muodostuu aaveraajan liikuttaminen: kuinka olemattoman käden asentoa voi muuttaa tai kramppaamista helpottaa?

    Vilayanur Ramachandran (oikeanpuoleinen henkilö alla olevassa kuvassa) on keksinyt aaveraajojen poistamiseksi omaperäisen ratkaisun. Ramachandranin peililaatikon ideana on, että henkilö työntää kätensä laatikkoon, eli alla olevan kuvan oikeasta tai vasemmasta reiästä sisään. Sitten hän liikuttelee kättään ja katsoo samalla peiliin, jolloin myös toisella puolella oleva käsi näyttää liikkuvan. Jos henkilön toinen käsi puuttuu, näyttää peilikuva korvaavan puuttuvan käden.

    Vilayanur Ramachandran (kuvassa oikealla) on kehittänyt aaveraajojen poistamiseksi peililaatikon
    Vilayanur Ramachandran (kuvassa oikealla) on kehittänyt aaveraajojen poistamiseen omalaatuisen ratkaisun.: peililaatikon Vilayanur Ramachandran (kuvassa oikealla) on kehittänyt aaveraajojen poistamiseksi peililaatikon Kuva: Wikimedia commons / Beatrice Ring Yle Tiede

    Jalkojen tapauksessa voidaan käyttää suurempaa peiliä, kuten seuraavassa kuvassa näytetään. Oikean jalkansa menettänyt mies katselee vasemman jalkansa peilikuvaa, jolloin syntyy illuusio kahdesta vierekkäisestä jalasta.

    Oikean jalkansa menettänyt mies katselee vasemman jalkansa peilikuvaa, jolloin syntyy illuusio kahdesta vierekkäisestä jalasta.
    Oikean jalkansa menettänyt mies katselee vasemman jalkansa peilikuvaa, jolloin syntyy illuusio kahdesta vierekkäisestä jalasta. Oikean jalkansa menettänyt mies katselee vasemman jalkansa peilikuvaa, jolloin syntyy illuusio kahdesta vierekkäisestä jalasta. Kuva: U.S.Defense Department/Donna Miles Yle Tiede

    Peilihoidolla on hämmästyttäviä seurauksia: hoidon alussa kivulias paikalleen jumittuminen hellittää. Pidemmän hoidon jälkeen aaveraaja tuntuu lyhenevän ja katoaa kokonaan. Parantavaa mekanismia ei tiedetä tarkasti, mutta epäillään että visuaalinen palaute liikkuvasta raajasta nopeuttaisi aivojen uudelleenorganisoitumista.

    Peiliterapia ei kuitenkaan toimi kaikilla ja niinpä sen vaikuttavuutta on yritetty parantaa. Eräs eksoottisimmista ideoista on ollut Ramachandranin äskettäin julkaisema tapaustutkimus, jossa potilaalle annettiin peiliterapian yhteydessä psilosybiiniä, joka on ”taikasienistä” saatava aine. Ramachandranin kokeilun tulokset olivat hyviä, sillä vaikeat kivut hellittivät parissa viikossa. Tuloksista ei kuitenkaan voi tehdä kovin pitkälle meneviä johtopäätöksiä, koska koehenkilöitä oli vain yksi.

    Myös virtuaalitodellisuus tarjoaa kiehtovia mahdollisuuksia, koska siellä puuttuvien raajojen visualisointi on helppoa. Äskettäin ilmestyneessä artikkelissa aavesäryistä kärsineet henkilöt pelasivat virtuaalitodellisuudessa peliä, jossa amputoitujen jalkojen tilalla olivat virtuaaliset jalat. Koehenkilöiden aavesäryt heikkenivät merkittävästi. Tämä tarjoaa kiehtovia mahdollisuuksia, koska teknologian avulla virtuaalisien raajojen ominaisuuksia voidaan muuttaa lähes rajattomasti. Tulevaisuudessa virtuaalitodellisuushoidot saattavatkin olla normaali osa aavesärkypotilaiden hoitoa.

    psykologi Jukka Häkkinen
    Havaintopsykologi Jukka Häkkinen psykologi Jukka Häkkinen Kuva: Yle Kuvapalvelu / Jukka Lintinen prisma studio blogit

    Kirjoittaja: Jukka Häkkinen

    Havaintopsykologi Jukka Häkkinen tietää, mikä on katseidemme ja silmänliikkeidemme salaisuus. Häkkinen tutkii kuvien havaitsemista sekä ihmisen ja teknologian vuorovaikutusta Helsingin yliopistossa. Jukka on toiminut myös skepsiksen puheenjohtajana, joten yliluonnolliset ilmiöt ja niiden psykologiset taustat ovat tuttuja juttuja. Häkkinen on perehtynyt myös ufosieppauksiin, enneuniin ja valemuistoihin.

    Yle Tieteen asiantuntijat bloggaavat itselleen tärkeistä tiedeaiheista.

    Tule mukaan kokeilemaan Ylen tiedekirjettä!

    Liity Yle Tieteen yhteisöön Facebookissa.

    Pysyväislinkki