Seksjonen forskning består av saker som er skrevet av ansatte i Forskningsrådet, Sintef, NTNU og UiO.
Anders Malthe-Sørenssen, Marianne Fyhn og Gaute Einevoll leder COBRA-prosjektet og var nøkkelpersoner ved etableringen av det tverrfaglige toppforskningsmiljøet CINPLA ved UiO. (Foto: Ola Sæther, UiO)

Nå er fysikere blitt hjerneforskere: Modellerer hjernen som en elektrokjemisk maskin

Banebrytende norsk prosjekt.

En moderne EEG-måling kan sammenliknes med å henge mikrofoner høyt over Ullevål stadion under en fotballkamp og analysere brølene for å finne ut hva som skjer på banen. Tenk om det isteden gikk an å intervjue tilskuerne, altså nevronene?

Tanken er kanskje fremmed for mange, men det er altså slik at alt du tenker, føler, sanser, utfører eller drømmer om blir formidlet mellom nevronene i hjernen som en kombinasjon av elektriske og kjemiske signaler.

Den første registreringen av den elektriske aktiviteten i hjernen ble utført av pioneren Hans Berger for 92 år siden, men han var usikker på hva han egentlig målte.

På grunn av usikkerheten ventet Berger i fem år med å publisere en artikkel om den nye metoden, som gikk ut på å måle den elektriske aktiviteten inne i hjernen ved hjelp av elektroder på utsiden.

Metoden ble til å begynne med møtt med vantro og latterliggjøring, og deretter tok det mange år før elektroencefalografi (EEG) ble utviklet til det nyttige verktøyet det er i dag.

EEG kan utvikles videre

I dag brukes EEG blant annet på sykehusene til å undersøke hjernen hos pasienter med epilepsi, søvnforstyrrelser, spiseforstyrrelser og koma.

Men professorene Gaute Einevoll og Anders Malthe-Sørenssen ved Fysisk institutt er overbevist om at EEG-teknologien fortsatt kan utvikles videre. Norges forskningsråd har nylig bevilget 9 millioner gjennom FRINATEK-ordningen til et prosjekt som ledes av Einevoll, Malthe-Sørenssen og førsteamanuensis Marianne Fyhn ved Institutt for biovitenskap, og som går ut på å undersøke koblingen mellom den elektriske aktiviteten inne i hjernen og de signalene som registreres på utsiden.

Prosjektet heter COBRA – Computing BRAin Signals – og er banebrytende ved at fysikere og matematikere går tungt inn for å undersøke hjernen. De fleste hjerneforskere både i Norge og utlandet har ellers bakgrunn innen biologi, medisin eller psykologi.

– Vi som er fysikere kan mye om elektromagnetisme og generell modellering, og nå gleder vi oss til å samarbeide med blant annet biologene som kjenner hjernens fysiologi bedre enn det vi gjør. Ved Fysisk institutt er vi for øvrig veldig heldige som har fått inn kompetansen til Gaute Einevoll, som kan både fysikk og nevrovitenskap, mener Anders Malthe-Sørenssen.

Han sikter til at Einevoll ble ansatt i professor II-stilling ved instituttet i 2014. Einevoll er ekspert på beregningsorientert nevrovitenskap, som omfatter matematisk modellering av hjernen og nervesystemet.

Malthe-Sørenssen er selv ekspert på beregningsorientert fysikk (Computational Physics) og har vært med på å bygge opp både forskning og undervisning på dette feltet ved UiO.

Brølene forteller hva som skjer på stadion

– Moderne EEG-målinger kan sammenliknes med å henge mikrofoner høyt over Ullevål stadion under en fotballkamp, og så analyserer vi brølene og stønnene for å finne ut hva som skjer på banen. Det er for eksempel rimelig å anta at brølene er høyest når hjemmelaget scorer. Men vi tror det er mulig å komme mye lenger enn i dag ved å bruke en teknikk som kalles forward-modellering, sier Einevoll.

Forward-modelleringen i COBRA-prosjektet går kort fortalt ut på at forskerne først bygger en digitalisert modell av en del av en hjerne.

Deretter simulerer de en spesifikk aktivitet i et nettverk av nevroner i modellen, og så beregner de hvilke EEG-signaler dette vil gi opphav til på utsiden av hjernen.

Deretter kan de teste modellens forutsigelser mot det som skjer i en reell hjerne, og bruke resultatene til å justere modellen helt til den stemmer godt overens med det som skjer i virkeligheten.

– Vi kommer blant annet til å gjøre forsøk med mus som utfører den samme oppgaven om og om igjen, mens vi kartlegger hvilke nettverk av nevroner som er aktive og registrerer hvilke EEG-signaler som oppstår. Hvis vi holder oss til fotballbane-metaforen, blir det litt som å be Ole Gunnar Solskjær score det samme målet om og om igjen. Helt til at vi er sikre på at vi kan gjenkjenne akkurat det brølet som oppstår når han scorer, forteller Malthe-Sørenssen.

Hjernen er en elektrokjemisk maskin

Utgangspunktet for at EEG i det hele tatt er mulig, er at menneskehjernen inneholder ca. 100 milliarder nevroner som i prinsippet er små elektrokjemiske maskiner.

Dermed er også hjernen en elektrokjemisk maskin. Nevronene er knyttet sammen i enorme nettverk, og et «gjennomsnittlig» nevron kan kommunisere med ca. 10 000 andre nevroner.

Et nevron som vil sende informasjon til et annet nevron, sender først et elektrisk signal gjennom en tynn nervetråd (et akson) som er en del av nevronet.

Det elektriske signalet kan ikke hoppe direkte over til det neste nevronet, men utløser isteden et kjemisk signal i kontaktpunktet mellom de to nevronene.

Det mottakende nevronet plukker opp det kjemiske signalet og gjør det om til et nytt elektrisk signal som behandles i nevronet og eventuelt resulterer i at det sendes et nytt elektrisk signal videre til et annet nevron.

Den klassiske elektromagnetismen som ble beskrevet av den skotske fysikeren og matematikeren James Clerk Maxwell i 1865, sier at enhver elektrisk strøm setter opp et elektrisk og et magnetisk felt rundt seg.

Slik er det også i hjernen: De elektriske signalene i nevronene gir opphav til elektriske og magnetiske felter som kan registreres på utsiden av hjernen ved hjelp av elektroencefalografi (EEG) eller magnetoencefalografi (MEG).

De elektriske signalene som sendes mellom nevronene kalles aksjonspotensialer og har en varighet på ca. et tusendels sekund og en spenningsforskjell på ca. 0,1 volt over cellemembranen.

Signalene på utsiden er typisk tusen ganger svakere, men det er likevel ikke veldig vanskelig å registrere en slik spenning på noen centimeters avstand.

Problemet er at hjernen kan fyre av mange millioner signaler samtidig, og da blir det vanskelig å finne ut hvilke nevroner eller nettverk signalene kommer fra.

Kan ikke intervjue hvert nevron

– Man kunne tenke seg at vi senket mikrofonene ned på tribunen og intervjuet hver enkelt tilskuer, som altså tilsvarer nevronene i hjernen. Men det går ikke an å stikke elektroder inn i hjernen til folk, unntatt i helt spesielle tilfeller hvor det er nødvendig i medisinsk behandling. Derfor bruker vi mus og modellering isteden, forteller Einevoll.

COBRA-prosjektet samarbeider tett med prosjektet Digibrain, som ledes av Marianne Fyhn. Digibrain skal bidra til mer kunnskap om mentale lidelser og på lang sikt bidra til utviklingen av bedre medisiner.

– Et av målene med Digibrain er å lete etter forskjeller i nettverkene mellom nevroner hos mennesker med schizofreni og hos friske mennesker. Vi ser allerede slike forskjeller med EEG, men vi trenger COBRA-prosjektet for å forstå linken mellom den elektriske aktiviteten inne i hjernen og det som kan måles på utsiden, sier Einevoll.

Både COBRA-prosjektet og DigiBrain er tilknyttet det matematisk-naturvitenskapelige fakultetets endringsmiljø CINPLA, som studerer hjernens evne til endring.

Kan dere snart lese tanker?

– Blir hjerneforskerne snart i stand til å lese folks tanker?

– Nei, det trenger du ikke bekymre deg for! Man er riktignok kommet et stykke på vei i den retningen. Det er for eksempel blitt mulig å lese aktiviteten i motoriske nevroner hos mennesker med lammelser som fører til at signalene ikke kommer fram dit de skal. Da kan signalene plukkes opp av elektroder og sendes videre til for eksempel en robotarm, svarer Einevoll.

– Det går nok også an å se forskjell på aktiviteten i hjernen din mens du for eksempel spiller tennis eller går rundt i leiligheten. Men vi må feste elektroder på skallen din for å kunne måle dette, og det vil du jo legge merke til. Det finnes fortsatt ingen teknologi som kan «lese tankene» hos mennesker på avstand, og jeg kan ikke se for meg at det noen gang vil bli mulig, tilføyer han.

Kommentarer (2)

Kommentarer (2)