Din fan­tas­tis­ke hjer­ne

Ny Vitenskap – Kroppen - - Innhold -

Mo­der­ne nevro­forsk­ning lø­ser nå gå­te­ne bak krop­pens mest kom­plek­se or­gan og

byg­ger fun­ge­ren­de mo­dell­hjer­ner fra bun­nen av.

Hjer­nen vår er det mest kom­pli­ser­te vi kjen­ner til. Den har fått sin form etter fle­re hund­re mil­lio­ner år med evo­lu­sjon og har tre­dob­let stør­rel­sen sin i lø­pet av de sis­te syv mil­lio­ner åre­ne. Hjer­nen vei­er om lag like mye som en pose med suk­ker, men inne­hol­der om­trent 86 mil­li­ar­der nev­ro­ner. Dis­se kom­mu­ni­se­rer med hver­and­re via over 100 bil­lio­ner sam­men­kob­lin­ger, i et nett­verk så kraf­tig at selv de mest avan­ser­te su­per­com­pu­ter­ne ikke kan måle seg.

Den klart størs­te de­len av hjer­nen er for­hjer­nen, og som hos de fles­te patte­dyr, er den dek­ket av et tykt lag nev­ro­ner, kalt hjernebarken. Men­nes­ket skil­ler seg ut fra res­ten av patte­dy­re­ne ved at hjernebarken har vokst seg enormt stor. Hjernebarken vår har mer enn 1000 gan­ger så man­ge nev­ro­ner som mus har, og den ut­vik­ler seg fort­satt.

De mins­te pro­sess­en­he­te­ne i hjernebarken kal­les ne­okor­ti­ka­le ko­lon­ner, og hver ko­lon­ne har tu­sen­vis av for­skjel­li­ge sam­men­kob­lin­ger. Gjen­nom evo­lu­sjo­nen har de ne­okor­ti­ka­le ko­lon­ne­ne for­dob­let seg mang­fol­di­ge gan­ger, helt til skal­len be­gyn­te å bli full. Hjernebarken ut­vik­let da dype gro­per og fol­der for å få plass til mer pro­sess­kraft i sam­me tran­ge rom. Hvis man had­de bret­tet ut en hjer­ne, vil­le den fak­tisk dek­ke et om­rå­de på to kvad­rat­me­ter.

Nev­ro­ne­ne som ut­gjør hjer­nen, lig­ger på kryss og tvers av hver­and­re i et kom­plekst nett­verk, og hver en­kel hjerne­cel­le kan ha så mye som 10 000 sam­men­kob­lin­ger. Det­te er utvil­somt det mest kom­plek­se nett­ver­ket gjen­nom ti­de­ne.

I 2013 un­der­søk­te et forsk­nings­team fra Cent­re for Re­ge­ne­ra­ti­ve The­ra­pies i Dres­den i Tysk­land hvor­dan nev­ron­kob­lin­ger ble dan­net i klo­ne­de mus. Må­let var å fin­ne ut hvor mye av hjer­nens struk­tur som for­and­res som føl­ge av livs­er­fa­rin­ger. Si­den mu­se­ne var klo­net, var de gen­etisk iden­tis­ke, slik at en­hver for­skjell mel­lom de ulike hjer­ne­ne kun­ne til­skri­ves mil­jø­et. Mu­se­ne lev­de i sto­re bur, med et hav av le­ker og ste­der å ut­fors­ke. Etter bare et par må­ne­der ble for­skjel­le­ne i hjer­ne­ne ty­de­li­ge. De mest ak­ti­ve, utad­ven­te og nys­gjer­ri­ge mu­se­ne had­de man­ge fle­re nye nev­ro­ner og sam­men­kob­lin­ger enn de late, in­ak­ti­ve klo­ne­ne; hjer­ne­ne had­de alt­så ut­vik­let seg som føl­ge av læ­rin­gen.

De grunn­leg­gen­de bygge­ma­te­ria­le­ne er

rik­tig­nok de sam­me, men hvert enes­te nev­ron i hver enes­te hjer­ne er unik. Hvert nev­ron går i sin egen spe­si­el­le ret­ning. Hver hjer­ne er sam­men­kob­let på sin egen måte, og kob­lin­ge­ne er ba­sert på er­fa­rin­ger. Å kart­leg­ge men­neske­hjer­nens kob­lin­ger er en enorm opp­ga­ve, og ar­bei­det på­går fort­satt. The Hu­man Con­nec­to­me Pro­ject ble lan­sert i 2009 og går ut på å kart­leg­ge de in­tri­ka­te sam­men­kob­lin­ge­ne mel­lom alle nev­ro­ne­ne i hjer­nen, på sam­me måte som Hu­man Ge­no­me Pro­ject kart­leg­ger gener. Data­ma­ski­ner pro­gram­me­res til å spo­re hver en­kelt nerve­cel­le i fle­re hjerne­skan­nings­bil­der, men selv de mest avan­ser­te data­ma­ski­ner be­går feil, og alt må der­for dob­belt­sjek­kes av men­nes­kets kri­tis­ke blikk.

En­kel­te fors­ker­team prø­ver nå en al­ter­na­tiv til­nær­ming. I ste­det for å bru­ke data­ma­ski­ner til å ana­ly­se­re da­ta­ene, bru­ker de fri­vil­li­ge. I 2011 ble spil­let Fol­dit viet opp­merk­som­het i avi­ser ver­den over, da spil­ler­ne klar­te å løse bio­lo­gis­ke gå­ter som fors­ke­re had­de bry­net seg på i fle­re ti­år. Ved å ut­nyt­te spil­ler­nes fer­dig­he­ter klar­te man å løse tre­di­men­sjo­na­le pro­tein­pus­le­spill som en data­ma­skin had­de slitt len­ge med. Ved å spil­le et un­der­hol­den­de spill sam­ar­bei­det hundre­vis av men­nes­ker om å kart­leg­ge struk­tu­ren til et pro­tein, som opp­sto som føl­ge av et si­mi­ansk re­tro­vi­rus. Pro­tei­net for­år­sa­ket AIDS- lik­nen­de sym­pto­mer hos aper.

En lik­nen­de til­nær­ming blir nå over­ført til nevro­forsk­nings­fel­tet, og crowd- sourcing bru­kes for å kart­leg­ge kob­lin­ge­ne mel­lom nerve­cel­le­ne på bak­si­den av øye­ep­let. Å spo­re det in­tri­ka­te lø­pet til en nerve­cel­le i hjer­nen er svært vans­ke­lig for data­ma­ski­ner. Men­nes­ker er fak­tisk mye bedre til å opp­da­ge mønst­re.

Ey­eWi­re er et pro­sjekt som etter pla­nen skal kart­leg­ge nerve­kob­lin­ge­ne i nett­hin­nen.

Spil­ler­ne får ut­delt et halv­fer­dig nev­ron, opp­ga­ven er å gå gjen­nom hjerne­bil­der og farge­leg­ge kob­lin­ge­ne én etter én. Hvert hjerne­bil­de blir dob­belsjek­ket av man­ge for­skjel­li­ge spil­le­re, så hvis noen skul­le teg­ne feil, vil det bli opp­da­get av and­re. Mer er­far­ne spil­le­re ser over alt ar­bei­det og kan til­fø­re end­rin­ger hvis det trengs. Den­ne til­nær­min­gen er man­ge tu­sen gan­ger ras­ke­re enn å bru­ke en data­ma­skin.

Til tross for at pro­sjek­ter som Ey­eWi­re gir et bio­lo­gisk nøy­ak­tig, de­talj­rikt bil­de av hvor­dan men­neske­hjer­nen ar­bei­der, vil det fort­satt ta fle­re ti­år å byg­ge opp en kom­plett mo­dell av hjer­nen. Al­ter­na­tivt kan man lage en fore­lø­pig etter­lik­ning av hjer­nen ved å bru­ke det vi al­le­re­de vet om den, og bru­ke det­te som grunn­lag for å mo­del­le­re de de­le­ne vi ikke kjen­ner like godt. Ved å hele ti­den gå til­ba­ke og tes­te mo­dell­hjer­nen opp mot fak­tis­ke data, kan fors­ke­re sjek­ke om den etter­lik­ne­de hjer­nen vir­ker som den skal.

Den ja­pans­ke K Com­pu­ter er en av de ras­kes­te og kraf­tigs­te i ver­den, og i 2014 ble 83 000 av pro­ses­so­re­ne kom­bi­nert for å si­mu­le­re en pro­sent av ett se­kunds hjerne­ak­ti­vi­tet hos et men­nes­ke. Det­te var en vik­tig mile­pæl selv om ma­ski­nen bruk­te 40 mi­nut­ter på å etter­lik­ne en li­ten brøk­del av men­neske­hjer­nens egent­li­ge kraft.

Pro­ble­met lig­ger i at de fles­te mo­der­ne data­ma­ski­ner er bygd opp på en måte som er vidt for­skjel­lig fra men­neske­hjer­nen. Hjer­nen er ba­sert på ulike pro­sesskjer­ner som er ut­vik­let og spe­sia­li­sert for å ut­fø­re helt spe­si­fik­ke opp­ga­ver. De er mind­re pre­si­se, men er igjen mer flek­sib­le, og vik­tigst av alt, de har stor ka­pa­si­tet til å lære. Min­ner blir ikke opp­be­vart ett en­kelt sted, men er for­delt over hele nett­ver­ket. Det står i mot­set­ning til mo­der­ne data­ma­ski­ner, som bru­ker pro­gram­mer til å be­stem­me hva de skal gjø­re, og opp­be­va­rer ele­men­ter i et hie­rar­kisk or­ga­ni­sert min­ne.

I 2013 mot­tok Hu­man Brain Pro­ject 1 mil­li­ard euro for å vi­dere­ut­vik­le data­tek­no­lo­gi med mål om å for­stå hjer­nen bedre. Det svært am­bi­siø­se ti­års­pro­sjek­tet skal ut­vik­le data­verk­tøy for å hjel­pe fors­ke­re med å for­stå ulike hjerne­funk­sjo­ner. Pro­sjek­tet skal kom­bi­ne­re vitenskap fra fle­re ulike fag­felt og skal le­ve­re et kart over hjer­nen som vi ald­ri før har sett ma­ken til. The Hu­man Brain Pro­ject skal etter pla­nen ta i bruk den­ne nye in­for­ma­sjo­nen og byg­ge en su­per­kom­pu­ter som skal kun­ne si­mu­le­re det enor­me, kom­plek­se nett­ver­ket av nerve­cel­ler som men­neske­hjer­nen ut­gjør. De es­ti­me­rer at det vil kre­ve om lag én bær­bar ma­skin for hver nerve­cel­le, og sam­ar­bei­der tett med IBM om ut­vik­ling av kraf­ti­ge nev­romor­fis­ke data­ma­ski­ner.

Nev­romor­fis­ke brik­ker er data­brik­ker som er bygd etter sam­me møns­ter som men­neske­hjer­nen. IBM lan­ser­te den førs­te brik­ken av den­ne ty­pen i 2014. Brik­ken kal­les « Sy­NAP­SE chip » og har en mil­lion « nev­ro­ner » som er sam­men­kob­let med 256 mil­lio­ner « sy­nap­ser » . Dis­se er sor­tert i 4 096 « sy­nap­tis­ke kjer­ner » som fun­ge­rer pa­ral­lelt med hver­and­re, ak­ku­rat som pro­sesskjer­ne­ne i hjer­nen. Ak­ku­rat som i hjer­nen bru­kes de ulike kjer­ne­ne kun når de trengs, og kan kom­pen­se­re hver­and­re hvis en av dem ikke skul­le vir­ke.

Tek­no­lo­gis­ke ny­vin­nin­ger er nøk­ke­len for å kun­ne mo­del­le­re et så kom­plekst or­gan

som men­neske­hjer­nen, og fle­re in­ter­na­sjo­na­le pro­sjek­ter har som mål å kla­re det. Pre­si­dent Ba­rack Oba­ma an­non­ser­te Brain Rese­arch through Ad­van­cing In­no­va­ti­ve Neuro­tech­no­lo­gies ( BRAIN) i 2013. Bri­tis­ke NIH ( Na­tio­nal Insti­tu­tes of Health) del­te ut 24 mil­lio­ner pund i 2014 til ny tek­no­lo­gi in­nen hjerne­forsk­ning. For å vir­ke­lig få en dybde­for­stå­el­se av hjer­nen, og for å kun­ne byg­ge en nøy­ak­tig mo­dell, skal NIH- pro­sjek­tet ta i bruk en kom­bi­na­sjon av si­li­sium­ba­sert tek­no­lo­gi, fram­skritt in­nen stam­celle­tek­no­lo­gi, hjerne­skan­ning og medi­sinsk ut­vik­ling.

De po­ten­si­el­le bruks­om­rå­de­ne til den­ne spyd­spiss­forsk­nin­gen er man­ge, og vi har al­le­re­de tatt i bruk hjerne­tek­no­lo­gi. Lysfølsomme nett­hinne­im­plan­ta­ter kan gjen­opp­ret­te noe av sy­net til dem som ikke kan se, ved å sen­de elek­tris­ke sig­na­ler til den syns­ner­ven, mens au­di­ti­ve hjerne­stamme­im­plan­ta­ter kan sen­de

lyd­sig­na­ler di­rek­te til hjer­nen hos pa­si­en­ter som er døve.

Den mest im­po­ne­ren­de tek­no­lo­gis­ke ny­vin­nin­gen av dem alle er li­ke­vel BrainGate­sys­te­met. Det­te sys­te­met ble først lan­sert i 2006 og gjen­nom­går fort­satt kli­nis­ke tes­ter. Den­ne tek­no­lo­gi­en tar i bruk en sen­sor som im­plan­te­res i det mo­to­ris­ke sen­te­ret i hjer­nen. Im­plan­ta­tet re­gist­re­rer elek­tris­ke sig­na­ler som ska­pes bare pa­si­en­ten ten­ker på å be­ve­ge en del av kroppen. Dis­se sig­na­le­ne blir de­ko­det av et data­pro­gram og vi­dere­sendt til en pro­te­se. Gjen­nom grun­dig opp­læ­ring læ­rer pro­gram­met å gjen­kjen­ne spe­si­fik­ke sig­na­ler, slik at pa­si­en­ten kan be­ve­ge bio­nis­ke hen­der ( nev­ro­mo­to­risk pro­te­se), kun ved hjelp av hjer­nen.

Ved Uni­ver­si­te­tet i Ca­li­for­nia, San Diego, tar man hjerne­tek­no­lo­gi­en enda et steg vi­de­re.

Her prø­ver et fors­ker­team å slet­te spe­si­fik­ke min­ner ved hjelp av elek­tri­si­tet. Ar­bei­det de­res har vist at ved å bru­ke elek­trisk strøm ved en­kel­te fre­kven­ser, kan de på­fø­re va­ri­ge end­rin­ger i rotte­hjer­ner. De får dem til å glem­me trau­ma­ti­se­ren­de hen­del­ser.

Når vi sta­dig læ­rer mer om hvor­dan hjer­nen vir­ker, fin­ner vi fle­re og fle­re må­ter vi kan sam­hand­le med den på. Nevro­forsk­nin­gen går fram­over med storm­skritt, og gjen­nom­brud­de­ne kom­mer for­te­re enn noen gang før. Om­fat­ten­de in­ter­na­sjo­nalt sam­ar­beid, som Hu­man Brain Pro­ject og BRAIN, har gjort sto­re meng­der forsk­nings­data til­gjen­ge­li­ge for fors­ke­re. Det­te er med på å re­vo­lu­sjo­ne­re nevro­forsk­nin­gen.

Hjer­nens utal­li­ge gå­ter har vært kil­de til hode­bry for fors­ke­re, le­ger og fi­lo­so­fer i tu­sen­vis av år, og å få en om­fat­ten­de for­stå­el­se av den er kan­skje den størs­te ut­ford­rin­gen vi­ten­ska­pen noen­gang har stått over­for.

Din fan­tas­tis­ke hjer­ne

Newspapers in Norwegian

Newspapers from Norway

© PressReader. All rights reserved.