Ny Vitenskap – Kroppen

Din fantastisk­e hjerne

-

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
Din fantastisk­e hjerne
 ??  ??
 ??  ??

Newspapers in Norwegian

Newspapers from Norway