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.