Forfattere
Hjernen – den moderne videnskabs sidste grænse. På trods af mange teknologiske fremskridt ved vi stadig meget lidt om, hvordan hjernen fungerer. Heldigvis er udviklingen af en teknik kaldet funktionel magnetisk resonans billeddannelse (fMRI) langsomt ved at ændre dette. fMRI kan måle hjerneaktivitet uden at åbne kraniet eller udsætte hjernecellerne for skadelig stråling. Ved at bruge blodets magnetiske egenskaber kan fMRI registrere ændringer i blodgennemstrømningen i forbindelse med hjerneaktivitet, hvilket gør det muligt for forskere og læger at fortælle, hvilke områder af hjernen der er mere aktive end andre. I øjeblikket bruger forskere fMRI til at studere forskellige aspekter af hjerneaktivitet i forbindelse med sundhed og sygdom. Forskerne fortsætter med at skubbe grænserne for fMRI-teknikken og kombinere den med andre teknikker for at opnå en endnu bedre forståelse af hjernens funktion og dysfunktion.
“Kigger du nogensinde på nogen og tænker: ‘Hvad foregår der inde i deres hoved?” Dette berømte spørgsmål, stillet af filmfiguren Joy fra Disney Pixar-filmen Inside Out, er et puslespil, som læger og forskere dagligt forsøger at løse ved hjælp af hjernescanning. Brain imaging gør det muligt for læger og forskere at se hjernens indre strukturer uden nogensinde at åbne kraniet. Der findes flere teknikker til hjernescanning. En af dem kaldes magnetisk resonansbilleddannelse (MRI), som ser på hjernens struktur, og en anden er funktionel magnetisk resonansbilleddannelse (fMRI), som ser på hjernens funktion.
fMRI måler hjerneaktivitet ved at spore ændringer i blodgennemstrømningen til hjernen. fMRI er afledt af strukturel MRI. Faktisk bruger de begge den samme maskine, kaldet en magnetisk resonansscanner (figur 1). MRI-teknologi bruges til at skabe detaljerede 3D-billeder af et objekts indre struktur ved hjælp af magnetfelter, og radiobølger [1]. MRI kan bruges til at studere andre kropsdele end hjernen og endda ikke-levende objekter. For eksempel kan en arkæolog bruge MRI til at tage billeder af indersiden af et fossil. fMRI kan også bruges til at afbilde andre kropsdele end hjernen. Inden for medicin bruges MRI og fMRI til at hjælpe med at genkende sygdomme, planlægge behandlinger og undersøge de underliggende årsager til sygdomme og lidelser.
MR-scannere fungerer ved at tage billeder af hjernen et tyndt lag ad gangen. Billederne stables derefter som pandekager for at skabe et fuldstændigt billede af det område, der undersøges. Hvordan er det muligt, spørger du måske? Menneskekroppen består af milliarder af molekyler, herunder vandmolekyler, som kan detekteres af MRI-maskinen. Atomer i alle molekyler, inklusive vandmolekyler (H2 O), indeholder protoner [1]. Protoner er som små magneter [1]. I fravær af et meget stærkt magnetfelt (dvs. når vi er uden for MR-scanneren), er protonerne i vores krop orienteret i tilfældige retninger (figur 2A). Når vi ligger inde i scanneren, tvinger dens stærke magnetfelt, som normalt er titusind gange stærkere end jordens magnetfelt, disse protoner til at rette sig ind efter feltet, selvom vi slet ikke kan mærke det (figur 2B). Gradientspolen (se figur 1) hjælper scanneroperatørerne med at bestemme præcis, hvor vores krop befinder sig inde i scanneren.
Derefter udsender radiofrekvensspolerne radiofrekvensbølger. I hele det område af kroppen, der undersøges, for at justere disse protoner igen, men midlertidigt (Figur 2C). RF-spoler kan være en del af MR-maskinen til helkropsscanning eller bæres som et særligt pandebånd, når der kun tages billeder af hjernen. Når radiofrekvenserne ikke længere transmitteres, “slapper” protonerne af i deres oprindelige retning med scannerens magnetfelt. Derved frigiver protonerne den energi, der trak dem i RF-spolens retning (som at frigive en slangebøsse), i form af elektromagnetiske signaler, På samme måde som millioner af vanddråber kan skabe en vandpyt, kan signalerne fra millioner af protoner, når de analyseres omhyggeligt, samles for at skabe et detaljeret billede af kroppen [1]. Mens MRI kun tager billeder af hjernens struktur, viser fMRI hjernens aktivitet (eller funktion) ved at sammenligne blodgennemstrømningen under forskellige forhold.
Hjernen hjælper os med at forstå og reagere på verden omkring os. Den gør os i stand til at fortolke ting, vi ser, rører, hører og smager, og regulerer vores krops reaktioner på det ydre miljø. Den gør alt dette gennem netværk af bittesmå celler kaldet neuroner, som behandler og overfører information mellem hjernen og resten af kroppen [3]. Når hjernen står over for en opgave, såsom at huske en idé, bliver de neuroner, der er ansvarlige for denne aktivitet, mere aktive end andre neuroner omkring dem. Det gør de ved at skabe kemiske og elektriske signaler og overføre dem fra en neuron til en anden. Denne proces kaldes neural aktivitet eller hjerneaktivitet.
Neural aktivitet kræver energi. Ligesom andre celler i kroppen genererer neuroner energi ved at bruge ilt til at nedbryde sukker. Når den neurale aktivitet øges i en del af hjernen, bruges der mere energi. For at genopbygge denne energi transporteres der mere iltbærende blod til det pågældende hjerneområde. Blodet transporterer ilt ved hjælp af et molekyle, der hedder hæmoglobin. Hæmoglobin indeholder jern, hvilket giver det magnetiske egenskaber, som en lille jernfil. Afhængigt af om hæmoglobinet transporterer ilt eller ej (dvs. om det er iltet eller deoxygeneret), har det lidt forskellige magnetiske egenskaber. Således resulterer større neural aktivitet i en større strøm af iltet blod (figur 3), så hjerneområder, der er mere aktive, er lidt mere magnetiske. Det resulterer i lidt forskellige mønstre af elektromagnetiske bølger.
fMRI registrerer hjerneaktivitet ved at måle ændringerne i både mængden af ilt i blodet og mængden af blodgennemstrømning [4, 5]. Denne måling er kendt som blod-oxygen-niveau-afhængig aktivitet (BOLD-aktivitet). Med andre ord er BOLD-aktivitet en praktisk stand-in for hjerneaktivitet: fMRI måler hjerneaktivitet indirekte ved at måle BOLD-aktivitet. Det svarer lidt til at finde ud af, hvor og hvornår det lynede ved at lytte til tordenen.
I løbet af de sidste ca. tre årtier har forskere brugt BOLD MR-billeddannelse til at begynde at besvare Joys spørgsmål om, hvad der foregår inde i folks hoveder. Hvor stor magt fMRI har til at kigge ind i de ellers uigennemtrængelige dybder af hjernens funktion, både hos mennesker og dyr, illustreres smukt af Dr. Gregory Berns og hans kollegers arbejde. De sammenlignede BOLD-aktiviteten i hjernen hos hunde som reaktion på to forskellige håndsignaler fra deres førere: et, der fortalte hundene, at de ville få en velsmagende madbelønning, og et andet, der fortalte dem, at de ikke ville få en belønning (figur 4A).
De fandt ud af, at et område dybt inde i hjernen, caudate nucleus(CD), var mere aktiv, når hundene så signalet for belønningen, end når de så signalet for ingen belønning (figur 4B). Tidligere undersøgelser af mennesker og andre arter har vist, at det samme hjerneområde aktiveres hos mennesker, når vi forventer en belønning. Så der er et svar på Joys spørgsmål i dette eksempel: Det, der foregår i en hunds hoved, er bemærkelsesværdigt lig det, der foregår i vores egne hoveder i lignende situationer, og det kan afbildes ved hjælp af fMRI i begge tilfælde [6]. Denne bemærkelsesværdige indsigt ville ikke have været mulig uden at kunne “læse” hundenes hjerner ved hjælp af fMRI!
Udviklingen af MRI og fMRI har gjort det muligt for os at gøre store fremskridt i forståelsen af hjernens funktion. Det skyldes bl.a., at MR og fMRI, i modsætning til f.eks. røntgenstråler, ikke beskadiger hjernecellerne med skadelig stråling, og at de kan bestemme placeringen af hjerneaktivitet med større præcision. Desuden kan MRI bruges til at studere en lang række ting ud over mennesker, herunder dyr, planter, andre organismer og endda fossiler, der ikke har blod.
Men den største effekt af MRI og fMRI, ud over ren forskning, har været i forståelsen af hjernesygdomme. For bare få år siden kunne vi for eksempel kun spore Alzheimers sygdom i de senere stadier, hvor de fleste skader på hjernen er uoprettelige. Med udviklingen af fMRI bliver tidlig påvisning af Alzheimers i stigende grad mulig. Personer med Alzheimers har en tendens til at have mindre aktivitet i visse dele af hjernen sammenlignet med raske mennesker. Derfor kan læger bruge fMRI til at diagnosticere Alzhiemer tidligt ved at opdage unormale eller lavere aktivitetsniveauer i disse områder af hjernen, før sygdommen forværres.
Desuden er fMRI-scanninger nu i stand til at skelne mellem en hjerne med eller uden autisme med 97% nøjagtighed [7]. fMRI-studier har vist mønstre af nedsat aktivitet i den del af hjernen, der er vigtig for planlægning, problemløsning og fortolkning af sociale interaktioner. Desuden har scanninger af patienter med autisme vist færre forbindelser mellem de to hjernehalvdele. Ved systematisk at sammenligne hjernefunktionen hos patienter med visse hjernerelaterede sygdomme med hjernefunktionen hos raske patienter, gøres der således hurtige fremskridt i forståelsen af disse sygdomme.
På trods af alle fremskridtene er der stadig en række udfordringer. For eksempel ved vi stadig meget lidt om, hvordan hjernen udvikler sig i den tidlige barndom. I øjeblikket er fMRI-maskiner mørke, støjende og skræmmende, hvilket gør dem uegnede til spædbørn og folk, der er bange for trange rum. Det tager også for lang tid at skabe billeder, og deres “kameraer” er ekstremt følsomme over for bevægelser, hvilket gør billederne slørede. Desuden er fMRI dyr, ikke bærbar og kræver en masse træning for læger og forskere at bruge. Forskere arbejder på at løse disse problemer. En anden stor udfordring er at forbedre hastigheden af MR-billeddannelsesprocessen og forbedre kvaliteten af billederne. Disse og flere andre tilbageværende udfordringer kan virke uoverkommelige, men de er i virkeligheden fremtidige muligheder for nutidens unge, håbefulde hjerner.
Magnetisk felt: Felt, der opstår omkring en magnet, som udøver en kraft, der tiltrækker eller frastøder andre magnetiske objekter.
Radiofrekvensbølger: Særlige elektromagnetiske signaler skabt af radiofrekvensspoler til at justere protoner fra magnetfeltet i MR-scannerens magnet.
Elektromagnetiske signaler: Signaler skabt af vibrationer i magnetfelter og elektriske felter.
Neuroner: Nerveceller, der sender og modtager elektriske og kemiske signaler over lange afstande, især i hjernen.
Hæmoglobin: Jernholdigt protein i de røde blodlegemer, som opsamler ilt og transporterer det til kroppens væv.
Caudate Nucleus: Et område i hjernen, som bl.a. reagerer på belønning.
[1] Khan Academy. Magnetisk resonansbilleddannelse (MRI). Tilgængelig online på: https://www.khanacademy.org/test-prep/mcat/physical-processes/proton-nuclear-magnetic-resonance/a/magnetic-resonance-imaging-mri (tilgået 7. oktober 2020).
[2] Vecteezy. 2019. Vektorgrafik for alle. Tilgængelig online på: www.vecteezy.com/ (tilgået 7. oktober 2020).
[3] BrainFacts/sfn. 2012. The Neuron. Tilgængelig online på: http://www.brainfacts.org/brain-anatomy-and-function/anatomy/2012/the-neuron (tilgået 7. oktober 2020).
[4] Kids Encyclopedia Facts. Fakta om funktionel magnetisk resonansbilleddannelse for børn. Tilgængelig online på: https://kids.kiddle.co/Functional_magnetic_resonance_imaging (tilgået 7. oktober 2020).
[5] Neuroscience of Attention & Perception Laboratory (NAPL), Princeton University. NAPL Kids Project. Tilgængelig online på: https://scholar.princeton.edu/kidsrock (tilgået 7. oktober 2020).
[6] Berns, G. S., Brooks, A. M., og Spivak, M. 2012. Funktionel MRI hos vågne hunde uden tøjler. PLoS ONE. 7:e38027. doi: 10.1371/journal.pone.0038027
[7] Oaklander, M. 2014. Autisme: fMRI-hjerneskanninger kan forudsige autisme med 97 % nøjagtighed. Tilgængelig online på: https://time.com/3614487/fmri-autism-diagnosis/ (tilgået 7. oktober 2020).
Når du læser disse ord, er hundredvis af millioner af nerveceller elektrisk og kemisk aktive i din hjerne. Denne aktivitet gør det muligt for dig at genkende ord, fornemme verden, lære, nyde og skabe nye ting og være nysgerrig på verden omkring dig. Faktisk er vores hjerner – Homo sapiens‘ – de mest fascinerende fysiske substanser, der nogensinde er opstået på jorden for ca. 200.000 år siden. Hjernen er så nysgerrig og ambitiøs, at den stræber efter at forstå sig selv og helbrede sine skrøbelige elementer, når den bliver syg. Men på trods af de seneste vigtige fremskridt inden for hjerneforskningen ved vi stadig ikke, hvordan vi skal lægge brikkerne i hjernens puslespil. Det er på grund af dette, at der for nylig er startet flere store hjerneforskningsprojekter rundt om i verden. Vi deltager i et af dem – Human Brain Project (HBP) [1]. Hovedformålet er systematisk at katalogisere alt, hvad vi ved om hjernen, at udvikle geniale eksperimentelle og teoretiske metoder til at undersøge hjernen og at sammensætte alt, hvad vi har lært, til en computermodel af hjernen. Alt dette er muligt, da vores hjerne selv har designet kraftfulde computere, internettet og sofistikerede matematik- og softwareværktøjer, som snart vil være kraftfulde nok til at modellere noget så komplekst som den menneskelige hjerne i computeren. Dette projekt vil give en ny og dybere forståelse af vores hjerne, hjælpe os med at udvikle bedre kure mod dens sygdomme og i sidste ende også lære os, hvordan vi kan bygge smartere, lærende computere. Det vigtige er, at vores hjerne kun har brug for et par måltider om dagen (og måske lidt ekstra slik) for at klare det hele – det er meget mere energieffektivt end selv en simpel computer. Lad os så fortælle dig historien om HBP.
…
Vidste du, at læger kigger på tusindvis af menneskers hjerner hver dag? På hospitaler over hele landet kigger vi ind i patienternes hjerner for at se, om noget er gået galt, så vi kan forstå, hvordan vi kan hjælpe med at behandle den enkelte patients tilstand. Hjerneafbildningsteknologi spiller en vigtig rolle i at hjælpe læger med at diagnosticere og behandle tilstande som hjerneskader . Bag kulisserne er der særlige kameraer, som giver os mulighed for at se dybt ind i patienternes hjerner hver dag.
…
Hjernen har fascineret os i umindelige tider. Nogle af de første seriøse diskussioner om den menneskelige hjerne startede i det gamle Egypten, hvor kongen af Alexandria tillod dissektioner af forbrydere i levende live for at studere menneskets anatomi [1]. De, der udførte dissektionerne, åbnede kranieknoglen og så hjernen i levende live. Da de skar gennem hjernen, opdagede de store rum inde i den. Disse rum var forbundet med hinanden som kamre i et hus. De var også fyldt med en unik, krystalklar væske, som vi nu kender som cerebrospinalvæske eller hjernevæske. De var så begejstrede for dette fund! De troede, at menneskelige sjæl befinder sig i disse væskefyldte kamre. De forsøgte at forstå, hvordan væsken bevæger sig på tværs af disse kamre, fordi de troede, at det kunne forklare, hvordan det menneskelige sind fungerer.
…
Vidste du, at den mad, du spiser, påvirker dit helbred? Vigtigst af alt kan det, du spiser, have en negativ effekt på det mest komplekse organ i din krop: din hjerne! Utroligt nok påvirker den mad, du spiser, neuronerne, som er de vigtigste celler i hjernen. I hjernen forårsager en usund kost, der er rig på fedt og sukker, betændelse i neuroner og hæmmer dannelsen af nye neuroner. Det kan påvirke den måde, hjernen fungerer på, og bidrage til hjernesygdomme som depression. På den anden side er en kost, der indeholder sunde næringsstoffer som f.eks. omega-3-fedtsyrer, gavnlig for hjernens sundhed. En sådan kost forbedrer dannelsen af neuroner og fører til forbedret tænkning, opmærksomhed og hukommelse. Alt i alt gør en sund kost hjernen glad, så vi bør alle være opmærksomme på, hvad vi spiser.
…Få inspiration og viden om praksis og cases, evidens og forskning, kurser, netværksmøder og vores Læringsplatform – alt sammen til at styrke din faglige udvikling.
Du kan til enhver tid trække dit samtykke tilbage ved at afmelde dig nyhedsmailen.
Du modtager om et øjeblik en e-mail med et link, hvor du bekræfter tilmeldingen.
Med venlig hilsen
MiLife
