Forfattere
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.
Universet startede med Big Bang for ca. 13.500 millioner (milliarder) år siden. For ganske nylig, for ca. 200.000 år siden, skete der endnu et “Big Bang” – Homo sapiens dukkede op på jorden. Den har mange genetiske ligheder med andre arter som f.eks. chimpansen og i endnu højere grad med andre hominider som f.eks. neandertalerne, der levede sammen med os indtil for ca. 30.000 år siden. Men vi er meget unikke i én bestemt forstand, nemlig at vores hjerne har udviklet sig til at blive utroligt kreativ. Vi overfører information mellem os via sofistikeret tale- og skriftsprog, vi skaber kunst og videnskab, og vi forestiller os nye ideer og bygger til sidst nye ting (legetøj, fly, mobiltelefoner, computere), som ingen andre på jorden nogensinde har gjort. Hvad der gør den menneskelige hjerne så kreativ med dens elementære bestanddele, såsom nerveceller og deres forbindelser (“synapser”), og det neurale netværk, som de danner i forskellige hjerneområder (se figur 1), er stadig en gåde.
Den 28. januar 2013 holdt tusindvis af forskere over hele verden vejret. Det Europæiske Fællesskab skulle til at offentliggøre, hvilket af 26 konkurrerende forskningsprojekter der ville vinde 1 milliard euro i en periode på 10 år. Samme aften blev de to vindere annonceret: Graphene (ledet af svenske universiteter) og det schweizisk baserede Human Brain Project (HBP). Begge disse europæiske “flagskibsprojekter” involverer hundredvis af laboratorier og tusindvis af forskere, studerende og teknikere. De to vinderprojekter lover at skabe en revolution inden for nanomaterialer (Graphene) og i forståelsen af hjernen (HBP).
Den grundlæggende idé, som HBP er baseret på, blev udtænkt ca. 10 år tidligere i hjernen på professor Henry Markram og hans kolleger i et projekt kaldet “Blue Brain Project” (BBP) [2]. Ideen var todelt: (i) At forståelsen af hjernen kræver en systematisk tilgang til at indsamle og databasere alle tilgængelige oplysninger om hjernen, som f.eks. de forskellige celletyper (som forskellige typer træer i skoven), de forskellige mønstre af elektriske aktiviteter bestående af elementære signaler, “spikes”, som nerveceller genererer (figur 1), og de forbindelser, som neuroner danner indbyrdes (synapser) for at skabe fungerende hjernekredsløb. (ii) At alle tilgængelige hjernedata skal samles i en computer og simuleres matematisk for at sikre, at det enorme antal bits og stykker, der udgør det modellerede hjernevæv, vil kommunikere korrekt og generere en kollektiv aktivitet, der ligner den, der observeres i den virkelige hjerne. Denne digitale kopi af ægte hjernevæv skal hjælpe os med at forstå, hvordan det biologiske væv, som hjernen består af, fungerer. Vi har allerede mange eksempler på, at en detaljeret, realistisk computermodel kan vejlede eksperimenter og supplere viden, som er utilgængelig for eksperimenter – f.eks. af etiske årsager. Computerkopien af hjernen vil med andre ord gøre det muligt for os at udføre virtuelle eksperimenter, som ellers er svære eller umulige at udføre på det virkelige biologiske væv.
Figur 3A viser eksempler på BBP’s succes. Den viser et lille stykke af en ung rottes hjerne, kaldet “den kortikale søjle”, som er placeret i neocortex lige under kraniet (figur 2). Dette er en unik og gentagende byggesten i pattedyrhjernen (mus, rotte, kat, abe, menneske), som indeholder omkring 30.000-100.000 nerveceller på en kubik millimeter, omkring 100 millioner synapser og omkring 4 km ledninger. Figur 3A viser den anatomiske struktur af denne søjle, mens figur 3B viser den elektriske “spiking”-aktivitet (kodet i farver) i dette væv, simuleret i den kraftige supercomputer “Blue Gene” fra IBM i Lausanne i Schweiz.
Fra den første succes med BBP opstod den meget udvidede vision for HBP. Den har tre primære forskningsområder. For det første vil vi bringe den integrerede forståelse af selve hjernen op på et nyt niveau – først musehjernen og derefter menneskehjernen. Til det formål vil vi udvikle nye metoder til dataindsamling af hjerneinformation fra forskningslaboratorier og hospitaler. Derefter vil vi udvide modeller og simuleringer, som allerede er udført i BBP, fra en enkelt kortikal søjle til meget større hjerneområder og til sidst til hele hjernen. Til det har vi brug for en ny måde at samarbejde på mellem hundredvis af forskere. Vi vil bygge en internettilgængelig platform for forskere – noget i retning af et ægteskab mellem Google Earth, Facebook og en vejrudsigt – hvor de kan poste og læse de seneste nyheder og data samt arbejde sammen på en fælles database for at bygge modeller og analysere dem. At drive en så avanceret platform vil kræve nutidens og fremtidens kraftigste computere for at kunne simulere meget store hjernevævsmodeller, der indeholder mange millioner nerveceller fra musehjerner og milliarder af nerveceller fra menneskehjerner. Det er meget mere komplekst end det, vi hidtil har gjort med vores computere.
For det andet ønsker vi at ændre den måde, vi forsker i psykiske sygdomme på; dette er den kliniske del af HBP. Hjernen er en vidunderlig, kreativ og følelsesmæssig maskine, men den er skrøbelig – især (men ikke kun) i alderdommen, hvor ødelæggende sygdomme som Alzheimers, Parkinsons, depression og søvnforstyrrelser har tendens til at dukke op. Den centrale påstand i HBP er, at hvis vi ønsker at reparere hjernen, skal vi have en nøjagtig computermodel af de regioner, der er ansvarlige for en bestemt sygdom. Hvis en computermodel kan generere aktivitet, der efterligner aktiviteten i en syg hjerne (f.eks. under Parkinsons sygdom, se figur 3B), vil vi nemlig finde ud af, hvad der genererede denne forkerte aktivitet i computermodellen, og da vi selv har opbygget det modellerede netværk trin for trin, bør vi være i stand til at forstå, hvad der går galt og fremkalder denne sygdomslignende netværksaktivitet i computeren. En sådan videnskabelig interaktion med den digitale kopi af det syge hjerneområde vil give systematiske måder at reparere den “syge computer” på og dermed målrette de specifikke elementer, der er ansvarlige for den tilsvarende sygdom (f.eks. visse synapser/forbindelser, der fungerer dårligt, eller specifikke neurontyper, der fejlagtigt udsender elektriske signaler).
For det tredje vil vi forsøge at lære af hjernen selv, hvordan vi kan udvikle den næste generation af hjerneinspirerede supercomputere. Hjernen er trods alt det ultimative bevis på, at et fysisk system, der er opbygget af et stort antal interagerende og plastiske mikrochips (nerveceller), kan udføre mirakuløse beregninger med meget lave energiomkostninger. På den måde vil hjernen lære os, hvordan vi bygger computere, som igen vil hjælpe os med at forstå hjernen.
I forbindelse med alle disse aktiviteter er spørgsmålet i HBP, hvordan vi kan “fortælle historien” om vores videnskabelige resultater til unge mennesker som dig og til offentligheden som helhed? HBP støttes af offentligheden og har til formål at hjælpe vores allesammens hjerner, når der er behov for det. Alle, der er nysgerrige, bør få skarpe svar på deres spørgsmål i forbindelse med HBP. Derfor planlægger vi at åbne et “hjernehjørne” på mange videnskabsmuseer verden over, hvor vi vil sende information om de nyeste og vigtigste resultater fra HBP. Vi vil udvikle blogs og fora, hvor vi kan interagere med jer og diskutere jeres spørgsmål, etiske eller andre. På mange måder vil vi gøre dig til en del af HBP og stole på din unikke nysgerrige hjerne.
Det er spændende hjernetider, for den plastiske og kreative menneskehjerne kom til et punkt, hvor den havde udviklet teoretiske værktøjer (matematik) og teknologier (computere, hjernescanninger og elektriske, optiske og genetiske apparater), som gjorde os i stand til at forstå hjernen på fantastiske og dybe nye måder. Og derfor bør vi alle være klar til og være en del af det næste menneskelige spring, hvor hjernen vil finde geniale måder at forstå og reparere sig selv på.
[1] Officiel hjemmeside for Human Brain Project. Tilgængelig på: https://www.humanbrainproject.eu
[2] Markram, H. 2006. Projektet om den blå hjerne. Nat. Rev. Neurosci. 7:153-60. doi:10.1038/nrn1848
[3] Druckmann, S., Hill, S., Schürmann, F., Markram, H. og Segev, I. 2012. En hierarkisk struktur af kortikale interneuroners elektriske mangfoldighed afsløret ved automatiseret statistisk analyse. Cereb. Cortex. 23:2994–3006. doi:10.1093/cercor/bhs290
Mange tenniskampe finder sted i varme omgivelser, når solen skinner. Tennisspillere skal derfor træne i varmen for at lære at præstere under varme forhold. Selvom de måske får rådet til at bære lyst tøj, bærer mange spillere sorte T-shirts under træning og kampe. Denne undersøgelse, der blev gennemført med unge, dygtige tennisspillere, undersøgte, om T-shirtens farve (sort eller hvid) havde nogen indflydelse på spillerne. Under to træningskampe i varmen (32 °C) målte vi luft- og T-shirt-temperaturen, hvor hårdt spillerne følte, at de arbejdede, hvor komfortable de følte sig med omgivelserne, og hvor trætte de følte sig. Resultaterne viste, at når man spiller tennis udendørs i varmen, har T-shirtens farve ingen indflydelse på fysiske faktorer som temperatur. At bære en sort T-shirt kan dog have en negativ indflydelse på mentale faktorer ved at øge atleternes følelse af at arbejde hårdt, træthed og ubehag.
…
Børn har brug for at bevæge sig. Bevægelse af kroppen kaldes også fysisk aktivitet. Fysisk aktive børn har sundere kroppe og sind. Når børn er fysisk aktive, hjælper det deres kroppe og sind med at føle sig godt tilpas. De fleste børn opfylder ikke de nationale anbefalinger for fysisk aktivitet. Skoler er et godt sted at hjælpe børn med at bevæge sig mere. En måde at gøre dette på er at give børnene mulighed for at være fysisk aktive i klasseværelset. Når børn er fysisk aktive i klasseværelset, kaldes det bevægelsesintegration. Når børn sidder for længe, kan de føle sig triste og ensomme, men når lærerne bruger bevægelsesintegration, føler børnene sig gladere og klar til at lære. I denne artikel vil vi tale om, hvorfor bevægelsesintegration er vigtigt, og hvordan det kan hjælpe børn med at klare sig bedre i skolen.
…
Cerebral synshandicap (CVI) er en synsforstyrrelse forårsaget af hjerneskade, der gør det vanskeligt at behandle information fra øjnene. Selvom deres øjne fungerer fint, har børn med CVI ofte svært ved at finde og genkende objekter, især på rodede eller travle steder. Klinikere, såsom øjenspecialister (der studerer øjne og synsfunktioner) og neuropsykologer (der studerer hjernefunktioner), arbejder på at identificere børn med CVI og støtte dem, hvis de har det. En nyttig test er en visuel søgeopgave, der viser, hvordan børn leder efter ting. Hvorfor er det svært for børn med CVI at søge? Videnskabelige forskere bruger værktøjer som øjenregistrering, der viser, hvor børn kigger hen under en søgning, og hjerneafbildning, der hjælper dem med at forstå, hvordan dele af hjernen arbejder sammen. Ved at kombinere klinisk praksis og videnskabelig forskning kan vi bedre forstå, hvordan børn med CVI oplever verden, og finde nye måder at hjælpe dem i dagligdagen.
…
Forestil dig at kunne styre dit yndlingsvideospil ved blot at tænke på det! Det lyder måske som science fiction, men denne utrolige teknologi er ved at blive en realitet takket være hjerne-computer-grænseflader (BCI’er). BCI’er muliggør kommunikation mellem hjernen og et kunstigt apparat. Forestil dig din hjerne som en kraftfuld maskine, der sender elektriske signaler, når du vil gøre noget, f.eks. styre en robotarm med tankerne, efter at du har mistet evnen til at bevæge dine hænder. BCI’er overfører hjernesignaler til en computer, som derefter lærer at forstå disse signaler og oversætte dem til instruktioner, der styrer enheden. I denne artikel udforsker vi en verden, hvor sind og maskiner interagerer, og hvor mulighederne kun er begrænset af vores fantasi.
…