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
Du har måske hørt, at mennesker bruger omkring en tredjedel af deres liv på at sove. Selvom søvn kan virke som en passiv aktivitet, er det en aktiv aktivitet, der hjælper dig med at fokusere og huske ting i skolen, føle dig mere følelsesmæssigt afbalanceret og forblive fysisk sund. Eksperter anbefaler 8–10 timers søvn om natten for teenagere, og i din alder er det svært at få. Denne artikel forklarer, hvorfor søvn er vigtig, og hvordan den påvirker din fysiske og mentale sundhed. For at hjælpe dig giver vi søvntips, såsom at holde fast i en søvnplan og skære ned på skærmtid inden sengetid. At prioritere søvn vil hjælpe dig med at føle dig bedre, tænke skarpere og håndtere sociale og følelsesmæssige udfordringer mere effektivt.
…
Smerte er et naturligt signal, der hjælper os med at beskytte vores krop og er afgørende for overlevelse. Men nogle gange kan smerte være skadelig – som i tilfældet med inflammatorisk smerte, der forårsager langvarigt ubehag og endda skader. Forskere og læger ønsker at forstå nøjagtigt, hvordan smertesignaler bevæger sig i kroppen, så de kan finde bedre behandlinger til mennesker, der lider af langvarig smerte. I vores laboratorium studerer vi de små nerveender, der fungerer som kroppens smertesensorer (f.eks. i huden eller tarmene). Vi undersøger, hvordan ændringer i disse nerveender påvirker den måde, hvorpå smertesignaler bevæger sig fra forskellige kropsdele, såsom en fingerspids, til hjernen og rygmarven. Ved at opdage, hvilke ændringer der sker i disse nerveender, håber vi at forstå årsagerne til inflammatorisk smerter og at udvikle nye medicinske behandlinger, der kan mindske smerter uden skadelige bivirkninger.
…
At ændre din åndedrætsfrekvens kan have mange positive fordele for dit helbred, dit velbefindende og din præstation. Åndedrættet sker normalt af sig selv, og du tænker ikke over det. Du kan dog også bevidst kontrollere din åndedrætsfrekvens for at øge eller sænke den. Gennem disse åndedrætsteknikker kan du specifikt påvirke dit autonome nervesystem, som er kroppens system til at kontrollere automatiske reaktioner på stress og evnen til at hvile. Ved at tage kontrol over dit autonome nervesystem kan du skabe forskellige tilstande i din krop og dit sind, hvilket kan påvirke din fysiske og mentale præstation. Forskning har vist, at langsom vejrtrækning og hurtig vejrtrækning kan hjælpe med at forbedre mental og fysisk præstation. Du kan bruge disse teknikker i en række forskellige miljøer, såsom sport eller skole, for at kontrollere dit sind og din krop og fremme bedre præstationer.
…
Sprog og kommunikation er vigtige aspekter af hverdagen. Vi bruger vores ord hele tiden, hvilket får det til at virke let at lære sprog. Men det er ikke let for alle børn at lære sprog. For eksempel er nogle børn sentalende. Disse børn lærer at tale senere end deres jævnaldrende. I denne artikel forklarer vi, hvad det vil sige at være en sen taler, hvorfor der er forskelle mellem børn, når det gælder at lære at tale, og hvad disse forskelle er. At vide mere om sene talere vil hjælpe os til at forstå, hvorfor nogle sene talere har sværere ved at indhente deres jævnaldrende end andre. Vi diskuterer også måder, hvorpå vi kan hjælpe børn, der er sene talere.
…