Hvordan gør hjernen det muligt for øjnene at se?

Udgivet: 23. august 2023

Forfattere

Soo Hyun Kim, Eun Ji Cho, Yu Jin Kim, Song E. Kim, Hyang Woon Lee

Vidste du, at det ikke kun er dine øjne, der giver dig mulighed for at se? Din hjerne fungerer sammen med øjnene for at bearbejde og give mening til alle de ting, du ser. En del af hjernen, der kaldes den visuelle cortex, er ansvarlig for synet. Hjernen indeholder over 100 milliarder hjerneceller kaldet neuroner, og de arbejder i “niveauer” for at hjælpe dig med at se verden – fra et grundlæggende niveau, hvor du opfatter simple former, til højere niveauer, hvor du forstår komplekse mønstre. Når netværk af neuroner i hjernen ikke fungerer korrekt, kan det resultere i hjernesygdomme. Læger og forskere kan bruge forskellige teknikker til at måle neuronernes aktivitet. For eksempel kan usædvanlige mønstre af hjernebølger fortælle os om beskadigede neurale netværk og abnormiteter i hjernen. Computere kan også programmeres til at “se” visuel information, og sådanne computere kan hjælpe os med at lære om synsprocessen hos mennesker.

Hvordan ser du verden?

Kan du lide det verdensberømte koreanske band BTS? I bandets tilfælde står BTS for Bang Tan Sonyeondan, men inden for neurovidenskaben kan det også stå for brain transfer stimulus, som er en afgørende hjernefunktion. Hjernen genkender det, dine øjne ser, og kan fortolke den visuelle information eller stimulus, så du kan forstå, hvad du læser eller ser. En stimulus er noget, der fanger din opmærksomhed. Når vi taler om synet, registrerer du visuelle stimuli som f.eks. lys. Når du for eksempel er til en BTS-koncert, ser du kraftige lys, der blinker i forskellige farver, men det overrasker dig ikke. Hjernen modtager disse visuelle stimuli og behandler dem sammen med andre visuelle informationer, så du ved, at lysene kommer fra scenen. Med andre ord hjælper din hjerne dig med at genkende ting, såsom scenelys og en sanger ved en koncert.

Hvordan hjælper din hjerne dig med at se?

Har du nogensinde undret dig over, hvordan dine øjne gør det muligt for dig at se? For eksempel, når du er til en koncert, hvordan kan du så få øje på en ven i den store menneskemængde? Selvom man ser med øjnene, er der en del af hjernen, der hedder visual cortex er også ansvarlig for synet, da den behandler alle visuelle informationer fra øjnene. Dette hjerneområde indeholder flere niveauer til analyse af information [1]. Lad os tænke på den visuelle cortex som en fabelagtig kage i flere lag. Nederst har du den primære visuelle cortex (V1), som fortolker prikker eller andre former uden figurer. Overraskende nok tager det kun 70 millisekunder (msec, 0,07 sekunder) at flytte signaler fra øjnene til V1.

Dernæst genkender den sekundære visuelle cortex (V2) mere detaljerede visuelle repræsentationer end V1, såsom geometriske former. Du kan tænke på det på denne måde: Når du bevæger dig op i kagelagene, fortolker niveauerne i den visuelle cortex mere kompleks visuel information [2]. Med højere niveauer af visuel cortex kan du se forskellige farver eller bevægelser. Det tager længere tid at sende signaler fra øjnene til “højere” niveauer af synsbarken. Det tager 100 msec (0,1 sekunder) at bevæge sig fra øjnene til V2, ca. 120 msec (0,12 sekunder) fra øjnene til V3.

Med andre ord bevæger visuel information sig fra øjnene gennem niveauerne i den visuelle cortex på meget kort tid (figur 1). Det forklarer, hvordan du hurtigt kan genkende en ven til en koncert. Når du læser denne artikel, kan du også forstå betydningen af hvert ord i en sætning i stedet for bare at se et virvar af ord. Din hjerne og dine øjne arbejder sammen som et team om at bearbejde visuel information.

Figur 1: Niveauer i det visuelle system og den tid, det tager dem at behandle visuel information. (A) Den visuelle cortex, den del af hjernen, der beskæftiger sig med at bearbejde de ting, vi ser, er vist med rødt. Den er placeret bagerst i hjernen. (B) Den primære visuelle cortex, som analyserer meget basal visuel information som former, arbejder hurtigst. De højere niveauer af visuel bearbejdning, som genkender mere detaljeret visuel information som mønstre i V2 og farver og bevægelser i V3/V3+, tager hver især lidt længere tid. Tilsammen modtager hjernens visuelle cortex visuelle signaler fra øjnene og forsøger at give mening til det, du ser. Det er sådan, du kan forstå en bog, du læser, eller genkende en vens ansigt.

Hvordan ved vi, hvordan den menneskelige hjerne fungerer?

Den menneskelige hjerne har milliarder af celler kaldet neuroner [3]. Neuroner forbinder sig med hinanden for at danne netværk, og de kommunikerer ved hjælp af bittesmå elektriske signaler. Hvis netværket af neuroner i hjernen bliver beskadiget, kan neuronerne ikke modtage elektriske signaler fra hinanden. Det kan påvirke hjernens funktioner negativt og føre til lidelser som hukommelsessvigt og demens.

Da vi ikke kan se hjernen indefra, hvordan kan vi så vide, om der er et problem med hjernens netværk? Forskere og læger har flere måder at analysere hjernen på! Da neuroner kommunikerer ved hjælp af elektriske signaler, kan vi måle hjernens elektriske aktivitet ved hjælp af små, ikke-metalliske enheder kaldet elektroder (figur 2A).

Figur 2: (A) For at registrere elektriske signaler i hjernen kan elektroder enten placeres på hovedbunden eller implanteres i hjernen under en operation. Elektroder giver os mulighed for at måle hjernebølgerne. (B) Hjernens reaktion på ting, vi ser, sker i “niveauer”, hvor det første niveau, V1 (blå prikker), udfører simple visuelle opgaver som at genkende former. På et mellemliggende niveau genkender V2 (grønne trekanter) mønstre og farver, og på højere niveauer giver V3/V3+ (røde stjerner) os komplekse visuelle informationer som farver og bevægelser.

Elektroder hjælper os med at se hjernebølger de er skabt af de elektriske aktiviteter i neuronerne. Ligesom bølger i havet ser hjernebølgerne ud som bølgelinjer, der bevæger sig op og ned. Men hvis en person har en hjerneskade, kan elektroderne vise langsomme og usædvanlige mønstre af hjernebølger. Evnen til nøjagtigt at aflæse hjernebølger er vigtig inden for neurovidenskaben, fordi det hjælper os med at identificere abnormiteter eller lidelser i hjernen.

For at registrere hjerneaktiviteten hos patienterne i vores undersøgelse placerede vi elektroder i den visuelle cortex under operationen og viste derefter patienterne billeder af forskellige former og mønstre. Mens patienterne kiggede på disse visuelle stimuli, registrerede elektroderne deres hjernebølger, så vi kunne undersøge, hvilke hjerneområder der blev aktiveret, og hvordan hjernen reagerede på hver form og hvert mønster (figur 2B). Ved simple visuelle reaktioner som prikker eller et lysglimt blev V1-regionerne aktiveret. Ved mellemliggende visuelle reaktioner, som geometriske former, såsom trekanter og cirkler, blev V2-områder aktiveret, og ved komplekse visuelle reaktioner, som visuel fantasi eller en illusion med blandede farver, blev V3/V3+-områder aktiveret.

Der findes andre måder at måle hjerneaktivitet på, som ikke kræver operation, såsom elektroencefalografi (EEG). I EEG kan elektroder ufarligt placeres på patientens hovedbund. EEG bruges i vid udstrækning til at se på hjerneaktivitet og identificere hjernesygdomme [4].

I dag hjælper computere os også med at forstå abnormiteter i hjernen. Ved hjælp af kunstig intelligens (AI) kan computere efterligne netværket af neuroner i den menneskelige hjerne (figur 3), hvilket gør det muligt for disse computere at fungere på samme måde som hjernen. For eksempel giver AI-baseret computeriseret “syn” computere mulighed for at genkende og fortolke visuelle stimuli, lidt som om de “ser”. Dette computerbaserede “syn” svarer til menneskets syn, men computere kan identificere ting hurtigere og mere præcist. Så når vi har svært ved at finde hjernesygdomme hos patienter, kan vi bruge AI-netværk til at få mere indsigt i sygdomme og behandle patienter mere effektivt [5].

Figur 3: (A) Netværk af indbyrdes forbundne neuroner i hjernen arbejder sammen for at hjælpe os med at se. Elektrisk information flyder fra en neuron til en anden. (B) AI kan simulere netværk af neuroner i den menneskelige hjerne, hvor information flyder mellem signaler (farvede cirkler). I dette tilfælde er input en visuel stimulus, såsom et billede, og output genkender, hvad billedet er. Faktisk ligner kunstige neuroner i AI hinanden, men har også en lignende funktion som neuroner i den menneskelige hjerne.

Resumé: Hvorfor er dette arbejde vigtigt?

I denne artikel har vi fortalt dig om, hvordan synsbarken fungerer i synet, og hvordan forskere og læger kan overvåge hjernens aktiviteter ved at måle hjernebølger. Nu ved du, at hjernen skal arbejde sammen med øjnene for at give dig mulighed for at se! Netværk af hjerneceller i den visuelle cortex kommunikerer for at behandle “niveauer” af visuel information, fra enkel til kompleks. Når hjernens netværk ikke fungerer korrekt, kan det resultere i hjernesygdomme som hukommelsessvigt og demens. Computerstyrede neurale netværk, som dem, der bruges af AI, kan hjælpe forskere med at forstå, hvad der går galt ved hjernesygdomme. Med vores arbejde håber vi at inspirere mange dygtige unge forskere til at vise interesse for neurovidenskab og hjælpe med at besvare flere fascinerende spørgsmål om synet en dag!

Ordliste

Stimuli: Et visuelt signal, der fanger en persons opmærksomhed.

Visuel cortex: Et område i hjernen, der behandler visuel information og har tre hovedlag: primære, sekundære og tertiære.

Neuron: En nervecelle, der kommunikerer med andre nerveceller og danner netværk for at fortolke den information, der kommer ind gennem vores sanser, som de ting, vi ser.

Elektrode: Små ikke-metalliske enheder, der måler hjernens elektriske mønstre, bruges i både invasive og ikke-invasive hjernebilledteknikker.

Hjernebølger: Optagelser af elektriske signaler fra hjernen.

Elektroencefalografi: En ikke-invasiv hjerneafbildningsmetode, der måler hjernens elektriske aktiviteter ved at placere elektroder på en hovedbund.

Kunstig intelligens (AI): Et computeriseret system, der efterligner netværk af neuroner i hjernen og kan udføre menneskelignende opgaver.

Neurovidenskab: Studiet af den menneskelige hjerne og samspillet mellem hjerneceller, der er involveret i hukommelsesfunktioner og adfærd.

Information om artiklen

Vi bekræfter, at vi har læst tidsskriftets holdning til spørgsmål, der er involveret i etisk offentliggørelse, og bekræfter, at denne rapport er i overensstemmelse med disse retningslinjer. En del af dette arbejde blev inviteret til at blive præsenteret på Frontiers for Young Minds gennem Organization for Human Brain Mapping (OHBM) 2021. Artiklen blev støttet af RP-Grant 2021 og 2022 fra Ewha Womans University (SEK). Undersøgelsen blev støttet af tilskud fra Basic Science Research Program, Convergent Technology R&D Program for Human Augmentation, BK21 Plus Program gennem National Research Foundation of Korea (NRF) finansieret af Ministry of Science, Information and Communication Technologies & Future Planning [NRF-2018M3C1B8016147, 2019M3C1B8090803 og 2020R1A2C2013216], og Institute of Information & Communications Technology Planning & Evaluation (IITP) finansieret af den koreanske regering (MSIT) [Nr. RS-2022-00155966], og Artificial Intelligence Convergence Innovation Human Resources Development fra Ewha Womans University til HL.
Forfatterne erklærer, at forskningen blev udført i fravær af kommercielle eller økonomiske relationer, der kunne opfattes som en potentiel interessekonflikt.
↑Kim, S. E., Kim, W. S., Kim, B. G., Chung, D., Jeong, J., Lee, J. S., et al. 2013 Spatiotemporal dynamik og funktionelle korrelater af fremkaldte neurale svingninger med forskellige spektrale kræfter i menneskets visuelle cortex. Clin. Neurophysiol. 124:2248-56. doi: 10.1016/j.clinph.2013.04.341

[1] Gilbert, C. D., Li, W. 2013 Top-down påvirkninger på visuel behandling. Nat. Rev. Neurosci. 14:350-63. doi: 10.1038/nrn3476

[2] Herculano-Houzel, S. 2009 Den menneskelige hjerne i tal: en lineært opskaleret primat-hjerne. Front. Hum. Neurosci. 3:31. doi: 10.3389/neuro.09.031.2009

[3] Ghose, G. M., Maunsell, J. 1999 Specialiserede repræsentationer i visuel cortex: en rolle for binding? Neuron. 24:79-85. doi: 10.1016/S0896-6273(00)80823-5

[4] Kalaivani, M., Kalaivani, V., Devi, V. A. 2014 “Analysis of EEG signal for the detection of brain abnormalities,” i International Journal of Computer Applications® år.

[5] Hassabis, D., Kumaran, D., Summerfield, C., Botvinick, M. 2017 Neuroscience-inspired artificial intelligence. Neuron. 95:245-58. doi: 10.1016/j.neuron.2017.06.011

Kim SH, Cho EJ, Kim YJ, Kim SE og Lee HW (2023) How Does the Brain Allow the Eyes to See? Forside. Young Minds. 11:732405. doi: 10.3389/frym.2023.732405
Elizabeth Johnson
Indsendt: 12. januar 2022; Accepteret: 4. august 2023; Offentliggjort online: 23. august 2023.
Copyright © 2023 Kim, Cho, Kim, Kim og Lee

Læs videre

Du ser bolden flyve mod dig, kun en halv meter væk. Du sprinter for at gribe den, mens du pumper dine ben så hårdt, du kan. Du griber bolden og holder fast i den med fingrene. Så hører du pludselig din mors stemme kalde på dig. Det går op for dig, at det er tid til aftensmad, så du skynder dig hjem igen. Hvordan kan alt dette ske? Du ved selvfølgelig, at din hjerne styrer din krop, men hvordan ved den, hvad dine øjne ser, eller hvordan får den dine ben til at løbe? Din hjerne består af milliarder af celler, der kaldes neuroner. Dine neuroner bærer information i form af elektriske impulser. Neuronerne kommunikerer med hinanden og resten af din krop ved særlige mødepunkter, der kaldes synapser.

Vores hjerner er som utroligt komplekse puslespil med milliarder af brikker, der har vokset og udviklet sig, siden før vi blev født. Men vidste du, at små, hårlignende strukturer på vores celler kaldet primære cilier spiller en stor rolle i denne proces? Primære cilier fungerer som antenner, der hjælper vores hjerneceller med at kommunikere, rejse og endda opbygge forbindelser ved at styre samlingen af dette store puslespil. Men når de primære fimrehår ikke kan dannes ordentligt eller ikke kan fungere problemfrit, kan det påvirke udviklingen af mange organer, herunder hjernen. Forskere har fundet ud af, at kortere eller færre primære cilier er forbundet med tilstande, der kan påvirke hjernens udvikling, herunder en gruppe lidelser, der kaldes ciliopatier. Ved at forstå betydningen af primære cilier kan vi finde ud af mere om hjernens udvikling og den rolle, cilier spiller i samlingen af dette store puslespil.

Som mennesker kan vi bruge ord som “sulten” og “mæt” til at kommunikere, hvornår vi har brug for at spise i løbet af dagen. Men mus, som ofte bruges til at studere spiseadfærd i laboratoriet, kan ikke fortælle os, hvad de føler. Vi trænede mus til at fortælle os, om de var sultne eller mætte. Derefter tændte og slukkede vi for bestemte celler i et hjerneområde kaldet hypothalamus for at se, om disse specifikke celletyper kunne få en mus til at føle sig sulten eller mæt. Vores forskning viste, at når vi tændte for bestemte hjerneceller i et område kaldet hypothalamus’ bueformede kerne, fik det musene til at rapportere, at de var sultne, selv om de lige havde spist, og deres maver burde føles fyldte. Disse resultater giver os et fingerpeg om, hvordan hjernen arbejder med at kontrollere sult.

Nogle gange kan børn ikke bo hos deres biologiske (biologiske) forældre. Det kan være, fordi forældrene er syge eller ude af stand til at tage sig af deres børn på grund af de udfordringer, forældrene står over for. I sådanne tilfælde kan plejefamilier træde til og hjælpe. En plejefamilie er som en anden familie, hvor børn kan bo midlertidigt, eller indtil de bliver voksne. Plejeforældrenes opgaver er de samme som alle andre forældres: De leger med børnene, tilbyder følelsesmæssig støtte, hjælper med lektier, sørger for mad og drikke, og sørger for et trygt hjemmemiljø. Ikke desto mindre er det en stor forandring at flytte til en ny familie, og det kan være en udfordring. Nogle børn kan være vrede eller kede af det, have svært ved at stole på nye mennesker eller have oplevet slemme ting. Det vigtigste er dog, at børn og plejeforældre ikke er alene i disse situationer. Der er et stort team, kaldet familieplejesystemet, som sørger for, at børn og forældre har det bedst muligt.

Tak for din tilmelding.

Du modtager om et øjeblik en e-mail med et link, hvor du bekræfter tilmeldingen.

Med venlig hilsen
MiLife