Hjernens fysikk

Fysikkprofessor Gaute Einevoll er en av flere fysikere som har begynt med hjerneforskning. Men tross tverrfaglig innsats forblir det et like stort mysterium at helt vanlige atomer klarer å bli bevisst seg selv.

Norsk forskning langt fremme

 

Norsk hjerne- og hukommelsesforskning har vært langt fremme i mange år.

Den kanskje aller mest kjente norske hjerneforskeren er Per Andersen. Han var med på å legge mye av grunnlaget for nevrofysiologien.

I 1974 viste Terje Lømo at et permanent minne kunne vise seg som en permanent forsterkning av en synapse (forbindelsen mellom to nerveceller).

Lømo fikk Jahreprisen i 2003 for sine banebrytende studier av hvordan nervecellenes impulsaktivitet bestemmer utvikling og funksjon av hjerne og muskler.

Ekteparet Edvard og May-Britt Moser er særlig blitt kjent for sin hukommelsesforskning og leder et senter for fremragende forskning i Trondheim.

Et annet senter for fremragende forskning innen nevrofysiologi har vi i Oslo.

Paul Heggelund er ekspert på thalamus og synet, og Gaute Einevolls gruppe benytter hans data i sin modellering av synet.

Kilde: Gaute Einevoll

 

- Jeg synes jo det er det største spranget. Det er mange ting vi ikke forstår om naturen, men akkurat det at jeg føler jeg kan sitte inne i hodet mitt og liksom se ut på verden og ha en følelse av hvem jeg er, er mer enn bare vanskelig å forstå. Det er mystisk.

Bevissthetens mysterium

Det er fysikkprofessor Gaute Einevoll ved Universitetet for miljø- og biovitenskap som sitter inne i akkurat dette hodet.

Han bruker sin bakgrunn fra fysikk og matematikk for å forske på hjernen, og kanskje begynne å nærme seg bevissthetens mysterium.

 

Men hva har egentlig en fysiker å gjøre i hjerneforskning? Dette har så langt vært biologenes, psykologenes og medisinernes domene.

Fysikere i hjerneforskningen

- Det stemmer for så vidt. Fysikere og matematikere har ikke deltatt så mye i hjerneforskning tidligere, sier Einevoll.

- Det er imidlertid ikke tilfeldig at mange melder seg på. Først nå kjenner vi nemlig detaljene i hjernen godt nok til å kunne lage gode matematiske modeller.

- Matematisk modellering av natur har alltid vært fysikernes store styrke.

Matematisk modellering

På Universitetet for miljø- og biovitenskap jobber Einevoll sammen med informatikeren Hans Ekkehard Plesser og matematikeren John Wyller. Programmet heter Beregningsorientert Nevrovitenskap.

Ett av prosjektene de jobber med er en matematisk modellering av hvordan øynene og hjernen arbeider sammen.

De ser hvordan signalene går inn i øyet, blir tatt imot på netthinnen, og sendt via et senter vi kaller LGN til hjernebarken. LGN er den delen av thalamus, en samling av nerveceller i mellomhjernen, som behandler synsinntrykk.

Synet er aktivt

Hjernebarken er delt inn i seks forskjellige lag. Ett av lagene mottar synsinntrykket, et annet sender signaler tilbake.

- Det pussige er at det kanskje sendes flere signaler tilbake til LGN enn det som sendes inn. I alle fall er det langt flere koblinger som går den veien, forteller Einevoll.

"Her ser vi hvordan synsinntrykk treffer netthinnen bak i øyet før det sendes videre gjennom thalamus til hjernebarken på baksiden av hodet. Merkelig nok er det færre koblinger til å sende synsinntrykkene til hjernebarken, enn det er koblinger fra hjernebarken og tilbake i synsbanen."
"Her ser vi hvordan synsinntrykk treffer netthinnen bak i øyet før det sendes videre gjennom thalamus til hjernebarken på baksiden av hodet. Merkelig nok er det færre koblinger til å sende synsinntrykkene til hjernebarken, enn det er koblinger fra hjernebarken og tilbake i synsbanen."

- Dette er oppsiktsvekkende og viser at vårt syn er svært forskjellig fra et kamera som bare passivt tar imot. Vårt syn er veldig aktivt, vi ser ut på verden med forventninger, forventninger som påvirker hvordan hjernen styrer inntaket av synsinntrykk.

Hjernen overlegen datamaskinen.

Maskinvaren i en datamaskin jobber på en mye høyere frekvens enn våre hjerner, men hjernen er likevel fullstendig overlegen dagens maskiner i for eksempel gjenkjenning av gjenstander eller personer.

- Hjernen organiserer arbeidet mye smartere enn noen datamaskin, sier Einevoll.

- Vi håper å lære av dette for å forbedre maskiners evne til å se. Kanskje vi en dag også kan hjelpe mennesker med dårlig syn, men frem dit er det langt.

Sammen er vi sterke

Så er vi tilbake ved bevisstheten. Hjernen kan tenke - men hvordan? De enkelte bestanddelene i hjernen - atomene - er jo akkurat som i resten av kroppen, og cellene de bygger opp består av samme stoff og deler som alle andre celler.

- Det er sammen cellene utfører et mirakel, sier Einevoll.

Helheten av hjerneceller blir altså noe mer enn delene.

Mange celler sammen skaper mysteriet

- Ja, men det er selvsagt. En bil består av mange deler. Den kan ikke kjøre uten at svært mange av delene er på plass. Enkeltdelene kan ikke kjøre.

- Det samme prinsippet gjelder for egenskapen “temperatur”. Temperatur eksisterer kun når det er mange atomer til stede. Ett atom har ingen temperatur, temperatur er et mål på bevegelsene til alle atomene sammen.

- Tilsvarende skjer det noe kvalitativt nytt når hjernecellene kommer sammen. Vi forstår ganske mye av de enkelte hjernecellene, men hvordan de sammen kan føre til at vi kan få bevissthet om oss selv, der ser vi ikke engang konturene av et svar.

Forstår ikke nettverket

- Det har kommet nye og viktige metoder inn i hjerneforskning. Nå kan forskere skru av og på genkodede proteiner hos mus og dermed studere effekten av bestemte endringer i deres nerveceller.

- En annen viktig utvikling er at det er kommet en rekke nye metoder for avbildning av hjerneaktivitet på mennesker, for eksempel magnetisk resonans avbildning (MR), magnetfeltmålinger (MEG) eller positron-emisjons tomografi (PET).

Forskerne kan se hvordan den enkelte nervecelle i hjernen har forbindelser til andre enkeltceller, men nettverket som sådant - mellom mange millioner celler - er lite forstått.

Langt igjen

- Det er her vi fysikere og matematikere kan bidra med våre modeller, for eksempel av nettverkene, sier Einevoll.

- Vi vet at hjernen deler oppgavene mellom ulike hjernedeler. Én hjernedel driver med språkbehandling, én annen behandler synsinntrykk.

Vi vet imidlertid ikke hvordan alt sys sammen til en helhet. Og at helheten kan være seg selv bevisst, synes like mystisk som det må ha gjort for folk i middelalderen.

Lenker:

Computational Neuroscience (hjemmeside for programmet til Einevoll, Plesser og Wyller. Den har også norske artikler)

Gaute Einevoll

Einevoll om matematisk modellbygging

På jakt etter minner (Edvard Moser)

Fremtiden ligger i hukommelsen

Fysikknett.no (her finner du mange artikler)

tomografi (for eksempel CT)

MR

Jahreprisen tildelt Terje Lømo

Hjernen som forskningsobjekt

Hjernen

Netthinnen

Faktasider om fossile hjerner

Brain

Consciousness

Mind

Philosophy of mind

Quantum mind

Powered by Labrador CMS