Hjernerobot i emning

Forskere fra mange land samles i dag på Ski for å diskutere lavfrekvente signaler fra hjerneceller. At det nå er mulig å konstruere en ”hjernerobot” som omformer signalene til bevegelse, er ett av temaene.

Publisert
En elektrode maåler aktivitet fra et nevron (hjernecelle).
En elektrode maåler aktivitet fra et nevron (hjernecelle).

Mens vitenskapen vet mye om hvordan én hjernecelle fungerer, er kunnskapen om hvordan hjernecellene kommuniserer i nettverk langt mindre.

Datateknologien har brakt forskningen videre ved å bli verktøy til å simulere den ekstremt komplekse aktiviteten i hjernen.

Tverrfaglig forskning er en annen nøkkel. Fysikerne gjør store sprang inn på biologiens fagområder ved å konstruerer matematiske modeller for hvordan biologiske systemer virker. 

Og det mest spennende biologiske systemet i naturen, det er den menneskelige hjerne.

I dag og i morgen samles forskere fra store deler av verden på Ski, gjennom et samarbeid mellom forskergruppen i matematisk nevrovitenskap på UMB og polske Nencki Institute of Experimental Biology.

Å forstå mer om hvordan hjerneceller (nevroner) kommuniserer med hverandre er målet.

Signal for nettverk

Hjerneceller avgir både høyfrekvente og lavfrekvente signaler. En karakteristikk som skiller er at de lavfrekvente, som går under navnet “LFP”, reflekterer aktivitet fra en større gruppe hjerneceller, at det er et ”nettverks-signal”.

Å måle dem er relativt enkelt og kan sammenlignes med EEG-måling. Mens EEG måler en slags gjennomsnittsaktivitet fra hjernen, fanger LFP-måling opp mer spesifike områder av hjernen.

- I prinsippet ville det vært best om vi kunne avkode signalene fra alle celler som har med  for eksempel en armbevegelse å gjøre. Men vanskeligheter med å holde kontakt med en celle over tid gjør det lite effektivt.

- Det lavfrekvente LFP er enkelt å måle og er et robust signal, forklarer PhD-student Henrik Lindén  ved UMB

Lindén sier det allerede er gjort forsøk som viser at man kan avkode signalet til å styre en bevegelse, og at det i prinsippet også er mulig å omforme signalet direkte til språk.

Når vi kommuniserer med omverdenen sendes et signal fra hjernen gjennom en nerve. Når nerven er kuttet er vi paralyserte og kan ikke kommunisere, en hverdag noen må leve med. Men kanskje ikke for alltid.

Mye data - mange mysterier

Slik ser hjerneceller faktisk ut. Her tre av dem.
Slik ser hjerneceller faktisk ut. Her tre av dem.

I 2007 tildelte Norges forskningsråd 19 millioner kroner til UMB for at fysikkprofessor Gaute Einevoll og forskningsgruppen i matematisk nevrovitenskap skal fortsette sin forskning på hjernen, i veikrysset mellom fagfeltene biologi og fysikk.

Naturens språk er matematikk, og forskerne konstruerer matematiske modeller for å forstå livsprosessene bedre.

- Det er mange som måler hjerneaktivitet, og som har mye data. Men det er stort behov for å forstå dataene bedre, slår Einevoll fast.

Det norsk-polske samarbeidet innebærer to forsker-konferanser – den første på Ski – og er et nytt løft for å bygge forskersamarbeid og større prosjekter på fagfeltet.

Et viktig samarbeid for forskergruppen på UMB er norsk-tysk-japansk. Dr. Sonja Grün leder en forskergruppe i Japan som driver med statistikk innen nevrovitenskap. Store mengder data skal tolkes og forstås, og nye eksperimentelle teorier klekkes ut.

- Vi får inn masse data og prøver å forstå hva de målte signalene forteller om hvordan nevronene oppfører seg. Vi gjenskaper signalet med matematisk modellering og simulerer det med datateknologi, sier Grüen.

Doktorstudent Henrik Lindén peker på et annet sentralt moment i forskningen: den tilgjengelige teknologien.

- Den enkelte hjernecellen er ikke så rask, men samarbeidet mellom cellene er ekstremt komplekst. For å drive realistiske simuleringer må vi ha supercomputere, sier Lindén.