Avlytter hjernens orkester

Norske forskere har utviklet en ny metode for analyse av elektrisk aktivitet i hjernen.

Publisert
En skog av nevroner. (Foto: Hermann Cuntz)
En skog av nevroner. (Foto: Hermann Cuntz)

Bakgrunn:

Prosjektet er hovedsakelig finansiert av eVitenskapsprogrammet i Norges forskningsråd, og et eksempel på den økte betydningen matematisk nevrovitenskap har i moderne hjerneforskning .

Einevoll har nettopp blitt valgt inn som en av fire nye ledere i Organization for Computational Neurosciences, og er også en av lederne for den norske noden av INCF, the International Neuroinformatics Coordinating Facility.

Begge organisasjonene arbeider for bruk av metoder fra informatikk, matematikk og fysikk i hjerneforskning.

Forskermiljøet innen matematisk nevrovitenskap ved UMB har kontakt med kliniske forskermiljøer både i USA og Europa med tanke på bruk av metodikken i pasientbehandling.

Metoden kan hjelpe leger og forskere til bedre å tolke signalene som hjernecellene sender ut. På sikt kan dette føre til store framskritt i tolkning av for eksempel EEG-målinger, samt diagnostisering og behandling av ulike hjernesykdommer.

Metoden er utviklet av forskere ved Universitetet ved miljø- og biovitenskap.

Leger og forskere har målt og tolket elektrisk aktivitet fra hjerneceller helt siden 1875, og man har etter hvert fått mye praktisk erfaring i å relatere formen på signalene til ulike hjernesykdommer, som for eksempel epilepsi.

Likevel har man til nå hatt lite kunnskap om hvordan disse signalene oppstår i nettverket av nerveceller.

- Basert på metoder fra fysikk, matematikk og informatikk, og regnekraft fra superdatamaskinen Stallo i Tromsø, har vi utviklet detaljerte matematiske modeller som avdekker denne koblingen mellom nervecelleaktivitet og det elektriske signalet som plukkes opp av en måleelektrode, sier professor Gaute Einevoll ved Institutt for matematiske realfag og teknologi (IMT) ved UMB.

Mikrofon i en menneskemengde

Tolkning av elektrisk aktivitet målt med elektroder i hjernen kan sammenlignes med å tolke lydsignaler målt med en mikrofon i en forsamling av mennesker.

Akkurat som mennesker snakker i munnen på hverandre, sender de enkelte nervecellene ut elektriske signaler oppå hverandre.

Professor Gaute Einevoll (f.v), forsker Klas Pettersen, dr Sonja Grün og tidligere doktorgradsstudent ved UMB, Henrik Lindén, nå Kungliga Tekniska Högskolan i Stockholm. (Foto: Trond Solem)
Professor Gaute Einevoll (f.v), forsker Klas Pettersen, dr Sonja Grün og tidligere doktorgradsstudent ved UMB, Henrik Lindén, nå Kungliga Tekniska Högskolan i Stockholm. (Foto: Trond Solem)

Det elektroden plukker opp er lyden fra hele orkesteret av nerveceller som omgir elektroden, og det er mange som kan bidra - i en kubikkmillimeter kan det være så mange som 100 000 nerveceller.

Bass og diskant

På samme måte som diskant og bass i et lydbilde, skilles også de høyfrekvente og lavfrekvente bidragene til de elektriske signalene i hjernen.

- I dette prosjektet har vi fokusert på bassen, det vil si de lavfrekvente signalene som kalles ”local field potential” eller ganske enkelt LFP.

- Vi har funnet ut at hvis nervecellene kakler tilfeldig og usynkronisert i munnen på hverandre, så har elektroden en svært kort rekkevidde og mottar signaler kun fra nerveceller som er mindre enn 0.3 millimeter unna.

- Men når nervecellene roper i kor, det vil si er synkroniserte, kan rekkevidden bli mye lenger, sier Einevoll.

Stort behandlingspotensial

Bedre forståelse av de elektriske signalene fra hjernen vil kunne ha direkte betydning for diagnostisering og behandling av sykdommer som for eksempel epilepsi.

- I dag brukes allerede måleelektroder på epilepsipasienter for å måle hjerneaktivitet knyttet til anfall og til å planlegge kirurgiske inngrep.

- I framtiden kan man tenke seg at LFP-signaler målt med implanterte elektroder både kan oppdage når et epilepsianfall er i anmarsj og stoppe anfallet før det er begynt ved å sende inn en passende elektrisk strøm, sier Einevoll.

- En lignende teknikk er allerede i bruk hos en del Parkinson-pasienter som får operert inn strømelektroder i hjernen for å motvirker skjelving, sier forsker Klas Pettersen ved UMB.

Einevoll og Pettersen trekker også fram behandling av pasienter med lammelser på grunn av ryggmargsbrudd som et annet mulig bruksområde.

- Ved lammelser fortsetter nervecellene i hjernebarken å sende ut signaler, men signalene når ikke fram til musklene, og personen er derfor ikke i stand til å bevege armer eller bein.

- Ved å avlytte de riktige nervecellene og videresende disse signalene til for eksempel en robotarm, kan man få den til å bevege seg bare ved å bruke tankene, avslutter Einevoll.

Referanse:

Henrik Lindén et.al., Modeling the Spatial Reach of the LFP, Neuron, 8. desember 2011 (sammendrag)