Hvordan hjernen fungerer, er stadig et puslespil, hvor kun få brikker er på plads. Af disse er en stor brik faktisk en formodning: at der er en sammenhæng mellem hjernens fysiske struktur og dens funktionalitet.

Hjernens opgaver omfatter fortolkning af berøring, visuelle og lydinput samt tale, ræsonnement, følelser, indlæring, fin kontrol af bevægelser og mange andre. Neurovidenskabsfolk antager, at det er hjernens anatomi – med dens hundredvis af milliarder af nervefibre – der gør alle disse funktioner mulige. Hjernens “levende ledninger” er forbundet i udførlige neurologiske netværk, der giver anledning til menneskers fantastiske evner.

Det ser ud til, at hvis forskerne kan kortlægge nervefibrene og deres forbindelser og registrere timingen af de impulser, der strømmer gennem dem for en højere funktion som f.eks. synet, burde de kunne løse spørgsmålet om, hvordan man f.eks. ser. Forskerne er blevet bedre til at kortlægge hjernen ved hjælp af tractografi – en teknik, der visuelt repræsenterer nervefiberruter ved hjælp af 3D-modellering. Og de bliver bedre til at registrere, hvordan informationerne bevæger sig gennem hjernen ved hjælp af forbedret funktionel magnetisk resonansbilleddannelse til at måle blodgennemstrømningen.

Men på trods af disse værktøjer synes ingen at være meget tættere på at finde ud af, hvordan vi virkelig ser. Neurovidenskaben har kun en rudimentær forståelse af, hvordan det hele hænger sammen.

For at afhjælpe denne mangel fokuserer mit teams biotekniske forskning på sammenhængen mellem hjernens struktur og funktion. Det overordnede mål er at forklare alle de forbindelser – både anatomiske og trådløse – der aktiverer forskellige hjerneområder under kognitive opgaver videnskabeligt. Vi arbejder på komplekse modeller, der bedre indfanger det, som forskerne ved om hjernens funktion.

Et klarere billede af struktur og funktion kan i sidste ende finjustere de måder, hvorpå hjernekirurgi forsøger at korrigere strukturen og omvendt medicinering forsøger at korrigere funktionen.

Trådløse hot spots i dit hoved

Kognitive funktioner som f.eks. ræsonnement og indlæring bruger en række forskellige hjerneområder i en tidsmæssig rækkefølge. Anatomi alene – neuroner og nervefibre – kan ikke forklare exciteringen af disse regioner, samtidig eller i tandem.

Nogle forbindelser er faktisk “trådløse”. Det er elektriske nærfeltforbindelser og ikke de fysiske forbindelser, der registreres i tractografer.

Mit forskerhold har i flere år arbejdet på at finde frem til oprindelsen af disse trådløse forbindelser og måle deres feltstyrker. En meget enkel analogi af, hvad der foregår i hjernen, er, hvordan en trådløs router fungerer. Internettet leveres til en router via en kablet forbindelse. Routeren sender derefter oplysningerne til din bærbare computer ved hjælp af trådløse forbindelser. Det samlede system for informationsoverførsel fungerer på grund af både kablede og trådløse forbindelser.

I hjernens tilfælde leder nervecellerne elektriske impulser ned ad lange trådlignende arme kaldet axoner fra cellekroppen til andre neuroner. Undervejs udsendes der naturligvis trådløse signaler fra uisolerede dele af nervecellerne. Disse steder, der mangler den beskyttende isolering, som omslutter resten af axonen, kaldes Ranvier-knuder.

Ranvier-knuderne tillader ladede ioner at diffundere ind og ud af neuronet og spreder det elektriske signal ned ad axonen. Når ionerne strømmer ind og ud, genereres der elektriske felter. Intensiteten og strukturen af disse felter afhænger af nervecellens aktivitet.

Her på Global Center for Neurological Networks fokuserer vi på, hvordan disse trådløse signaler fungerer i hjernen til at kommunikere information.

Hjernens ikke-lineære verden

Undersøgelser af, hvordan ophidsede hjerneområder passer sammen med kognitive funktioner, begår endnu en fejl, når de baserer sig på antagelser, der fører til alt for enkle modeller.

Forsker har en tendens til at modellere forholdet som lineært med en enkelt variabel, der måler den gennemsnitlige størrelse af et enkelt hjerneområdes respons. Det er logikken bag udformningen af det første høreapparat – hvis en persons stemme bliver dobbelt så høj, bør øret reagere dobbelt så meget.

Men høreapparater er blevet stærkt forbedret i årenes løb, efterhånden som forskerne bedre har forstået, at øret ikke er et lineært system, og at der er behov for en form for ikke-lineær kompression for at tilpasse de genererede lyde til lytterens formåen. Faktisk har de fleste levende væsener ikke sansesystemer, der reagerer lineært og en-til-en på stimuli.

Lineære modeller antager, at hvis input til et system fordobles, vil output fra dette system også blive fordoblet. Dette gælder ikke for ikke-lineære modeller, hvor der kan findes mange udgangsværdier for en enkelt værdi af input. Og de fleste forskere er enige om, at neurale beregninger faktisk er ikke-lineære.

Et afgørende spørgsmål i forståelsen af sammenhængen mellem hjerne og adfærd er, hvordan hjernen beslutter den bedste handlemåde blandt konkurrerende alternativer. For eksempel træffer hjernens frontale cortex optimale valg ved at beregne mange størrelser eller variabler – ved at beregne den potentielle gevinst, sandsynligheden for succes og omkostningerne i form af tid og indsats. Da systemet er ikke-lineært, kan en fordobling af den potentielle gevinst gøre en endelig beslutning langt mere end dobbelt så sandsynlig.

Lineære modeller går glip af den rige variation af muligheder, der kan forekomme i hjernens funktion, især dem, der ligger ud over, hvad den anatomiske struktur ville antyde. Det svarer til forskellen mellem en 2D- og 3D-repræsentation af verden omkring os.

De nuværende lineære modeller beskriver blot det gennemsnitlige niveau af excitation i et hjerneområde eller strømmen over en hjerneoverflade. Det er meget mindre information end den information, som mine kolleger og jeg bruger, når vi opbygger vores ikke-lineære modeller fra både forstærket funktionel magnetisk resonansafbildning og elektriske bioafbildningsdata i nærfeltet. Vores modeller giver et 3D-billede af informationsstrømmen på tværs af hjernens overflader og til dybder i hjernen – og bringer os tættere på at repræsentere, hvordan det hele fungerer.

Normal anatomi, fysiologisk dysfunktion

Mit forskerhold er fascineret af, at mennesker med helt normalt udseende hjernestrukturer stadig kan have store funktionelle problemer.

Som led i vores forskning i neurologisk dysfunktion besøger vi personer på hospice, i støttegrupper for efterladte, rehabiliteringscentre, traumecentre og hospitaler med akut behandling. Vi bliver konsekvent overraskede over at indse, at mennesker, der har mistet en af deres kære, kan udvise lignende symptomer som patienter, der er diagnosticeret med Alzheimers sygdom.

Sorg er en række følelsesmæssige, kognitive, funktionelle og adfærdsmæssige reaktioner på død eller andre former for tab. Det er ikke en tilstand, men snarere en proces, som enten kan være midlertidig eller vedvarende.

De sundt udseende hjerner hos personer, der lider af fysiologisk sorg, har ikke de samme anatomiske problemer – herunder skrumpede hjerneområder og forstyrrede forbindelser mellem netværk af neuroner – som man finder hos personer med Alzheimers sygdom.

Vi mener, at dette blot er et eksempel på, hvordan hjernens hot spots – de forbindelser, der ikke er fysiske – plus rigdommen i hjernens ikke-lineære funktion kan føre til resultater, som ikke ville blive forudsagt af en hjernescanning. Der er sandsynligvis mange flere eksempler.

Disse ideer kan vise vejen til afhjælpning af alvorlige neurologiske tilstande ved hjælp af ikke-invasive midler. Berøvelsesterapi og ikke-invasive, elektriske neuromodulationsapparater i nærfeltet kan reducere de symptomer, der er forbundet med tabet af en elsket person. Måske bør disse protokoller og procedurer i højere grad tilbydes patienter, der lider af neurologisk dysfunktion, hvor billeddannelse afslører anatomiske ændringer. Det kunne redde nogle af disse personer fra invasive kirurgiske indgreb.

Diagrammering af alle hjernens ikke-fysiske forbindelser ved hjælp af vores seneste fremskridt inden for elektrisk nærfeltkortlægning og anvendelse af, hvad vi mener er biologisk realistiske mange-variable ikke-lineære modeller, vil bringe os et skridt nærmere derhen, hvor vi ønsker at komme. En bedre forståelse af hjernen vil ikke blot mindske behovet for invasive operationsprocedurer for at korrigere funktionen, men vil også føre til bedre modeller for det, hjernen er bedst til: beregning, hukommelse, netværksdannelse og informationsfordeling.