Kan databeregninger erstatte dyreforsøk?

Torsdag 6. april publiserte jeg en tekst i Aftenposten Viten. Teksten spør om databeregninger kan erstatte dyreforsøk. Den finnes på nett og kan leses her

SAMSUNG CAMERA PICTURES

Samtidig vil jeg oppfordre andre til å publisere selv! Du trenger ikke å være ferdig med master for å gjøre det. Om du har en ferdigskrevet tekst, send den til en redaksjon. Selv ville jeg forsøke i Viten fordi den når ut til mange, og det vil vi jo med faget vårt. Ikke vær redd for å sende noe du ikke er 100% fornøyd med. De fleste redaksjoner tilbyr hjelp og ber deg rette opp og forandre ting dersom de liker temaet. Jeg måtte for eksempel kutte ca halve teksten.

Artikkelen min startet forresten som en skoleoppgave. Kanskje du allerede har noe liggende som flere kan ha glede av å lese?

God påske!

Advertisements

Hva har krefter med hjernen vår å gjøre?

Jeg ble fortalt at fysikk er å regne på krefter, og tenkte at det ikke var noe for meg. Lite visste jeg om at det å regne på krefter, ikke bare er nødvendig for å forstå verden rundt meg, men også inni meg.

Denne teksten ble publisert på titan.uio.no 8. februar 2017.

Jeg er fysiker, men for noen år siden visste jeg ikke hva fysikk var for noe. På videregående skole skulle jeg velge valgfag, og et av alternativene var fysikk. Jeg ble fortalt at fysikk er å regne på krefter, og ærlig talt syntes jeg det hørtes ganske kjedelig ut.

Likevel har jeg endt opp med å bli nettopp fysiker. Jeg oppdaget at det å regne på krefter både er gøy og nyttig. Blant annet kan man forske på hjernen. Jeg tar en doktorgrad i noe som kalles for hjernefysikk, men hva har egentlig krefter med hjernen vår å gjøre?

hjernefysikktitan
Arbeidsplassen min. Hvordan kan man forske på hjernen uten å være på lab?
Foto: Marte Julie Sætra, hjernefysikk. Fotograf: Wenche Willoch/UiO. Lisens: CC BY 4.0

Hjernen gjør oss til den vi er

Jeg vil gjerne fortelle litt om hjernen først. Hjernen er universets mest komplekse organ – i hvert fall så vidt vi vet. Og det er jo et morsomt paradoks at dette er det hjernen selv som påstår. Hjernen gjør oss til den vi er, og hadde hjernetransplantasjon vært mulig, hadde vi ikke fått ny hjerne, vi hadde faktisk fått en ny kropp.

Hjernen består av 100 milliarder hjerneceller. Mellom disse hjernecellene finnes det tusen billioner, eller tusen millioner millioner, punkter der det går signaler fra én hjernecelle til en annen. Disse kommunikasjonspunktene kaller vi synapser.

Det største problemet

Én av grunnene til at jeg forsker på hjernen, er at jeg synes det er utrolig spennende hvordan 100 milliarder hjerneceller og 1000 billioner synapser former oss når vi er friske. En kanskje enda større grunn er at det er veldig viktig å forstå hvordan 100 milliarder hjerneceller og 1000 billioner synapser former oss når vi er syke.

Dessverre er det slik at hjernesykdommer fører til flere sykehusinnleggelser i USA enn noen annen sykdom. Det betyr at flere blir lagt inn på sykehus på grunn av hjernesykdom enn på grunn av kreft eller hjerteproblemer. I Norge vil 1 av 3 få en hjernerelatert lidelse i løpet av livet, som for eksempel epilepsi, demens, en mental lidelse eller hjerneslag.

Skal vi klare å behandle alle disse hjernesykdommene, trenger vi mer kunnskap. Jeg vil gjerne bidra, men hva kan en fysiker, som jobber med krefter, gjøre for hjerneforskningen?

Hva kan en fysiker, som jobber med krefter, gjøre for hjerneforskningen?

Kreftene rundt oss og i oss

Når man snakker om krefter i fysikken, snakker man om de fire naturkreftene. Vi har gravitasjonskraften, som gjør at eplet faller mot bakken. Vi har den elektromagnetiske kraften, som gjør at partikler med ladning enten tiltrekkes av eller frastøter hverandre. Og så har vi den sterke og den svake kjernekraften, som virker inni atomkjernene. Som fysiker prøver man stort sett å finne ut hvordan fenomener i naturen kan forstås eller forutsies ut fra disse kjente kreftene. Språket man bruker, er matematikk.

Strengt tatt er det mulig som fysiker å klare seg en stund uten matematikk. Det er mulig å beskrive verden rundt oss med ord. Jeg kan for eksempel si at om jeg slipper en stein mot bakken, og ser bort fra luftmotstanden, vil alle steiner bruke like lang tid på å nå bakken fra den samme høyden. Da har jeg en kvalitativ beskrivelse av steiner som faller.

Hvis jeg på den annen side velger å beskrive steiner som faller med matematikk, kan jeg for det første gjøre påstanden min mer kompakt og presis, for det andre får jeg mulighet til å gi en kvantitativ beskrivelse av hva som skjer. Jeg kan faktisk regne ut hvor lang tid en stein vil bruke på å falle mot bakken fra en viss høyde.

For å regne på steiner som faller, bruker man loven for gravitasjonskraften. Fysikere som studerer hvordan kometer går i baner på himmelen, bruker også denne loven. De som studerer lynnedslag eller utvikler nye mikrobølgeovner, bruker lovene som gjelder for elektriske fenomener. Denne måten å beskrive verden på, kan også brukes på hjernen.

Hjernespråket

En fysiker som forsker på hjernen, bruker matematikk til å forklare eller forutsi hvordan hjernen vår fungerer. Dette er ikke så nytt som man kanskje skulle tro. Den første matematiske beskrivelsen av hvordan hjernecellene kommuniserer med hverandre, kom allerede på 40-tallet. To personer ved navn Hodgkin og Huxley fikk Nobelprisen for denne beskrivelsen i 1963.

Før Hodgkin og Huxley kom på banen, hadde man stukket elektroder inn i hjerneceller fra dyr. I dag hender det man gjør det på pasienter som skal gjennomgå en hjerneoperasjon, ellers brukes forsøksdyr som fisk, rotter og mus. I hjernecellene målte man en spenning, akkurat samme type spenning som vi har i stikkontakten i husene våre. Den eneste forskjellen var at spenningen i hjernen var mye lavere enn den i veggen.

Man så at denne spenningen var omtrent på en tidels volt og at den ofte lå stabilt, men innimellom skjøt den i været før den raskt kom ned igjen. Dette fenomenet kaller man et aksjonspotensial, og det er på en måte språket til hjernecellene. En hjernecelle kan sende signaler til en annen hjernecelle ved å fyre av slike aksjonspotensialer. Det som bestemmer budskapet i et slikt signal, er hvor ofte aksjonspotensialene blir fyrt av etter hverandre.

Batteriene i hjernen

Hjerneceller kan sammenlignes med batterier. For et batteri gjelder lovene fra elektromagnetismen. I batteriet er det litt mer negativ ladning i den ene enden enn i den andre, og denne ladningsforskjellen skaper en spenning.

For at ikke den elektromagnetiske kraften skal trekke de negative ladningene mot de positive, er det lagt inn en vegg som skiller dem. Når vi holder ladningene adskilt, og på denne måten opprettholder en spenning i batteriet, har vi lagret energi. Denne energien er ikke nyttig før vi kobler batteriet til en krets med en lyspære eller en leke eller noe sånt. Da kan ladningene bevege seg, og det skapes elektrisk energi. Slik får vi lys i pæra eller en leke som fungerer.

En elektrisk hjerne

I kroppen vår finnes det masse partikler med ladning – eller ioner, som det også blir kalt. Like mange positive og negative ioner sørger for at kroppen er elektrisk nøytral. Noen steder er det likevel samlet mer av den ene typen ladning enn av den andre. I hjerneceller er det litt mer negativ ladning på innsiden enn det er på utsiden. Ladningene holdes adskilt av en cellemembran, akkurat som i batteriet. Og akkurat som batteriet venter på å bli koblet til en krets, venter cella på en mulighet til å flytte på ionene sine. Det får den gjøre hvis den blir stimulert.

En hjernecelle kan stimuleres på flere måter. Ganske vanlig er det at kjemiske stoffer påvirker cellen. Når dette skjer, vil små kanaler åpne seg i membranen. Da får ionene bevege seg, og det skjer en endring i spenningen. Noen ganger er denne endringen stor nok til å få satt i gang et aksjonspotensial. Det er, som jeg fortalte, selve språket til hjernecellene. Et aksjonspotensial i én hjernecelle kan stimulere til et aksjonspotensial i en annen hjernecelle, som igjen stimulerer den neste osv.

Kan vi regne ut hva vi tenker?

Veldig forenklet kan vi se på hjernecellene som mange små, elektriske kretser. Disse vet man godt hvordan man skal regne på. En fysiker regner på hjerneceller med de samme fysiske lovene som gjelder for de elektriske kretsene i mobiltelefonen din.

En fysiker regner på hjerneceller med de samme fysiske lovene som gjelder for de elektriske kretsene i mobiltelefonen din.

Når vi vet hvordan vi kan regne på én hjernecelle, kan vi prøve å sette dem sammen i nettverk. Da kan vi se om vi får noe som likner på tenkning. Skal vi regne på de matematiske uttrykkene for dette, klarer vi ikke å finne løsninga ved hjelp av penn og papir. Vi er nødt til å bruke datamaskiner for å gjøre beregninger. Ved hjelp av databeregninger løser vi alle matematiske ligninger som kan beskrive hjernen.

DigiBrain

Beregningene jeg skal gjøre i min doktorgrad, skal jeg gjøre i et prosjekt som heter DigiBrain. DigiBrain er støttet av Norsk Forskningsråd. Her jobber forskere fra ulike realfag, som biologi, medisin og fysikk. Sammen studerer vi relasjonen mellom gener og mentale lidelser.

Det er nylig gjort noen store genkartleggingsstudier som viser at mange hjernesykdommer, for eksempel schizofreni, har sammenheng med visse genvarianter. Da mener jeg ikke at dersom du har ett spesielt gen, så blir du schizofren, men at visse genvarianter finnes mye oftere hos pasienter med schizofreni sammenliknet med normalbefolkningen. Akkurat hvilke av disse genvariantene som er viktige og hvor mye de faktisk kan forklare av sykdommen, vet man veldig lite om.

Vi i DigiBrain tror at om du skal forstå en mental lidelse godt nok til å finne gode behandlinger, er du nødt til å forstå mekanismene som ligger bak. De må forstås helt ned på gennivå. Vi er nødt til å finne ut hvordan genvarientene påvirker hjernecellene og hvordan dette virker inn på hele nettverk av hjerneceller.

Når det er så mange gener involvert, blir det nesten umulig å sette i gang med biologiske eksperimenter for å kartlegge genenes betydning. Problemet er for komplekst til at man kan vite hvor man burde starte. Det er da fysikeren kommer inn i bildet. Ved hjelp av beregninger kan han eller hun teste ting på datamaskinen som det er veldig ressurskrevende å gjøre på en lab.

Etter prøving og feiling er sannsynligheten stor for at man finner noe av interesse. Fysikeren kan komme med en hypotese om hvilke gener som har betydning for hva. Siden kan det gjøres avanserte, målrettede eksperimenter på laben for å finne ut om denne hypotesen stemmer også i virkeligheten.

Med denne fremgangsmåten vil vi forhåpentlig gjøre viktige fremskritt i forskningen på mentale lidelser som schizofreni – en forskning som lenge har vært preget av lite fremgang.

Vårt felles mål

Alt i alt vil bedre kunnskap om hjernen føre til bedre behandling av hjernesykdommer. Skal vi få til store fremskritt, har vi tro på at forskere fra ulike disipliner jobber sammen. For selv om vi benytter forskjellige metoder, vil vi alltid ha et felles mål, nemlig å forstå verden rundt oss – og inni oss.

Ja takk, mer enn hjerne

6. november kom jeg på trykk i tidsskriftet Argument. Bladet er gratis og kan plukkes opp på Universitetet i Oslo for eksempel. Teksten kan du også lese her. 

Argument

En datamaskin kan hjelpe oss å forstå så mangt, men kan den hjelpe oss å forstå vår egen hjerne?

Hjernen din er kroppens mest komplekse organ. Kunnskapen om hvordan den fungerer og er satt sammen har vokst drastisk i løpet av de siste par tiårene. Nye verktøy og teknologier blir stadig tatt i bruk, blant annet datasimuleringer. Men når hjernen din kan danne nettverk av forbindelser som langt overgår både Twitter-, Facebook- og Linkedin-kontoen din, og samtidig lagre mer informasjon enn en superdatamaskin, kan da en datasimulering måle seg?

En pilot og en sopelime
I fjor besøkte jeg Harry Potter-verden i Orlando og fløy på sopelime i en simulator, for moro skyld. Kameraten min Tore har kjørt simulator for å lære seg å fly passasjerfly. Som en del av sin pilotutdannelse måtte han bruke flere titalls timer i en flysimulator før han fikk fly på ekte. Grunnene er mange, og de er gode, og kanskje kan vi tenke likt i hjerneforskningen. Eller kan vi det? Kan hjernesimuleringer gjøre oss til bedre forskere, slik flysimulatoren gjorde Tore til en bedre pilot?

Forskerens falske flytur
En datasimulering er en etterligning av virkeligheten. De elektriske signalene i hjernen kan beskrives med ren fysikk, og fysikkens språk er matematikk. Matematikken kan forstås av datamaskiner. Ønsket med datasimuleringer er å forklare hvordan hjernens elektriske signaler blir brukt til å representere og behandle informasjon. Den alternative metoden, hjerneforskerens «ekte flytur», er å gjøre psykologiske eller biologiske eksperimenter.

Med livet og forstanden i behold
Tore var redd da han trente, men han fryktet aldri for livet. I flysimulatoren kunne han øve på en tryggere måte enn i virkeligheten, og slik er det også med hjernesimuleringene. Du kan ikke klusse med noens hjerne i en datasimulering.

Og hva om Tore ble nysgjerrig? På hva som egentlig ville skje dersom han skrudde av den ene motoren? Da kunne han jo faktisk prøve, uten å sette sitt eget eller andres liv på spill. Slik jeg kjenner realister, så er det ikke helt usannsynlig at også en hjerneforsker vil kunne lure på hva som vil skje dersom han eller hun kobler ut noen hjerneceller.

Unike erfaringer
Tore fikk også en helt unik erfaring, fordi simulatoren kunne tilby han en hvilken som helst realistisk situasjon; regn, storm, røyk i kabinen og mer til. Erfaring kan være like nyttig for en hjerneforsker. Det er ikke alltid så lett å vite hva du skal forske på eller se etter i et biologisk eksperiment. Har du gjort datasimuleringer på forhånd, har du kanskje oppdaget noe som er spennende å se på også i virkeligheten. Slik kan datasimuleringer bidra til å skape mer målrettede biologiske eksperimenter.

Inne for landing
Simuleringer er ofte billigere enn ekte forsøk og kan også være mer effektive. Tore trengte nok noen ekstra runder med landing etterhvert. Da var det jo flott at han kunne spole seg fram til landing i simulatoren. På samme måte kan hjerneforskeren pløye seg effektivt fram til akkurat de biologiske prosessene som er av interesse.

Noe vil alltid være galt
Vi kan etterligne hjernen ved hjelp av en datamaskin dersom vi vet hvordan hjernen fungerer.  Vi kan så eksperimentere og forske på en billigere og tryggere måte enn i virkeligheten. Ulempen er bare det at det er feil. En simulering vil aldri være mer enn en etterligning av virkeligheten, ingen nøyaktig kopi. Detaljene er svært begrenset. De vil være der hvis du gjør biologiske eksperimenter, men på en datamaskin må mye velges bort. For å kunne tolke resultater må man ha veldig god kontroll på alle antagelser man har gjort. Det vil si at vi har gjort en del forenklinger. Disse forenklingene er det lett miste kontrollen på når systemet er komplekst.

En overlegen hjerne
Det å kunne simulere hele hjernen ville vært fantastisk, men det kan vi ikke. Datamaskinen jobber mye saktere enn hjernen selv, så før vi har kraftigere maskiner ligger mye av begrensningen i mangel på regnekraft.  Dessuten er det mye som ennå er ukjent. Vi må tross alt vite hvordan en hjerne kan etterlignes før den faktisk etterlignes. Forskeren er den som mater informasjon til simuleringene, selv om datamaskinen gjør all regnejobben. Det er spennende å spørre seg om vår egen hjerne virkelig kan forske på seg selv. Trenger vi et verktøy som er kraftigere enn hjernen selv for at forskningen skal bli objektiv og oppnå tilstrekkelig innsikt?

Vår egen begrensede evne til åholde oversikt over hundrevis av ligninger kan sette begrensninger ogsåfor maskinen. Selv om maskinen vil kunne regne påde raskt, kan de være vanskelige for en forsker åholde styr på.

En evig søken
Til tross for visse utfordringer, som jo er tilstede ved all type forskning, er det liten tvil blant forskere om at datasimuleringer er et uvurderlig verktøy i vårt forsøk på å forstå hjernen. Om vi får til dette, vil vi kunne finne flere kurer mot sykdommer i hjernen og i kroppen under hjernens kontroll. Det ultimate målet er å finne de gode svarene i vår søken etter å forstå verden rundt oss, – og inni oss.

Slakterkniv og hjernemasse

Da jeg var seks år, fikk jeg i oppgave på skolen om å tegne hva jeg ville bli når jeg ble stor. Resultatet ble til en blodig skisse av ei dame med kniv…

«Hva skal det forestille?», spurte læreren. «En slakter selvsagt», svarte jeg. For det var slakter jeg skulle bli. Eller frisør. Men slakter aller helst. Nå har jeg blitt stor, tjueto år faktisk, men jeg ble aldri slakter og har ingen intensjoner om å bli det i fremtiden heller. Et eller annet sted på veien så endret jeg kurs. Og drømmen i dag er å bli fysiker.

Skjermbilde 2015-02-01 kl. 22.51.17

Fysikken beskriver naturen

Like etter videregående begynte jeg å studere på Universitetet i Oslo. Nå går jeg første året på en master i fysikk. Fysikk er å beskrive naturen ved hjelp av matematikk. Hvis vi vet hvordan naturen fungerer og vi kan beskrive oppførselen med et språk (matematikk), kan vi utvikle ny teknologi som «samarbeider» eller som «etterligner» naturen. Veldig ofte, så leter man mest fordi man er nysgjerrig og oppdager først senere hvordan kunnskapen eventuelt kan anvendes. Einstein for eksempel, visste ikke at relativitesteorien (en teori som beskriver hvordan naturen oppfører seg ved ekstreme hastigheter eller gravitasjonsfelt) skulle brukes til å utvikle GPSen…

Skal forske på hjernen

På master skal jeg gå i retning av noe som kalles for beregningsorientert nevrovitenskap. Det handler om å forske på hjernen ved hjelp av den kunnskapen man har innen fysikk og matematikk. En biolog kan gjøre eksperimenter og benytte elektroder til å måle hjernesignaler, men dette gir bare et lite innblikk i et veldig komplekst system. For å fylle inn manglende kunnskap må man derfor bruke matematiske modeller og datamaskiner. På studiet mitt har jeg lært å programmere, slik at datamaskinen kan gjøre beregninger som ellers ikke er mulig med penn og papir. Det er dette som ligger i begrepet «beregningsorientert».

Begynnelsen på en blogg

Som bonus tar jeg et kurs i forskningsformidling (MNKOM4000) og det er denne bloggen et resultat av. Jeg besitter etterhvert en kunnskap som ikke er så vanlig og vil gjerne trene på det å formidle hva jeg her lært. Jeg har tidligere forfattet www.martejulie.blogg.no, men uten å vektlegge fysikk og forskning. Min formidlingsfilosofi er likevel den samme: Skriv fordi du har noe på hjertet, ikke ha noe på hjertet fordi du vil skrive.