Professor i fysikk Gaute Einevoll har i denne artikkelen fått med seg kolleger innen beregningsorientert fysikk, biologi, informatikk og psykiatri for å fortelle hvordan man nå jobber med hjerneforskning. Målet er å forstå psykiatriske lidelser bedre. Sammen kan disse forskerne gi verdifulle bidrag til kunnskap om hjernen og finne måter å helbrede alvorlig hjernesykdom på, som for eksempel schizofreni. Foto: Håkon Sparre, NMBU.
Nye forskergrupper inn i hjerneforskningen
Matematikk, fysikk og datarevolusjonen kan hjelpe frustrerte hjerneforskere til å komme videre. De viser gjerne til hjernens kompleksitet når de får spørsmål om hvorfor forskningen fortsatt ikke har kur mot ulike hjernesykdommer. Utradisjonelt samarbeid må til for å løse hjernens gåter, dessuten ny organisering på universitetene. Som modell pekes det på forskningsmetoder knyttet til værmeldingen!
Artikkelen er skrevet av:
Gaute T. Einevoll, professor i fysikk, NMBU på Ås og Universitetet i Oslo
Marianne Fyhn, professor i biologi, Universitetet i Oslo
Hans E. Plesser, professor i informatikk, NMBU, Ås
Anders Malthe-Sørensen, professor i fysikk, Universitetet i Oslo
Ole A. Andreassen, professor i psykiatri, NORMENT, Universitetet i Oslo
Matematikk mot schizofreni
I 1829 lå vår største matematiker gjennom tidene, Niels Henrik Abel, for døden med tuberkulose på en gård i Froland, bare 26 år gammel. Han forbannet datidens leger for at de ikke hadde funnet en kur for sykdommen. Hvor vanskelig kunne det egentlig være? I dag dør vi ikke lenger av tuberkulose i vår del av verden.
Men kommer vi fra legen diagnostisert med demens eller en alvorlig psykiatrisk lidelse, er det begrenset hva legene kan gjøre for oss. Til tross for enorm innsats innen hjerneforskning over mange tiår vet vi fortsatt ikke hva disse hjernesykdommene skyldes eller hvordan de kan kureres.
Store farmasøytiske selskaper trekker seg nå ut av hjerneforskning etter flere kostbare skuffelser i jakten på nye medisiner. Kanskje vi må tenke annerledes om hvordan vi skal forske på hjernen og hjernesykdommer?
Hjernens kakofoni av elektriske signaler
Spør man en hjerneforsker om hvorfor det er så vanskelig å forstå hvordan hjernen fungerer, peker hun antagelig på hvor komplisert hjernen vår er. Alle mentale prosesser oppstår ved at spesialiserte nerveceller sender små elektriske signaler til hverandre. Hvert signal varer omtrent et tusendels sekund, og i løpet av et sekund sender en typisk nervecelle en håndfull slike signaler til noen tusen andre nerveceller.
Menneskets hjerne består av omtrent hundre milliarder nerveceller, altså hundre tusen millioner nerveceller, og i denne kakofonien av elektriske signaler i et enormt nervecellenettverk er det tenkningen vår oppstår.
Hver enkelt nervecelle representerer et komplisert univers i seg selv. Et skreddersydd sett av molekyler, grupper av atomer knyttet sammen av kjemiske bindinger, samvirker i et like intrikat nettverk av kjemiske reaksjoner for å holde cella i live og generere de små elektriske signalene som gjør en nervecelle til en nervecelle.
Hjernen opererer på mange ulike skalaer
I tillegg til hjernens kompleksitet, peker frustrerte hjerneforskere gjerne på de mange ulike skalaene som hjernen opererer på. Molekylene kan være så små som en nanometer, det vil si en milliondels millimeter. Nervecellene er mye større, fra noen hundredels millimeter opp til en millimeter eller to, mens hjernene våre måler noen titalls centimeter på tvers. Disse ulike romlige skalaene er tett knyttet sammen. En enkel endring i et DNA molekyl, molekylet som bærer arvestoffet vårt, kan for eksempel gi oss Huntingtons sykdom, en alvorlig hjernesykdom.
Å forstå systemer som opererer på mange skalaer samtidig, er vanskelig, men heldigvis har andre fagfelt vist vei. Det mest nærliggende eksempelet er noe vi alle, spesielt nordmenn, har et nært forhold til, værmeldingen.
Værmeldingen – en suksesshistorie
Som hjernen, bestemmes været av prosesser på mange ulike skalaer. Dette er popularisert gjennom det som kalles sommerfugleffekten, det at vingeslag fra en sommerfugl i Norge på sikt kan føre til at det oppstår en orkan i Stillehavet.
I dag er alle værmeldinger som du finner på nettet eller på smarttelefonen, regnet ut på datamaskiner. De matematiske modellene som brukes, er basert på fysiske lover som beskriver hvordan størrelser som trykk, temperatur, fuktighet og vind henger sammen, samt et stort nettverk av meteorologiske observasjoner gjort rundt hele verden. Disse modellene knytter sammen lokale værfenomener på skalaer mindre enn en kilometer med værmodeller for hele Jorden som måler ti tusen kilometer.
Modellene blir bedre og bedre til å forutsi været: Nøyaktigheten i dagens værmelding seks dager frem i tid er omtrent like høy som nøyaktigheten for værmeldingen fem dager frem i tid gjort for ti år siden. Nøkkelen til denne fantastiske suksesshistorien har vært matematikk og fysikk og datarevolusjonen som har gjort det mulig å simulere de store værmodellene raskt nok på datamaskiner.
Nye forskere samarbeider for å forstå hjernen
Den samme datarevolusjonen som gjør det mulig å simulere været på en datamaskin, gjør det nå også mulig å simulere store nettverk av nerveceller. Meteorologenes suksess med værmeldinger har forutsatt et tett samarbeid mellom forskere og værmeldere i mange land. Tilsvarende vil simulering av nettverk som i størrelse kan sammenlignes med den menneskelige hjerne forutsette tett internasjonalt samarbeid mellom forskere.
EUs Human Brain Project, hvor vi er med, ble derfor etablert som et flaggskipsprosjekt av EU i 2013 med forventet budsjett på 10 milliarder kroner over 10 år. Ett av hovedmålene for prosjektet er å lage matematiske modeller, simuleringsprogrammer og datamaskiner som kan brukes nettopp for å studere store nettverk av nerveceller. Modellene vil fungere som virtuelle, matematiske ”observatorier” for studier av ulike typer hjernenettverk.
God hjelp fra DNA-forskningen
Hvordan kan disse modellstudiene hjelpe oss til å forstå og kanskje kurere, for eksempel en psykiatrisk lidelse som schizofreni? Her kommer en annen vitenskapsrevolusjon oss til hjelp. I 2003 ble menneskets arvestoff kartlagt, dvs. et kart over DNA-molekylene, eller genene, som vi arver fra foreldrene våre og som inneholder oppskriften på hvordan mennesker lages.
Fra andre studier vet vi at arv spiller en viktig rolle for om du utvikler schizofreni eller ikke. Kanskje kunne man nå ved hjelp av nye teknikker for DNA-analyse finne et gen eller to som bestemte om du sto i fare for å utvikle sykdommen eller ikke?
Prøver fra titusenvis av pasienter
For å finne svaret på dette måtte en samle inn DNA-prøver fra titusenvis av schizofreni-pasienter og sammenligne med DNA fra en tilsvarende gruppe av friske kontrollpersoner. Igjen var et stort internasjonalt samarbeid nødvendig hvor Norge deltok via forskningssenteret NORMENT. NORMENT står for Norsk senter for forskning på mentale lidelser.
I 2014 var resultatet klart og gener knyttet til schizofreni identifisert. Men i stedet for ett eller en håndfull gener fant man at mange titalls gener, og trolig enda flere, er involvert. Og hver av de identifiserte genene hadde i seg selv lite å si for sjansen for å bli syk.
I dag har vi gode metoder for å studere variasjoner av enkeltgener i mus via metoder med fengende navn som CRISPR. Å studere effekten av variasjoner i mange titalls gener samtidig, er praktisk svært vanskelig, også i mus. Men i matematiske modeller ligger det ingen slike begrensninger, og de siste årene har fysikere, informatikere, biologer og medisinere ved Universitetet i Oslo og Norges miljø- og biovitenskapelige universitet på Ås (NMBU) i samarbeid studert mulig effekter av identifiserte schizofreni-relaterte genvarianter på oppførselen til nerveceller og nervecellenettverk.
Oppskriften på hjernens elektriske strømmer
Mange av de impliserte genene gir oppskriften på hvordan elektriske strømmer går ut og inn av nerveceller, og derved hvordan nervecellene mottar og videresender elektriske signaler. Totaleffekten av dette på oppførselen til nervecellenettverk er spesielt interessant siden disse kan måles av elektroder plassert på hodebunnen i såkalte EEG-målinger.
Små forskjeller i EEG-signaler mellom schizofreni-pasienter og kontrollgruppen av friske studeres i dag ved NORMENTs laboratorier på Oslo universitetssykehus. Sammenligning av resultater mellom forutsigelser fra nettverksmodellene og eksperimentelle målinger forteller oss forskere om vi er på rett vei.
Men det er en lang vei fra gener til EEG-signaler, så disse studiene på mennesker må komplementeres med studier på modelldyr som mus hvor hjernene kan studeres mye mer inngående. Her kan effekten av genetiske varianter studeres i detalj i nerveceller, slik at de matematiske modellene kan justeres til å være nærmere virkeligheten.
Tett samarbeid og ny organisering nødvendig
Vår nye tilnærming til psykiatri, som vi har kalt ”biofysisk psykiatri”, er også annerledes ved at den krever et tett og forpliktende samarbeid mellom forskere innen vidt forskjellige fagdisipliner som fysikk, biologi, informatikk og medisin.
Disse fagene har ikke bare forskjellige fagtradisjoner, men er også typisk organisert over mange forskjellige institutter og fakulteter på universiteter og andre forskningsorganisasjoner. Effektivt samarbeid mellom disse krever også organisatorisk nytenkning. Men det er det verdt hvis det kan bidra til å gi en bedre forståelse av schizofrenisykdom og kanskje også hvordan den kan behandles.