Matematiske modeller optimerer hjerneforskning
Et samarbejde mellem en neuroforsker og en matematiker åbner mulighed for at udføre eksperimenter på modeller af hjernen, som ville være umulige at gennemføre i virkeligheden.

Rune Berg og Susanne Ditlevsen samt Jørn Hounsgaard (siddende) ved siden af motoneuron-netværks-forsøgsopstillingen. (Foto: SUND)

Rune Berg og Susanne Ditlevsen samt Jørn Hounsgaard (siddende) ved siden af motoneuron-netværks-forsøgsopstillingen. (Foto: SUND)

Hver gang du tager et skridt, har en gruppe rygmarvsceller kommunikeret og dannet et netværk.

Men hvordan kommunikerer hjernecellerne i rygmarven med elektriske signaler og producerer motorprogrammer, som får dig til at flytte benene, så du kan gå? Og hvordan koordinerer centralnervesystemet hele indsatsen?

Det ved videnskaben ikke. Endnu.

Hallas-Møller-stipendiat Rune Berg fra Institut for Neurovidenskab og Farmakologi på Københavns Universitet har dog sat sig for at finde et svar.

Han undersøger rygmarvens styring af bevægelser, og i den anledning har han allieret sig med en matematiker, nemlig forskningsleder Susanne Ditlevsen fra Institut for Matematiske Fag på Københavns Universitet, i et forsøg på at opstille og analysere statistiske modeller for rygmarvscellernes opførsel. Det er et samarbejde, som allerede har bragt undersøgelser af centrale hypoteser om hjernefunktion inden for rækkevidde, og som har givet forskerne muligheder for at udføre eksperimenter på modeller af hjernen, som ville være umulige at gennemføre i virkeligheden.

Neuroforskerne har allerede studeret enkelte hjerneceller under mikroskop og fundet ud af, hvordan de hver for sig fungerer og reagerer på elektriske impulser. Men som med så mange andre ting, er helheden mere end summen af enkeltdelene. Man kan jo ikke gætte, hvordan en hel symfoni lyder ved blot at lytte til et enkelt instrument, ligesom studier af et enkelt sandkorns bevægelser i vinden ikke vil afsløre, hvordan en hel klit bevæger sig i blæsevejr.

Matematiske modeller kan forklare celle-netværkets opførelse

Rune Berg arbejder derfor med en sindrig forsøgsopstilling, der gør det muligt for ham at studere op til 100 motoneuroners elektriske reaktioner både samlet og hver for sig. Men skal forsøgsresultaterne hjælpe os til at forstå, hvordan nervecellerne danner netværksaktivitet, kræver det, at man kan opstille forudsigelser om netværkets opførsel.

Og det har vist sig langt vanskeligere end forudset.

Det er her, matematikken og Susanne Ditlevsen kommer ind i billedet. Vekselvirkningen mellem motoneuronerne i netværket og omgivelserne kræver usædvanligt komplicerede ligninger og statistiske beregninger. For med avancerede matematiske modeller bygget på såkaldt stokastiske processer kan forskerne udtale sig om sandsynligheden for en given celles opførsel, når fx netværket deltager i en bevægelse.

»Det er vigtigt at vide, hvilken type statistik cellerne følger. Så kan vi med tiden lave bedre modeller af celler og analysere modellerne,« forklarer Rune Berg.

Det er samme princip, som fysikerne bruger, når de ud fra viden om en gas' tilstand (fx tryk) vil forstå, hvordan de enkelte partikler i gassen opfører sig. Det er partiklernes hastigheder, der bestemmer gassens temperatur, men det er helt umuligt at forudsige, hvilken hastighed en given gaspartikel har. Fysikerne kan til gengæld bruge statistiske metoder og den såkaldte Boltzmann-fordeling til at udtale sig om sandsynligheder og sandsynlighedsfordelinger for forskellige hastigheder.

»Vi forsøger så at sige at finde nervecellernes Boltzmann-fordeling,« forklarer Rune Berg.

Matematiske analyser kan give nye fysiologiske fortolkninger

Samarbejdet har allerede ført til én artikel i PLoS ONE. Her testede Rune Berg, kollegaen Jørn Hounsgaard og Susanne Ditlevsen som de første i verden rent eksperimentelt en central neuro-hypotese, der blev fremsat i 1975 af den amerikanske forsker John N. Barret. Han foreslog, at hvilende rygmarvsceller reagerer langsomt, men så snart de modtager stimulans, falder deres reaktionstid dramatisk.

Det er dog først nu, at hypotesen er blevet afprøvet.

Disse modeller er så vigtige, for det er den eneste måde, hvorpå vi kan få en forståelse af, hvordan store netværk fungerer.

Rune Berg

Succesen med samarbejdet har givet Susanne Ditlevsen, som netop har modtaget 5,76 mio. kr. fra Det Frie Forskningsråd, appetit på at udvikle en mere avanceret matematisk model, som skal afsløre de mekanismer, der styrer neuronernes reaktionsevne under netværksaktivitet.

»Teoretisk modellering af fysiologiske processer er og skal være tværfagligt. Og det er det, der gør det så spændende! Sammen kan Rune og jeg lave noget, vi ikke kunne lave hver for sig, og vi supplerer hinanden med hver vores viden. For at være interessante skal teoretiske modeller jo være fysiologisk relevante, så de kan bruges, og den matematiske analyse kan hjælpe til nye fysiologiske fortolkninger og forklaringsmodeller,« siger Susanne Ditlevsen.

Rune Berg er overbevist om, at andre forskere vil kunne få gavn af samarbejdet, når de skal modellere og analysere netværksmodeller.

»Disse modeller er så vigtige, for det er den eneste måde, hvorpå vi kan få en forståelse af, hvordan store netværk fungerer, og hvad der fx går galt under epilepsi og ved Parkinsons,« siger han.

Samtidig gælder de to forskeres modeller ikke kun for rygmarvsceller.

»Vi håber at finde generelle principper for neuronnetværk. Vi mener, det ville være højst usandsynligt, at cellenetværk i forskellige dele af centralnervesystemet benytter sig af fundamentalt forskellige principper - specielt når de alle sammen har stort set samme cellulære egenskaber,« siger Rune Berg.

Uafprøvet hjerneforskning i cyberspace

Hjernefunktion er uudforsket territorium, bl.a. fordi det i sagens natur er svært at studere og arbejde på en levende hjerne i aktion. Vi har i dag store scannere, som kan tage billeder af hjernens oxygen- og næringsforbrug og aflæse aktivitet, men der er stadig lang vej til, at vi forstår, hvordan hjernen fungerer.

Netop derfor vil avancerede matematiske modeller bygget på store mængder bio-data måske give forskerne et værktøj til at eksperimentere med dele af hjernen, som det er uetisk, farligt eller umuligt at udføre i praksis. For hvis modellerne er i overensstemmelse med fysiologiske fakta, kan forskerne udføre deres forsøg i cyberspace.

»Om det bliver muligt ved vi ikke endnu,« erkender Rune Berg og fortsætter:

»Vi skal analysere de opsamlede forsøgsresultater og sammen beskrive dem med en matematisk model. Det ville være fantastisk, hvis denne model kunne forudsige noget, som jeg så kunne teste eksperimentelt i laboratoriet. Det er ikke kun lige efter den videnskabelige arbejdsmetode, det ville også hjælpe os trænge dybere ind i hjernens mysterier.«

Lavet i samarbejde med Det Sundhedsvidenskabelige Fakultet, Københavns Universitet.

Hej! Vi vil gerne fortælle dig lidt om os selv

Nu hvor du er nået helt herned på vores hjemmeside, er det vist på tide, at vi introducerer os.

Vi hedder Videnskab.dk, kom til verden i 2008 og er siden vokset til at blive Danmarks største videnskabsmedie med 1 million brugere om måneden.

Vores uafhængige redaktion leverer dagligt gratis forskningsnyheder og andet prisvindende indhold, der med solidt afsæt i videnskabens verden forsøger at give dig aha-oplevelser og væbne dig mod misinformation.

Vores journalister fortæller historier om både kultur, astronomi, sundhed, klima, filosofi og al anden god videnskab indimellem - i form af artikler, podcasts, YouTube-videoer og indhold på sociale medier.

Vi stiller meget høje krav til, hvordan vi finder og laver vores historier. Vi har lavet et manifest med gode råd til at finde troværdig information, og vi modtog i 2021 en fornem pris for vores guide til god, kritisk videnskabsjournalistik.

Vores redaktion gør en dyd ud af at få uafhængige forskere til at bedømme betydningen af nye studier, og alle interviewede forskere citat- og faktatjekker vores artikler før publicering.

Hvis du går rundt og undrer dig over stort eller småt, vil vi elske at høre fra dig og forsøge at give dig svar med forskernes hjælp. Send bare dit spørgsmål til vores brevkasse Spørg Videnskaben.

Vi håber, at du vil følge med i forskningens forunderlige opdagelser her på Videnskab.dk.

Få et af vores gratis nyhedsbreve sendt til din indbakke. Du kan også følge os på sociale medier: Facebook, Twitter, Instagram, YouTube eller LinkedIn.

Med venlig hilsen

Videnskab.dk

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.

Danske corona-tal

Videnskab.dk går i dybden med den seneste corona-forskning. Læs vores artikler i temaet her.

Hver dag opdaterer vi også de seneste tal.

Dyk ned i grafer om udviklingen i antal smittede, indlagte og døde i Danmark og alle andre lande.

Ny video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's videojournalister med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.


Ugens videnskabsbillede

Se flere forskningsfotos på Instagram, og læs om astronautens foto af polarlys, som du kan se herunder.