Stockholm Brain Institute. Matematik förklarar hjärnan

Hjärnan med omkring hundra miljarder hjärnceller anses vara det mest komplexa objektet i vårt kända universum. Anders Lansner använder sina kunskaper om datorer och programmering för att förstå hur hjärnan fungerar, bland annat hur rörelser och minnen skapas.- Vi bygger matematiska modeller av nervceller och nätverk av nervceller. Sedan studerar vi modellerna med hjälp av superdatorer. Det är samma teknik som används när forskare modellerar väder och bilkrockar, säger Anders Lansner, professor i datalogi.

Anders Lansner leder forskargruppen CBN, Computational Biology and Neurocomputing, som har medlemmar både från Stockholms universitet och KTH. Gruppen utnyttjar matematik och datorsimuleringar för att förstå biologiska system, främst nervsystemet. Området, som också kallas beräkningsbiologi, är inte nytt, men har fått ett rejält uppsving de senaste åren.
- Under 25 års tid har vi fört en undanskymd tillvaro. Det är en enorm skillnad nu, bland annat i intresse från anslagsgivare, säger Anders Lansner, som började sin forskarbana i början av 1980-talet.
Länge sågs denna forskning som något som hörde framtiden till, fortsätter han. Nu har insikten kommit att det är omöjligt att ta hand om all information om hjärnan utan att utnyttja IT och databaser och simuleringar.

Nytt forskningsfält växte fram
Berättelsen om Anders Lansners karriär är också en berättelse om forskningsfältets framväxt. Efter att ha studerat biokemi på KTH under 1970-talet jobbade han sedan i flera år med kemiska hälsorisker. Hans stora intresse för datorer, datorprogrammering och hjärnan förde honom dock tillbaka till KTH.

Forskningen växte sakta. Länge bestod gruppen av Anders och en kollega, Örjan Ekeberg. På 1990-talet var arbetet delvis inriktat på att utveckla så kallade neurala nätverk – att med kunskap om hjärnan bygga datorer med artificiell intelligens. 2002 tillträdde han en professur vid Stockholms universitet i datalogi med inriktning mot tillämpningar inom naturvetenskapen, och 2005 fick man ett större anslag som gjorde det möjligt att anställa två etablerade forskare, flera doktorander och köpa ny utrustning.

- Det var en vändpunkt. Då fick vi tillsammans med några andra forskargrupper medel för att starta Stockholm Brain Institute. Men hade inte vårt eget grundarbete gjorts, hade vi inte haft något att bygga vidare på, säger Anders Lansner, som poängterar hur viktigt det är att även forskning som ännu inte nått uppmärksammade resultat får ekonomiska medel att fortsätta.

Unikt samarbete om hjärnforskning
Stockholm Brain Institute, SBI, som alltså tog fart 2005 invigdes formellt hösten 2007. SBI är ett unikt samarbete mellan Karolinska institutet, KTH och Stockholms universitet, som samlar tio internationellt framstående forskargrupper. Tillsammans ska forskarna studera hjärnan ur ett tvärvetenskapligt perspektiv, bland annat inom genetik, neurovetenskap och psykologi.

Hos SBI finns också den superdator som Anders Lansner och hans forskargrupp använder. Med sina tvåtusen parallella processorer kommer den ändå inte i närheten av hjärnans förmåga att hantera information.
En mänsklig hjärna består av hundra miljarder nervceller. Nervtrådarna, som binder samman cellerna i ett oerhört intrikat kopplingsschema, är 600 gånger tätare än dagens bästa datorchip. Om alla nervtrådar läggs i en lång rad skulle de nå omkring tio miljoner kilometer – 20 gånger avståndet mellan jorden och månen. Det gäller alltså att fokusera insatserna på vissa av hjärnans funktioner och delar.
Tillsammans med Karolinska institutet studerar Anders Lansner och hans forskargrupp hur rörelser genereras i nervsystemet, särskilt i ryggmärgen.

Studier av minne och tänkande
I andra projekt studerar man tänkande, minne och perception, bland annat med utgångspunkt i teorier om så kallade cell assemblies, cellgrupper. Teorin, som först formulerades av den kanadensiske neuropsykologen Hebb 1949, säger att byggstenarna i våra tankeprocesser är cellgrupper som bildas när samtidigt aktiva nervceller kopplar ihop sig. Dessutom deltar gruppen i ett EU-projekt, Facets, vars syfte är att utveckla och förfina de metoder som används för att studera hjärnbarken.
- Datorsimulering är idag ett viktigt hjälpmedel för att komma vidare i vår förståelse av vad som sker i hjärnbarken, det yttre skiktet av hjärnan som är involverad i många komplexa funktioner, säger Anders Lansner.

Det praktiska arbetet sker i nära dialog med forskare som studerar hjärnan utifrån praktiska experiment, bland annat i djurförsök. Anders Lansner och hans kollegor bygger matematiska modeller och genom datorsimuleringar prövas sedan hur väl modellerna stämmer med de praktiska resultaten. Med sådana gemensamma insatser kan forskarna komma framåt snabbare.
- Våra modeller börjar bli användbara för att göra experimentella förutsägelser. Då kan man göra mer fokuserade experiment och undvika mindre informativa experiment, säger Anders Lansner.

Simulering av minnesprocesser
Tillsammans med professor Lars-Göran Nilsson vid Psykologiska institutionen hoppas Anders Lansner kunna starta ett nytt projekt som ska simulera dynamiska minnesprocesser i hjärnan.
- De har en unik databas där de har följt personer under tiotals år, och bland annat gjort minnestester. Vi ska försöka göra modeller av åldersförändringar i hjärnan utifrån dessa resultat.
Miljön vid Stockholm Brain Institute, och de forskare som samverkar, beskriver Anders Lansner som unik i Europa. Han ser med tillförsikt på vad det gemensamma arbetet kan åstadkomma.
- Att starta upp SBI tar tid, de olika universiteten har delvis olika kulturer. Men jag tror på en explosiv utveckling de närmaste åren, när metoder och kontakter mellan forskare blir allt mer etablerade, säger Anders Lansner.

Text: Henrik Lundström

Kvantitativ biomodellering från molekyler till populationer

Forskningen fokuserar på matematiska, statistiska och beräkningstekniska modeller för biologiska system. Det spänner över ett brett spektrum av frågeställningar, inklusive simulering av kvantkemiska fenomen, modellering av proteinstrukturer, populationsdynamik avseende såväl djur som människa, dynamiska system för aktivitet i den mänskliga hjärnan samt sannolikhetsmodeller för kartläggning av sjukdomsgener.

Den vetenskapliga produktionen för flertalet av forskargrupperna är på internationell toppnivå. De fokuserar på relevanta och aktuella biologiska problem och har tillgång till unika experimentella och populationsbaserade data. Dessutom ligger forskningen i framkanten när det gäller att utveckla och utnyttja kvantitativa modelleringsverktyg.

http://www.su.se/forskning/ledandeforskning/naturvetenskap/biologisk-modellering/artiklar/matematik-forklarar-hjarnan-1.10356



En kommentar till “Stockholm Brain Institute. Matematik förklarar hjärnan”

[...] Matematik förklarar hjärnan [...]

Kommentera:

Namn *:
E-post *:
Webbplats:
Kommentar *:
*