Beräkningsbiologi är ett område där matematiska metoder, i första hand datorsimulering, används för att försöka lösa komplexa biologiska problem. I nära samarbete med biologer och neurofysiologer försöker Anders Lansner och hans forskargrupp försöka lösa mysteriet med människans minne.
Matematik och datormodeller har länge använts inom fysik och kemi, men har nu även börjat användas inom biologisk forskning. Det här är en ny vetenskaplig trend vilken de åtta forskargrupperna på avdelningen för beräkningsbiologi (CB, computational biology) i allra högsta grad är en del av.
Professor Anders Lansner leder forskargruppen Computational Neuroscience and Neurocomputing på CB:
“Det pågår helt klart ett paradigmskifte inom biologin där den kvantitativa aspekten blir mer och mer framträdande. I framtiden kommer datalogi-beräkningsvetenskap och tillämpad matematik vara oerhört viktiga delar av den biologiska forskningen. Vi ser bara början,” säger han.
Forskargruppens huvudsakliga uppgift är att simulera minne och perception hos däggdjurshjärnan. En grundförutsättning för att simuleringarna ska gå att göra är tillgång till kraftfulla datorer, och den nya superdatorn på PDC var därför mycket efterlängtad. Med en så kraftfull superdator går det att simulera hundratals miljoner neuroner och många miljarder synapser, vilket börjar närma sig hjärnbarkens storlek hos ett litet däggdjur.
“Vi arbetar med storskaliga simuleringar och har länge tyckt att datorerna varit för svaga. Nuförtiden känns det inte så längre, vilket är väldigt trevligt eftersom det gör att våra idéer kan bli till verklighet i mycket större utsträckning,” säger Anders Lansner.
Anders började studera perception och minne när han kom till KTH under 80-talet och blev efter några år djupt involverad i modellering av lokomotoriska system tillsammans med neuroforskare på Karolinska Institutet, vilket han ägnade 20 år åt.
“Ja, och vi har under de senaste fem-sex åren återvänt till det här [perception och minne] forskningsområdet. Numera har vi en mycket mer detaljerad modell och mer biologisk data, och kan t ex återskapa oscillationerna i centrala nervsystemet i olika stadier,” säger Anders Lansner.
Forskningen i hans grupp fokuserar på dynamik på nätverksnivå för att försöka förstå vilka egenskaper hos neuroner och synapser som verkligen spelar roll för specifika kognitiva funktioner såsom det makroskopiska fenomenet minne, såsom återkallande av ett minne. Gruppen samarbetar bland annat med neurofysiologer på Karolinska Institutets avdelning för neurovetenskap och minnespsykologer på Stockholms universitet samt är en del av Stockholm Brain Institute (SBI) där Anders Lansner ansvarar för beräknings- och modelleringsplattformen.
Ett mål med forskningen är att förstå vilka neurala mekanismer som är associerade med vissa sjukdomar. Framtida praktiska tillämpningar av forskningsfynd är en bättre förståelse för hjärnsjukdomar såsom Alzheimers och schizofreni som en grund för att utveckla effektivare behandlingar och läkemedel. Men med ökad kunskap om hur hjärnan fungerar kan forskarna även beröra frågor som vanligtvis associeras med filosofi; vem är jag, vad är medvetande och hur fungerar tankeprocesserna?
“Exakt, och detta är frågor vi börjar komma närmare att kunna besvara. Vi kan se ifall en försöksperson upptäcker delvis gömd stimulus eftersom det då uppstår speciella typer av oscillationer i hjärnan. Och de här oscillationerna kan vi modellera, och därigenom se exakt vad som orsakade dem.”
Arbetet utförs inom ett flertal Europeiska samarbetsprojekt, såsom FACETS och BrainScaleS, och finansieras även av SSF, VR och Vinnova via SBI. De Europeiska projekten omfattar allt från neurobiologer som är specialister på hjärnbarken till designers av hjärnliknande hårdvara och i mitten har vi dataloger och fysiker som modellerar hjärnan. “Tanken är att integrera alla dessa kompetenser för att bygga en simulator i hårdvara med väldigt hög kapacitet för att replikera biologiska neurala system,” berättar Anders Lansner.
Han tillägger: “EU-pengarna har på senare tid varit väldigt viktiga för forskning om hjärnfunktioner såsom minne och perception. Dessutom är den här forskningen sammanlänkad med utvecklingen av framtidens datorberäkningar och hårdvara. Till exempel siktar det nyligen beviljade Europeiska ”månlandningsprojektet” Human Brain Project, finansierat av Future Emerging Technologies inom EU, på att inom tio år kunna simulera en modell av den mänskliga hjärnan fullt ut på näst-nästa generations superdatorer. I detta nya gigantiska forskningsprojekt är även internationella datorföretag som IBM och Cray involverade.”
Kommentera: