Hvordan fungerer hjernen? – Københavns Universitet

sund.ku.dk > Nyheder > 2017 > Hvordan fungerer hjern...

29. august 2017

Hvordan fungerer hjernen?

Ny hjerneteori

Hjerneforskere fra SUND tager første skridt mod til en samlet teori om hjernens funktioner. Idéerne er udviklet i samarbejde med internationalt ledende neurovidenskabelige eksperter og blev i starten af sommeren udgivet i det videnskabelige tidsskrift, NEURON.


”Hvordan fungerer hjernen?”. Det spørgsmål forsøgte verdens førende hjerneforskere at besvare til et symposium på Carlsberg Akademi i september 2016. Symposiet var det første af sin slags og formålet var at dele viden og tage de første spadestik til en samlet hjerneteori. Professor Per Ebbe Roland og adjunkt Henrik Lindén fra Det Sundhedsvidenskabelige Fakultet på Københavns Universitet stod bag initiativet og afholdelsen af arrangementet.

Efter symposiet valgte det anerkendte videnskabelige tidsskrift NEURON at samle 12 af forskernes artikelbidrag til konferencen i et helt nummer ”How does the brain work?”, der udkom den 7. juni 2017, og som nu danner nu ramme om det første officielle, teoretiske forsøg på at beskrive, hvordan hjernen fungerer.

Neurovidenskaben er stadig en ung videnskab, der hovedsageligt udvikler sig på grund af teknologiske fremskridt og ikke med afsæt i en samlet teori, som man kan afprøve eller videreudvikle.

”Vi mangler viden om hjernens grundlæggende principper, og hvis ikke videnskaben har en teori eller et sammenhængende begrebsapparat, så kan vi ikke ordentligt teste forskellige hypoteser, gennemføre eksperimenter og få en større og samlet forståelse af hjernen. Derfor er det meget spændende, at vi nu så småt kan begynde at formulere konturerne af verdens første hjerneteori”, siger professor Per Ebbe Roland.

Hjernens tre dynamiske tilstande
Hjernen er et avanceret organ, hvis funktioner styres af komplekse samarbejdsprocesser mellem neuronerne (hjernecellerne), men det er stadig uklart, hvordan samarbejdet reelt foregår. Neurovidenskaben er ifølge Per Ebbe Roland i hastig udvikling og har generelt tilegnet sig en gennemarbejdet forståelse af, hvordan de enkelte hjerneceller fungerer, men det er stadig meget vanskeligt at afdække, hvordan de samarbejder og reagerer i bestemte situationer.

Eksempelvis er det endnu ikke lykkedes at forudse eller beregne, hvornår en nervecelle vil sende aktionspotentiale (signalmekanisme, der består af en kortvarig, stærk elektrisk impuls i nervecellens membran) ud. Det er derfor heller ikke muligt at afdække, hvordan cellerne samarbejder om at skabe perception, danne tanker eller planlægge kompliceret adfærd.

Forskerne fik derfor til opgave at præsentere deres syn på, hvordan hjernen fungerer. På de områder, hvor videnskaben mangler svar på centrale spørgsmål, blev de bedt om at spekulere i en række principper, der kan forklare de fundamentale mekanismer, der styrer hjernens dynamik.

I første omgang fokuserede forskerne hovedsagligt på den basale hjernemekanik, hvilket vil sige de hurtige såkaldte synaptiske transmissioner - kontakten mellem nerveceller - og aktionspotentialers spredning i hjernen. Kort sagt: det hjernen kan udføre inden for et par sekunder – eksempelvis at huske noget, forme en tanke, opfatte omverdenen og planlægge en adfærd.

Forskernes mange redegørelser og diskussion blev under symposiet nedfældet i 12 artikler, som forskerne løbende fik mulighed for at forholde sig kritisk til og videreudvikle. Professor Per Ebbe Roland og adjunkt Henrik Lindén har efterfølgende analyseret indholdet og kan konkludere, at man som udgangspunkt kan antage, at hjernen har tre fundamentale stadier (grundtilstande).

En fundamental tilstand - hjernens grundpuls
Den fundamentelle tilstand fungerer som hjernens grundpuls, der sikrer, at hjernen ikke kan gå helt i stå. I denne tilstand kan man konstant måle hjernecellernes membranpotentiale i hjernebarken som langsomme oscillationer (svingninger red.).

”Den levende hjerne befinder sig typisk i denne tilstand, når man sover meget dybt og vanskeligt kan vækkes. Tilstanden kender vi eksempelvis også fra feberkoma-patienter eller folk, der har et epileptisk anfald. Det fascinerende ved dette stadie er, at hjernen holder sig aktiv ved fortsat at sende aktionspotentialer, selvom den ikke kan reagere på ændringer, der registreres af sanserne (ændringer i ydre forhold ikke er i stand til at kommunikere med hjernen)”, siger Per Ebbe Roland.

Nervecellernes interaktion i hjernen finder grundlæggende sted mellem fremmende og hæmmende neuroner. I dette stadie har skiftevis de fremmende og de hæmmende neuroner overtaget i en rolig og autonom skiftende balancetilstand. Resultatet er, at neuronernes membranpotentiale svinger mellem hyperpolarisering og depolarisering autonomt, og derfor kan hjernen vanskeligt blive påvirket af ydre påvirkninger, men fastholder konstant en fundamental grundpuls.

Ifølge Per Ebbe Roland kan man påvise denne dynamik også i et isoleret område af hjernens netværk af neuroner – altså når man tager et udsnit af hjernen og lægge den i et kar med fysiologisk hjernevæske – så kan man registrere, at bidden fortsat producerer de langsomme svingninger helt af sig selv.

Den kaotiske tilstand
Under lettere søvn, og i vågen tilstand, hvor hjernen ikke er rettet mod en bestemt aktivitet, bliver neuronernes aktivitet og samspil mere uregelmæssigt. De fremmende og hæmmende neuroner sender nu aktionspotentialer med relativt korte, men uforudsigelige tidsintervaller og membranpotentialerne får derfor konstant små uforudsigelige udsving.

Af denne grund kan man kalde tilstanden den kaotiske tilstand. Balancen mellem de fremmende og hæmmende neuroner er fint fordelt. De fremmende nerveceller får ikke lov til at være aktive i lang tid af gangen, men bliver straks dæmpet af de hæmmende nerveceller. Resultatet er små, men uforudsigelige spændingsændringer over cellemembranerne. Denne egenskab medfører at den kaotiske tilstand hurtigt kan bevæge sig over i den aktive tilstand gennem ydre påvirkninger eller gennem aktionspotentialer fra andre områder i hjernen. Denne tilstand fungerer dermed som en meget effektiv og vigtig hviletilstand.

Den aktive tilstand
Når hjernen bliver aktiv skyldes det, at mange fremmende nerveceller bliver aktive på samme tid i et bestemt område i hjernebarkens neuronnetværk. Det kan eksempelvis ske gennem påvirkning af lugte-, høre, eller berøringssansen – eller hvis kroppen skal udføre en bestemt opgave. Hvis påvirkningen af de fremmende neuroner er stærkere end hæmningen fra lokale aktive hæmmende neuroner, går netværket lokalt over i den aktive tilstand og nervecellernes aktivitet bliver mere forudsigelige. Når nervecellerne er i den aktive tilstand sætter de hjerne-netværket i stand til at skabe sanseoplevelser, tanker, drømme, og viljesmæssige bevægelser.

I den aktive tilstand spreder de fremmende nerveceller deres aktionspotentialer, hvorefter de hæmmende nerveceller overtager og genopretter balancen i membranerne. Når påvirkningerne ophører bevæger hjernen sig tilbage til den kaotiske tilstand. Når man er vågen og aktiv foregår denne vekselvirkning stort set hele tiden.

På vej mod en universel hjerneteori
Ifølge forskerne er fordelen ved at at have en teori om hjernens tre grund tilstande, at de nu kan måle, hvor og hvordan hjernen skifter mellem de forskellige stadier i bestemte situationer. Hensigten er at udbygge begrebsapparaturet med alle aspekter af hjernens udvikling med fokus på eksempelvis plasticitet og langtidshukommelse.

Håbet er, at neurovidenskaben inden for en årrække kan kombinere den nye viden om hjernemekanikken med hjernens udviklingsteori og etablere en universel hjerneteori og en standardmodel for neurovidenskaben.

Læs "How Does the Brain Work?"-udgaven af NEURON 

Kontakt
Professor Per Ebbe Roland
Center for Neuroscience
Telefon 21 16 22 31

Andreas Westergaard
Senior kommunikationsrådgiver, Det Sundhedsvidenskabelige Fakultet, Københavns Universitet
Telefon 53 59 32 80