Dette er en skriftlig versjon av et foredrag doktorgradsstipendiat Marte Julie Sætra holder for blant annet skoleelever. Du kan se opptak av foredraget nederst i saken.

Jeg er fysiker, men for noen år siden visste jeg ikke hva fysikk var for noe. På videregående skole skulle jeg velge valgfag, og et av alternativene var fysikk. Jeg ble fortalt at det er å regne på krefter, og ærlig talt syntes jeg det hørtes ganske kjedelig ut.

Likevel har jeg endt opp med å bli nettopp fysiker. Jeg oppdaget at det å regne på krefter er både gøy og nyttig. Blant annet kan man forske på hjernen. Jeg tar en doktorgrad i noe som kalles for hjernefysikk, men hva har egentlig krefter med hjernen vår å gjøre?

Hjernen gjør oss til den vi er

Sånn ser arbeidsplassen til en hjernefysiker ut. Plakaten på veggen har fulgt Marte Julie Sætra siden hun var utvekslingsstudent i USA. Foto: Wenche Willoch/UiO Bruk bildet

Jeg vil gjerne fortelle litt om hjernen først. Hjernen er universets mest komplekse organ - i hvert fall så vidt vi vet. Og det er jo et morsomt paradoks at dette er det hjernen selv som påstår. Hjernen gjør oss til den vi er, og hadde hjernetransplantasjon vært mulig, hadde vi ikke fått ny hjerne, vi hadde faktisk fått en ny kropp.

Hjernen består av 100 milliarder hjerneceller. Mellom disse hjernecellene finnes det tusen billioner, eller tusen millioner millioner, punkter der det går signaler fra én hjernecelle til en annen. Disse kommunikasjonspunktene kaller vi synapser.

Det største problemet

Én av grunnene til at jeg forsker på hjernen, er at jeg synes det er utrolig spennende hvordan 100 milliarder hjerneceller og 1000 billioner synapser former oss når vi er friske. En kanskje enda større grunn er at det er veldig viktig å forstå hvordan 100 milliarder hjerneceller og 1000 billioner synapser former oss når vi er syke.

Dessverre er det slik at hjernesykdommer fører til flere sykehusinnleggelser i USA enn noen annen sykdom. Det betyr at flere blir lagt inn på sykehus på grunn av hjernesykdom enn på grunn av kreft eller hjerteproblemer. I Norge vil 1 av 3 få en hjernerelatert lidelse i løpet av livet, som for eksempel epilepsi, demens, en mental lidelse eller hjerneslag.

Skal vi klare å behandle alle disse hjernesykdommene, trenger vi mer kunnskap. Jeg vil gjerne bidra, men hva kan en fysiker, som jobber med krefter, gjøre for hjerneforskningen?

Kreftene rundt oss og i oss

Når man snakker om krefter i fysikken, snakker man om de fire naturkreftene. Vi har gravitasjonskraften, som gjør at eplet faller mot bakken. Vi har den elektromagnetiske kraften, som gjør at partikler med ladning enten tiltrekkes av eller frastøter hverandre. Og så har vi den sterke og den svake kjernekraften, som virker inni atomkjernene. Som fysiker prøver man stort sett å finne ut hvordan fenomener i naturen kan forstås eller forutsies ut fra disse kjente kreftene. Språket man bruker, er matematikk.

Strengt tatt er det mulig som fysiker å klare seg en stund uten matematikk. Det er mulig å beskrive verden rundt oss med ord. Jeg kan for eksempel si at om jeg slipper en stein mot bakken, og ser bort fra luftmotstanden, vil alle steiner bruke like lang tid på å nå bakken fra den samme høyden. Da har jeg en kvalitativ beskrivelse av steiner som faller.

Ulike tilnærminger gjør at man kan forklare steiner som faller mot bakken på ulike måter. Foto: Colourbox

Hvis jeg på den annen side velger å beskrive steiner som faller med matematikk, kan jeg for det første gjøre påstanden min mer kompakt og presis, for det andre får jeg mulighet til å gi en kvantitativ beskrivelse av hva som skjer. Jeg kan faktisk regne ut hvor lang tid en stein vil bruke på å falle mot bakken fra en viss høyde.

For å regne på steiner som faller, bruker man loven for gravitasjonskraften. Fysikere som studerer hvordan kometer går i baner på himmelen, bruker også denne loven. De som studerer lynnedslag eller utvikler nye mikrobølgeovner, bruker lovene som gjelder for elektriske fenomener. Denne måten å beskrive verden på, kan også brukes på hjernen.

Hjernespråket

En fysiker som forsker på hjernen, bruker matematikk til å forklare eller forutsi hvordan hjernen vår fungerer. Dette er ikke så nytt som man kanskje skulle tro. Den første matematiske beskrivelsen av hvordan hjernecellene kommuniserer med hverandre, kom allerede på 40-tallet. To personer ved navn Hodgkin og Huxley fikk Nobelprisen for denne beskrivelsen i 1963.

Før Hodgkin og Huxley kom på banen, hadde man stukket elektroder inn i hjerneceller fra dyr. I dag hender det man gjør det på pasienter som skal gjennomgå en hjerneoperasjon, ellers brukes forsøksdyr som fisk, rotter og mus. I hjernecellene målte man en spenning, akkurat samme type spenning som vi har i stikkontakten i husene våre. Den eneste forskjellen var at spenningen i hjernen var mye lavere enn den i veggen.

Man så at denne spenningen var omtrent på en tidels volt og at den ofte lå stabilt, men innimellom skjøt den i været før den raskt kom ned igjen. Dette fenomenet kaller man et aksjonspotensial, og det er på en måte språket til hjernecellene. En hjernecelle kan sende signaler til en annen hjernecelle ved å fyre av slike aksjonspotensialer. Det som bestemmer budskapet i et slikt signal, er hvor ofte aksjonspotensialene blir fyrt av etter hverandre.

Batteriene i hjernen

Hjerneceller kan sammenlignes med batterier. For et batteri gjelder lovene fra elektromagnetismen. I batteriet er det litt mer negativ ladning i den ene enden enn i den andre, og denne ladningsforskjellen skaper en spenning.

For at ikke den elektromagnetiske kraften skal trekke de negative ladningene mot de positive, er det lagt inn en vegg som skiller dem. Når vi holder ladningene adskilt, og på denne måten opprettholder en spenning i batteriet, har vi lagret energi. Denne energien er ikke nyttig før vi kobler batteriet til en krets med en lyspære eller en leke eller noe sånt. Da kan ladningene bevege seg, og det skapes elektrisk energi. Slik får vi lys i pæra eller en leke som fungerer.

LES OGSÅ: Forsker på epilepsi: Undersøker elektriske stormer i hjernen

En elektrisk hjerne

I kroppen vår finnes det masse partikler med ladning - eller ioner, som det også blir kalt. Like mange positive og negative ioner sørger for at kroppen er elektrisk nøytral. Noen steder er det likevel samlet mer av den ene typen ladning enn av den andre. I hjerneceller er det litt mer negativ ladning på innsiden enn det er på utsiden. Ladningene holdes adskilt av en cellemembran, akkurat som i batteriet. Og akkurat som batteriet venter på å bli koblet til en krets, venter cella på en mulighet til å flytte på ionene sine. Det får den gjøre hvis den blir stimulert.

En hjernecelle kan stimuleres på flere måter. Ganske vanlig er det at kjemiske stoffer påvirker cellen. Når dette skjer, vil små kanaler åpne seg i membranen. Da får ionene bevege seg, og det skjer en endring i spenningen. Noen ganger er denne endringen stor nok til å få satt i gang et aksjonspotensial. Det er, som jeg fortalte, selve språket til hjernecellene. Et aksjonspotensial i én hjernecelle kan stimulere til et aksjonspotensial i en annen hjernecelle, som igjen stimulerer den neste osv.

Kan vi regne ut hva vi tenker?

Veldig forenklet kan vi se på hjernecellene som mange små, elektriske kretser. Disse vet man godt hvordan man skal regne på. En fysiker regner på hjerneceller med de samme fysiske lovene som gjelder for de elektriske kretsene i mobiltelefonen din. 

Når vi vet hvordan vi kan regne på én hjernecelle, kan vi prøve å sette dem sammen i nettverk. Da kan vi se om vi får noe som likner på tenkning. Skal vi regne på de matematiske uttrykkene for dette, klarer vi ikke å finne løsninga ved hjelp av penn og papir. Vi er nødt til å bruke datamaskiner for å gjøre beregninger. Ved hjelp av databeregninger løser vi alle matematiske ligninger som kan beskrive hjernen.

DigiBrain

Beregningene jeg skal gjøre i min doktorgrad, skal jeg gjøre i et prosjekt som heter DigiBrain. DigiBrain er støttet av Norsk Forskningsråd. Her jobber forskere fra ulike realfag, som biologi, medisin og fysikk. Sammen studerer vi relasjonen mellom gener og mentale lidelser.

Det er nylig gjort noen store genkartleggingsstudier som viser at mange hjernesykdommer, for eksempel schizofreni, har sammenheng med visse genvarianter. Da mener jeg ikke at dersom du har ett spesielt gen, så blir du schizofren, men at visse genvarianter finnes mye oftere hos pasienter med schizofreni sammenliknet med normalbefolkningen. Akkurat hvilke av disse genvariantene som er viktige og hvor mye de faktisk kan forklare av sykdommen, vet man veldig lite om.

Vi i DigiBrain tror at om du skal forstå en mental lidelse godt nok til å finne gode behandlinger, er du nødt til å forstå mekanismene som ligger bak. De må forstås helt ned på gennivå. Vi er nødt til å finne ut hvordan genvarientene påvirker hjernecellene og hvordan dette virker inn på hele nettverk av hjerneceller.

Når det er så mange gener involvert, blir det nesten umulig å sette i gang med biologiske eksperimenter for å kartlegge genenes betydning. Problemet er for komplekst til at man kan vite hvor man burde starte. Det er da fysikeren kommer inn i bildet. Ved hjelp av beregninger kan han eller hun teste ting på datamaskinen som det er veldig ressurskrevende å gjøre på en lab.

Etter prøving og feiling er sannsynligheten stor for at man finner noe av interesse. Fysikeren kan komme med en hypotese om hvilke gener som har betydning for hva. Siden kan det gjøres avanserte, målrettede eksperimenter på laben for å finne ut om denne hypotesen stemmer også i virkeligheten.

Med denne fremgangsmåten vil vi forhåpentlig gjøre viktige fremskritt i forskningen på mentale lidelser som schizofreni - en forskning som lenge har vært preget av lite fremgang.

LES OGSÅ: Har fått 40 millioner til forskning mot mentale lidelser - dette er DigiBrain

Vårt felles mål

Alt i alt vil bedre kunnskap om hjernen føre til bedre behandling av hjernesykdommer.

Skal vi få til store fremskritt, har vi tro på at forskere fra ulike disipliner jobber sammen. For selv om vi benytter forskjellige metoder, vil vi alltid ha et felles mål, nemlig å forstå verden rundt oss - og inni oss.

Kontakt:

Marte Julie Sætra, doktorgradsstipendiat

Mer om hjernen på Titan.uio.no:

• Ny medisin for behandling av hjernesykdommer: Vil operere inn "dopaminfabrikk" i hjernen
• Vi har lært datamaskiner å lære: Målet er å lære dem å tenke
• Vil videreutvikle EEG: Modellerer hjernen som en elektrokjemisk maskin

Og her kan du lese om konferansen Jenter og teknologi

Her kan du se foredraget: