Kan vi regne ut hvordan vi tenker?

Transkript

1 Jægtvolden, Kan vi regne ut hvordan vi tenker? Gaute T. Einevoll Institutt for matematiske realfag og teknologi Universitetet for miljø- og biovitenskap, Ås 1

2 HARALD 2

3

4 Avbildning av hjerneaktivitet på systemnivå Hjernestruktur: MRI vev Hjerneaktivitet: fmri blod PET mat MEG/ EEG elektrisitet 4

5 Avbildning av menneskehet fra verdensrommet Avbildning av elektrisk aktivitet Avbildning av hemodynamisk/metabolsk aktivitet (antall mennesker) 5

6 Overflateekspansjon 6 Anders Dale, Harvard MGH

7 Kombinert bruk av MEG og MRI Respons når en ser ukjente ord ANDERS DALE 7 Analyse og animasjon av Anders Dale

8 Statistisk kart over hjernebarktykkelse hos schizofrene vs. friske tynnere tykkere 8 Gina Kuperberg & Anders Dale, Harvard MGH

9 0.25 mm 1 mm 9

10 Hjernens byggesteiner Mental aktivitet skyldes nettverk av nerveceller ~ nerveceller (nevroner) ~ nevronkoblinger (synapser) hjernebark (mennesker): tykkelse ~ 2-4 mm areal ~ 2000 cm 2 Mindre, men kvalitativ lik, hjernebark i andre pattedyr 10

11 Elektrodemålinger: Aksjonspotensialer elektrodemåling inne i nevronet elektrodemåling rett utenfor nevronet Alle aksjonspotensialer ser like ut Informasjonen ligger lagret i avgangstidene 11

12 Signalbehandling i nerveceller DENDRITTER: Innkommende signal spres elektrisk til cellekropp (soma) CELLEKROPP (SOMA): Fyrer et aksjonspotensial hvis membranspenning passerer en terskel AKSON: Aksjonspotensialer beveger seg uten dempning til synapse (nerveterminal) SYNAPSE: Diffusjon av signalmolekyler (over synaptisk kløft) endrer membranpotensial på mottakernevronet MATEMATISKE BESKRIVELSER FINNES FOR ALLE DELPROSESSER 12

13 Modulbasert modellering av nerveceller Basert på beskrivelse av ekvivalent elektrisk krets [Kirchhoffs lover] Strategi: Del nevronet i sylindriske segmenter (spesifisert av lengde, diameter, ionekanaltyper, ionekanaltettheter, etc.) 13

14 Fokuserer på dendrittisk segment [uten forgrening]: V i-1 V i V i+1 Kirchhoffs strømlov ( strømmer summer til null ): STRØMMER TIL NABOSEGMENTER PASSIVE MEMBRAN- STRØMMER INJISERT ELEKTRODE- STRØM AKTIVE MEMBRAN- STRØMMER (K +, Na +, ) SYNAPTISKE STRØMMER 14

15 Hvis en spesifiserer alle parametre for alle strømbidrag i alle segmenter [stort problem!], er den matematiske løsningen i prinsipp grei Skreddersydde matematiske simulatorer er tilgjengelig (gratis!): Eks: - NEURON [ - GENESIS [ 15

16 Pyramidalcelle i visuell hjernebark hos katt Fra hjemmeside til Alain Destexhe 16 [

17 Mekanistisk modell av K + ionekanal inkorporert i cellemembran (Berneche & Roux, Nature, 2001) 17

18 Første del av synsbanen netthinne visuell thalamus (LGN) visuell hjernebark V1 18

19 19

20 Hjernens kamera 20

21 Skjematisk illustrasjon av nettverk MASSIV TILBAKEKOBLING! netthinne LGN hjernebark 21

22 Hans E. Plesser & Asimo 22

23 Eksempel: Simulering av biologisk signalbehandling i det tidlige synssystem ved bruk av NEST SYNSSTIMULUS retina LGN hjernebark 23

24 Superdatamaskiner Nettverksberegninger krever stor regnekraft, evitenskap I Norge: Spleiselag (NOTUR) Titan - Oslo Stallo - Tromsø Njord - Trondheim Hexagon - Bergen 24

25 EEG frisk baby på 7 måneder dame (71 år) med Creutzfeldt- Jacobs sykdom 25

26 Matematisk utregning av elektriske signaler 26

27 27

28 Elektriske signaler 28

29 Deep brain stimulation 29

30 Ultimatumspillet og fmri To personer får 1000 NOK på deling Men: En av dem bestemmer hvordan pengene skal deles; ingen får noe, hvis mottager avslår Observasjon: Den andre nekter ofte å motta penger hvis mindre enn ~200 NOK tilbys Forskjell mellom fmri-signaler for urimelige og rimelige delingsforslag Følelsesdelene av hjernen involvert!

31 Bevissthet Hvordan kan bevissthet oppstå i en samling atomer? Kan den subjektive oppfattelsen av bevissthet studeres vitenskapelig? Kan datamaskiner noen gang bli bevisste? [Hvis ja, hvordan vil vi kunne finne det ut?] Mankind is a catalyzing enzyme for the transition from a carbon-based to a silicon-based intelligence (G.Bricogne) 31

32 Beregningsorientert biologi på UMB Stor forskningsaktivitet - ca. 25 forskere Hovedfokus: Hjerne, hjerte, genotyp -> fenotyp, aldring, Flere aktuelle studieløp (MTech, MSc, Bach.) for interesserte studenter 32

33 SLUTT 33