Universitetet i Stavanger,

Størrelse: px

Begynne med side:

Download "Universitetet i Stavanger, 12.11.09"

Christer Engen
7 år siden
Visninger:

1 Universitetet i Stavanger, Fysikk i hjernen: Kan vi regne ut hvordan vi tenker? Gaute T. Einevoll Institutt for matematiske realfag og teknologi & Center for Integrative Genetics (CIGENE) Universitetet for miljø- og biovitenskap, Ås Gaute.Einevoll@umb.no 1

Einevoll Institutt for matematiske realfag og teknologi & Center

3 Avbildning av hjerneaktivitet på systemnivå Hjernestruktur: MRI vev Hjerneaktivitet: i fmri blod PET mat MEG/ EEG elektrisitet 3

4 KOMPLEKS. Bok: Critical problems in physics INNHOLDSFORTEGNELSE 1. Introduction 2. Non-equilibrium physics 3. Dynamics, computation and neurobiology 4. Emergence and evolution of patterns SAMMENFILT. 5. High-temperature superconductors 6. The on-going revolution in medical imaging 7. Cosmological challenges for the 21st century MAKRO 8. Gravitation and experiment 9. Gravitational waves 10. Neutrino oscillations MIKRO 11. The Tevatron 12. High energy colliders 13. Vistas in theoretical physics 14. The future of particle physics as a natural science

The on-going revolution in medical imaging 7. Cosmological challenges for the 21st century MAKRO 8. Gravitation and experiment 9.

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

6 Kombinert bruk av MEG og MRI Respons når en ser ukjente ord ANDERS DALE 6 Analyse og animasjon av Anders Dale

8 0.25 mm 1 mm

9 Hjernens byggesteiner Mental aktivitet it t 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

nevronkoblinger (synapser) hjernebark (mennesker): tykkelse ~

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

11 Naturvitenskap per år 2000 ATOM MATEMATIS SKE NATUR RLOVER kompleksitet liv [10 26 m] makrokosmos mikro- kosmos [10-18 m] Naturfagene biologi, fysikk, geologi, kjemi, medisin har smeltet sammen

12 Bok nr. 24 i Universitetsforlagets hva er -serie Naturens kode, Gyldendal Akademisk,

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

Aksjonspotensialer propagerer uten dempning til synapse (nerveterminal) SYNAPSE: Diffusjon av

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

lover] Strategi: Del nevronet i sylindriske segmenter

15 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

TIL NABOSEGMENTER PASSIVE MEMBRAN- STRØMMER INJISERT ELEKTRODE-

16 Hi 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 li (gratis!): Eks: - NEURON [ edu/] - GENESIS [

], er den mate- matiske løsningen i prinsipp grei Skreddersydde matematiske

17 Pyramidal- celle i visuell hjernebark hos katt Fra hjemmeside til Alain Destexhe [

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

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

20 Hjernens kamera

21 Matematisk modellering gp på UMB av første del av synsbanen vårt fokus høyere områder i hjernebarken netthinne LGN V1 visuelt input

23 Skjematisk illustrasjon av nettverk MASSIV TILBAKEKOBLING! netthinne LGN hjernebark

24 Hans E. Plesser & Asimo

25 Eksempel: Simulering av biologisk signalbehandling i det tidlige synssystem ved bruk av NEST SYNSSTIMULUS retina LGN hjernebark 25

26 Superdatamaskiner Nettverksberegninger krever stor regnekraft, evitenskap I Norge: Spleiselag (NOTUR) Titan - Ol Oslo Stallo - Tromsø Njord - Trondheim Hexagon -Bergen 26

27 EEG frisk baby på 7 måneder dame (71 år) med Creutzfeldt- Jacobs sykdom 27

28 Fysisk opphav til elektriske potensialer Kilder til ekstracellulært potensial: Transmembrane strømmer REFERANSE- ELEKTRODE LANGT UNNA (Φ=0) Φ(t) EKSTRACELLULÆR MÅLE- ELEKTRODE strømsluk: I 1 (t) r 1 r 2 BIT AV HJERNEN strømkilde: I 2 (t) FRA ELEKTROSTATIKK: σ: elektrisk ledningsevne 28

29 Generalisering til kompartmental nevronmodell 29

30 Kompartmental modellering av potensialer Eksempel dendritisk segment: V i-1 V i V i+1 Kirchhoff s strømlov: transmembran strøm STRØMMER TIL NABOSEGMENTER AKTIVE MEMBRAN- STRØMMER PASSIVE MEMBRAN- STRØMMER SYNAPTISKE S STRØMMER 30

31 Beregning av elektriske potensialer 31

32 32

33 Elektriske signaler 33

34 Deep brain stimulation 34

35 Fra Boston Post, sept.1848

36 Phineas P. Gage Arbeidsleder ved jernbaneanlegg 1848: Jernstang ggjennom hodet i ulykke Før: Til å stole på, effektiv, balansert Etter: Ikke til å stole på, utålmodig, profan(!)

37 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!

38 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)

39 Matematisk nevroviten- skap på UMB høst POSTDOKTORER/FORSKERE PROFESSORER/ FØRSTEAMANUENSER (I TILLEGG TIL MEG) T Tetzlaff K Pettersen GHalnes I Østby L Øyehaug PHD-STUDENTER PROGR. Hans E. Plesser John Wyller E Norheim PJurkus E Nordlie H Lindén H Enger Ulf Indahl Stig Omholt A Oleynik E Hagen M Youssaf 39

40 SLUTT

Like dokumenter

Fysikkforeningen, Univ i Oslo, 14.04.10

Fysikkforeningen, Univ i Oslo, 14.04.10 Fysikk i hjernen: Kan vi regne ut hvordan vi tenker? Gaute T. Einevoll Institutt for matematiske realfag og teknologi Universitetet for miljø- og biovitenskap, Ås