Universitetet i Stavanger, 12.11.09



Like dokumenter
Fysikkforeningen, Univ i Oslo,

Kan vi regne ut hvordan vi tenker?

Bio- og nevroteknologi i 2040

Fysikk 50 år frem i tid

Landskonferansen om fysikkundervisning, Gol, Hva er fysikk? Fysikk som fag og forskningsfelt i det 21. århundre. Gaute T.

Biologi, kjemi, fysikk samme sak, ulik tilnærming?

Matematisk modellering av biologiske prosesser Hjerne- og sanseforskning ved UMB Samarbeid med UiO

Institutt for matematiske realfag og teknologi

Viktige funksjoner. Formidle impulser fra sanseorgan og danne sanseopplevelser

Informatikk ved Universitetet for miljøog

Avhengighet *l rusmidler

Kronikken i ComputerWorld, 19. nov. 2010:

Funksjonell MR. Ole A. Andreassen

22. Mai Eksamen i NEVR2010. Du vil få to ulike typer oppgaver. KORTSVARSSPØRSMÅL og SANT eller USANT.

Kapittel 5. Trær og nettverk. 5.1 Trær og Fibonacci-følgen

NorStore - StoreBioInfo

P2 akademiet: Matematisk hjerneforskning: Kan vi regne ut hvordan vi tenker?

Avhengighet til rusmidler - syk eller slem - etiske utfordringer

Transport av ioner og næringsstoffer over cellemembraner. Læringsmål IA: Beskrive ulike mekanismer for transport over membraner

Informasjon om studieprogrammet Beregningsorientert informatikk

Grunnleggende om nervesystemet

Nasjonal tungregning for alle fag og institusjoner. Jacko Koster UNINETT Sigma

22. Mai Eksamen i NEVR2030. Du vil få to ulike typer oppgaver. KORTSVARSSPØRSMÅL og SANT eller USANT.

Doktorgradsstatistikk. Tabeller og figurer. Terje Bruen Olsen. April 2013

Eksamensoppgave i PSY1013/PSYPRO4113 Biologisk psykologi I

Liv og bevissthet og andre store spørsmål i biologi

Hele eksamen består av 68 oppgaver (100 poeng) på 6 sider (inkludert forside).

Anbefalt løp etter basisblokka for spesialisering i anvendt matematikk: MAT-3941 Master s thesis in applied physics and mathematics

DET LEVENDE UNIVERSITET. Oppdatert november 2012

Valg av programfag på studiespesialisering!

TIMSS og Astronomi. Trude Nilsen

Eksamensoppgave i PSY1013/PSYPRO4113 Biologisk psykologi I

Design? Hvordan kan vi skjelne mellom design og tilfeldighet?

Trygve Helgaker. 31 januar 2018

Repetisjonsoppgaver i anatomi/fysiologi Nervesystemet

Nova 9 elevboka og kompetansemål

Transport av ioner og næringsstoffer over cellemembranen

Last ned Bevissthet i kosmos - Ervin Laszlo. Last ned. Last ned e-bok ny norsk Bevissthet i kosmos Gratis boken Pdf, ibook, Kindle, Txt, Doc, Mobi

BINGO - Kapittel 3. Navn på del av hjernen som er med på å styre bevegelse og balanse (lillehjernen) Nervecellen; utløper som mottar info (dendritt)

Bø vidaregåande skule -Vi tar deg til toppen!!

Eksempelplaner for. Ettårig grunnstudium 2009/2010

EKSAMEN I EMNE SIF4070 CELLEBIOLOGI Mandag 7. mai 2001 Tid: kl Ingen trykte eller håndskrevne hjelpemidler tillatt.

Eksamensoppgave i PSY2013/PSYPRO4313 Biologisk psykologi II

Psychodynamic treatment of addiction. Psykodynamisk rusbehandling

Kapittel 2. Tall på standardform

Eksempelplaner for. Ettårig grunnstudium 2010/2011

Sakkyndig vurdering av. Strategy Group for Medical Image Science and Visualization. Torfinn Taxt, Universitetet i Bergen, Norge, mars 2008

Forsøkslæreplan i valgfag programmering

Den grunnleggende ferdigheten å regne i naturfag

Quiz fra kapittel 2. The global energy balance. Høsten 2015 GEF Klimasystemet

Praktisk arbeid gir læring

Litt grunnleggende cellebiologi Vevene Blodet

Integrere beregninger på datamaskin gjennom hele bachelor-studiet? UiO er ledende

Dette ønsker vi å formidle:

Viktige opplysninger: Oppgavesettet utgjør totalt 100 vekttall. Antall vekttall er vist i parentes ved hver spørsmålsgruppe.

Disposisjon. Noen fakta om hjernen KROSS 2014 Kompetanse om Rehabilitering Om Syn og Slag. KFAmthor VVHF 1

Velkommen til informasjon om fagvalg for 1ST Læreplaner finner du på

Læringsplan for BIS14. Emne 2:

Hvordan kan vi optimalisere hjernens funksjon?

Studenttingsvalget 2015

Leksehjelp. FAU Gautesete skole 8. mai 2014

Master i realfag med teknologi - integrert lærerutdanningsprogram

Ren energi fra jordens indre - fra varme kilder til konstruerte geotermiske system. Inga Berre Matematisk Institutt Universitetet i Bergen

Programbeskrivelse for revidert versjon av bachelorprogrammet Matematikk, informatikk

Kristin J. Harila, seminaroppgave om hjernens strukturer.


Repetisjonsoppgaver samling 1 Cellen

Informasjon om valg av programfag for 1ST for skoleåret

Eksempelplaner for. Ettårig grunnstudium 2013

Mellom der vet vi liksom ikke helt : Hva ser vi i dataene fra wiki-prosjektet :

Fra laboratorium til pasient - stamcelleforskningens muligheter, utfordringer og perspektiver

PROGRAMFAG I PROGRAMOMRÅDE FOR REALFAG

Kompetanse for kvalitet Varig videreutdanning i kjemi for lærere 30 studiepoeng

Kan muskelproblemer hjelpe til med å forklare bevegelser hos pasienter med Huntingtons sykdom? En stor bevegelse

Naturfag barnetrinn 1-2

Eksempelplaner for. Ettårig grunnstudium 2011

Nervesystemet hvordan påvirkes en hjerne under utvikling?

Gir vi IKT-kandidatene egnet kompetanse for fremtiden? Morten Dæhlen Dekan

Beregningsperspektiv i ingeniørutdanningen? Knut Mørken Institutt for informatikk Senter for matematikk for anvendelser Universitetet i Oslo

PROGRAMFAG I PROGRAMOMRÅDE FOR REALFAG

Eksamensoppgave i PSY1013/PSYPRO4113 Biologisk psykologi I

Innhold. Mangfold i naturen Celler Arv Jorda Økologi Naturvern Hvordan utnytter urfolk naturen?

Doktorgradsstatistikk. Tabeller og figurer. Bo Sarpebakken. Mars 2017

Hvilke medisinske behov har vi løst om 10 år?

berøringer med verden samspillet mellom naturfag og kunstfag

Terje Simonsen, Finnmarksklinikken

Eksperimentell partikkelfysikk. Kontakt :

Eksamensoppgave i PSY1013/PSYPRO4113 Biologisk psykologi I

Master i realfag med teknologi - integrert lærerutdanningsprogram (IMN)

Biofysikk og Medisinsk fysikk - BMF

Foreldremøte Stavanger katedralskole, Bjergsted

Realfag. Invitasjon. Gyldendals realfagsdager april 2015 Gyldendalhuset, Oslo

Kristina Halkidis s Refleksjonsnotat 3. Refleksjonsnotat 3. vitenskapsteori

Norway Pumps & Pipes Fagseminar 1. oktober 2015

Smerte. Arne Tjølsen

Prosjekt 2 - Introduksjon til Vitenskapelige Beregninger

Universitetshistoriske samlinger ved NTNU

Bachelor i Plantevitenskap (B-PV)

Grunnleggende ferdigheter

Transkript:

Universitetet i Stavanger, 12.11.09 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

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

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

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

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

0.25 mm 1 mm

Hjernens byggesteiner Mental aktivitet it t skyldes nettverk av nerveceller ~ 10 11 nerveceller (nevroner) ~ 10 14 nevronkoblinger (synapser) hjernebark (mennesker): tykkelse ~ 2-4 mm areal ~ 2000 cm 2 Mindre, men kvalitativ lik, hjernebark i andre pattedyr

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

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

Bok nr. 24 i Universitetsforlagets hva er -serie Naturens kode, Gyldendal Akademisk, 2005 12

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

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.)

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

Hi Hvis en spesifiserer alle parametre for alle strømbidrag i alle segmenter [stort problem!], er den mate- matiske løsningen i prinsipp grei Skreddersydde matematiske simulatorer er tilgjengelig li (gratis!): Eks: - NEURON [http://neuron.duke.edu/] edu/] - GENESIS [http://www.genesis-sim.org/genesis/]

Pyramidal- celle i visuell hjernebark hos katt Fra hjemmeside til Alain Destexhe [http://cns.iaf.cnrs-gif.fr/alain_movies.html]

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

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

Hjernens kamera

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

Skjematisk illustrasjon av nettverk MASSIV TILBAKEKOBLING! netthinne LGN hjernebark

Hans E. Plesser & Asimo

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

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

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

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

Generalisering til kompartmental nevronmodell 29

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

Beregning av elektriske potensialer 31

32

Elektriske signaler 33

Deep brain stimulation 34

Fra Boston Post, sept.1848

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(!)

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!

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)

Matematisk nevroviten- skap på UMB høst 2009 http://compneuro.umb.no/ 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

SLUTT