Du grønne, glitrende tre

Kronikk i Fredrikstad Blad 27.12.2016

Ved Det medisinske fakultet, Universitetet i Oslo, går noen spesielle mus rundt med innopererte vinduer i hodeskallen. Gjennom disse vinduene kan man se musenes tanker som grønne lys fra hjernecellenes trelignende strukturer. Strukturene heter dendritter, som er det greske ordet for trær, og i mikroskopet utstråler de et vakkert, grønt lys hver gang de slipper kalsium inn i seg. Assosiasjonen til julesangen er klar, selv om det neppe var dette Krohn hadde i tankene da han skrev teksten ”Du grønne, glitrende tre, god dag!”

Det finnes en annen lysbasert teknikk for å studere hjerneceller, som kanskje er enda mer spennende; vi kan nå styre dyrs adferd ved å bruke lys. For eksempel vil mus gå direkte til en drikketank og drikke vann dersom vi skinner lys på en viss gruppe manipulerte hjerneceller. Når disse cellene aktiveres blir musen tørst. Selv om de har drukket mye og ikke har noe fysiologisk behov for å drikke, går de sporenstreks bort for å drikke når lyset blir ført inn i hjernen via en optisk kabel. Slike eksperimenter har gitt oss større innsikt i hvordan hjernen fungerer og hva slags oppgaver de forskjellige hjernecellene og områdene av hjernen innehar. Og: hvis musene alltid går bort for å drikke når disse cellene stimuleres, hva da med den frie viljen? Hva med andre grupper hjerneceller som styrer andre behov? Og hva med hjernecellene som demper disse behovene?

Det har skjedd mye i hjerneforskningen de siste 10 til 20 år. "Project mindscope", det store målet om å kartlegge ikke bare hjernen, men også bevisstheten, har fått  stadig flere ressurser, både økonomisk og teknologisk. Det har blitt utviklet verktøy slik at vi kan se mange aspekter ved hjernecellenes signaler som vi før ikke kunne se, og vi kan som sagt også ta kontroll over disse signalene. Vi vet at vår adferd er slave av våre hjernecellers aktivitet, og vi kan styre visse deler av dyrs adferd ved å bruke teknikken som heter optogenetikk.

Tankene våre består av små elektriske strømmer som blir sendt mellom hjerneceller. For å forstå tankestrømmene må vi ha mulighet til å måle den elektriske aktiviteten og helst også manipulere den. Dette har tradisjonelt blitt gjort med knøttsmå elektroder som stikkes helt inntil de aktuelle hjernecellene. Blant annet førte eksperimenter med slike elektroder til at det ble gjort en stor oppdagelse ved Universitetet i Oslo: I Per Andersens lab avdekket Terje Lømo det som på engelsk heter long term potentiation. Sammen med Tim Bliss kartla han hvordan kontaktene mellom celler styrket seg ved gjentatt bruk. Dette er prosessen bak lagring av minner. Styrkede kontakter mellom hjerneceller er hukommelse!

Videoen er tatt opp av Rune Enger og viser aktivitet i cellene som grønt lys. Jo mer grønt, jo mer calcium blir tatt inn i en celletype som heter astrocytter ("stjerneceller"). I rødt ser man kapillærer, som typisk har en diameter på 6 tusendels millimeter.

Men selv om man kan gjøre viktige oppdagelser med små elektroder har hjerneforskere ikke hatt mulighet til å måle eller manipulere aktiviteten til mange hjerneceller samtidig, for det er en grense for hvor mange måleelektroder man kan få inn i en hjerne. Og de måleteknikkene som brukes for å måle hjerneaktivitet fra utenfor hodet, for eksempel EEG og fMRI, kan bare måle samlet aktivitet fra store områder av hjernen, de har langt fra god nok oppløsning til å måle aktivitet fra enkelte hjerneceller. Med andre ord trengte forskerne nye teknikker og teknologier for å manipulere og måle hjerneaktivitet på cellenivå.

De siste årene har det kommet to slike teknikker. Teknikkene høres ut som science fiction, men de fungerer og blir brukt hver eneste dag i laboratorier over hele kloden. Med den ene teknikken, fluorescensmikroskopi, får man hjerneceller til å lyse som små lyspærer under mikroskopet når de er aktive. Med den andre teknikken, optogenetikken, kan man bruke lys for å styre hjernecellene. Begge teknikkene tar i bruk genteknologi for å få hjernecellene til å produsere proteiner som enten kan fungere som små lyspærer, de blir fluoriserende for eksempel når cellen sender et signal, eller de kan bli lyssensorer som selv kan aktivere hjernecellene. Med disse to teknikkene er vi forskere nå bedre utstyrt enn noensinne for å kunne avdekke flere av hjernens mysterier.

Et juletre er vakkert, men synet som møter deg når du ser hjernens grønne, glitrende trær lyse opp under mikroskopet er minst like vakkert. For når hjernens fluoriserende nordlys sveiper gjennom trærne gir det ikke bare en fornemmelse av hvor fantastisk naturen er, det gir også håp om at vi en dag skal kunne forstå disse signalene, deres underliggende byggesteiner og hva som forårsaker feil ved sykdom. Det gir håp om at vi en dag skal kunne kurere eller forebygge epilepsi, Alzheimer, Parkinson, multippel sklerose og psykisk sykdom.

For hva er "jeget"? Hva er sjel? Hva er bevissthet? Derom strides de lærde. I filmatiseringen av Virginia Woolfs To the lighthouse har Professor Ramsay det noe provoserende utsagnet: "The mind, Sir, is meat." Kanskje har han rett? Det er i alle fall denne halvannen kilograms tunge materieklumpen vi må forstå for å kunne kurere de ovennevnte sykdommer. Her ligger også hemmeligheten om hvordan vi tar beslutninger og hva bevissthet er. Her ligger hemmeligheten om oss selv.

Du grønne, glitrende tre, god dag!
Velkommen, du som vi ser så gjerne.

-

Les også Salme til et gammelt sinn, om hjerneforskning og Alzheimer.

Tillegg

(1) I videoen under ser man musen som blir beskrevet i teksten løpe mot drikketanken (stangen til venstre) så snart drikkecellene blir aktivert med lys. Eksperimentene er er beskrevet i artikkelen av Yuki Oka, Mingyu Ye og Charles S. Zuker, Thirst driving and suppressing signals encoded by distinct neural populations in the brain, i Nature (2014).

Mus som blir "fjernstyrt" til å drikke ved hjelp av lys.

(2) Ved bruk av optogenetikk har forskere nå (januar 2017) funnet hjerneceller i amygdala som trigger jaktinstinktet hos mus. Les mer om dette i artikkelen Scientists switch on predatory kill instinct in mice. Originalartikkelen i Cell finner du her.

Da telekabelen ble lagt over Atlanterhavet

Lord Kelvin. (Foto: wikipedia)

Kronikk i Fredrikstad Blad 15.09.2014; "Forskeren forteller" på forskning.no.

Før 1858 måtte man bruke skip for å kommunisere mellom Europa og Amerika, og det tok omtrent 10 dager å få overbrakt en beskjed mellom kontinentene.

Samme år ble den gamle og nye verden for første gang knyttet sammen med en telekabel lagt langs Atlanterhavets havbunn. En av pionerene som fikk realisert den transatlantiske telekabelen var Lord Kelvin.

Ikke bare satt han i styret i Atlantic Telegraph Company, firmaet som la denne over 3000 kilometer lange kabelen, han utviklet også mye av utstyret som ble brukt og de matematiske ligningene som beskrev strøm og spenning i en slik kabel.

I dag brukes Kelvins ligninger for å forstå en enda mer fundamental form for kommunikasjon: Hjernecellers aktivitet.

Lordens bakgrunn

Han ble født som William Thomson i Belfast i 1824, og han er kanskje aller mest kjent for sine teorier innenfor termodynamikk, som i 1892 gjorde at han fikk tittelen Baron of Largs in the County of Ayr.

Siden det allerede fantes en Lord Thomson så måtte William Thomson bytte navn da han ble adlet. Historien skal ha det til at han var så stolt av sitt arbeide med den transatlantiske telekabelen og ligningene som beskrev dens fysikk at han sterkt vurderte å kalle seg Lord Cable.

Dessverre ble ikke det noe av, og han har i stedet blitt kjent som Lord Kelvin, et navn han tok etter elven Kelvin som rant forbi laboratoriet hans i Glasgow.

I ettertid assosieres navnet hans med temperaturskalaen han fikk oppkalt etter seg, og få er klar over hans arbeid for å tilrettelegge for kommunikasjon på tvers av kontinentene.

Thomson og Whitehouse

Historien om den transatlantiske telekabelen var ikke utelukkende en suksesshistorie. Allerede før man forsøkte å legge første kabel var det disputter mellom William Thomson og Wildman Whitehouse, sjefsingeniøren i Atlantic Telegraph Company.

Thomson hadde brukt sin bakgrunn innen fysikk blant annet til å regne ut at det ville ta tid å sende signaler over en så lang kabel: ”If a cable 200 miles long showed a retardation of one-tenth of a second, one of similar thickness that was 2000 miles long would have a retardation 100 times as great, or ten seconds.”

Whitehouse, som var utdannet lege og var selvlært innenfor ingeniørfaget, stolte ikke på Thomsons utregninger. Whitehouse ble såpass indignert av Thomsons utregninger at han uttalte at kabelen i så fall ville være både praktisk og kommersielt umulig å gjennomføre.

Men heldigvis viste Thomsons utregninger også at det var en løsning på problemet. Hvis man senket motstanden i kabelen ved å bruke det reneste kopperet, ville signalet likevel gå relativt raskt over Atlanteren, slik at det var mulig å sende bokstaver med en frekvens på én bokstav per 3,5 sekunder.

Whitehouse, som var vitenskapelig leder for prosjektet, valgte å overse Thomsons innvendinger, men på bakgrunn av sine beregninger ble Thomson likevel valgt inn som styremedlem i Atlantic Telegraph Company i desember 1856.

Utfordringer og ingeniørkunst

Første forsøk på å strekke kabelen over Atlanterhavet endte da kabelen knakk etter 610 kilometer. Thomson fulgte igjen opp med sin brilliante matematiske tilnærmingsmetode og regnet ut kreftene som rev og slet i kabelen under en slik legging, han regnet ut hvilken bane kabelen ville følge under vann og vinkelen den ville treffe havbunnen med ved en gitt utleggingshastighet.

Han utviklet også en mottaker som var følsom nok til å motta de svake signalene han hadde beregnet at kabelen ville gi, en mottaker som kunne erstatte Whitehouse apparatur.

Kartet viser hvor kabelen fra 1858 ble lagt. (Foto: Wikipedia)

Whitehouse fortsatte å overse Thomsons innvendinger, men styret lyttet til Thomson og i neste forsøk, i 1858, la de kabelen slik Thompson foreslo og med den kopperrenhet som Thomson anbefalte.

Etter mange strabaser lå endelig den første kabelen ferdig over Atlanteren 5. august 1858.

Transatlantisk kommunikasjon

Kabelen knyttet nå de to kontinentene sammen og den første beskjeden ble sendt mellom den gamle og den nye verden, hvorpå Dronning Victoria og president James Buchanan sendte hver sin melding og gratulerte hverandre med dette nye vidunderet.

President Buchanans skrev: ”May the Atlantic telegraph … prove to be … an instrument destined by Divine Providence to diffuse religion, civilization, liberty, and law throughout the world.”

Gleden var imidlertid kortvarig. På vestsiden av kabelen satt Thomson og på østsiden satt Whitehouse. Whitehouse insisterte på å bruke sin sender og mottaker og han insisterte på at signalet skulle sendes med en styrke på 2000 volt, noe som resulterte i at kabelen ble svidd av.

Allerede i september var det umulig å sende signaler gjennom kabelen. Pressen slaktet prosjektet, konspirasjonsteorier om at kabelen aldri hadde eksistert florerte, og selv fremtredende forskere gjorde narr av Thomson og Whitehouse.

James Clerk Maxwell, en annen av historiens største fysikere, diktet til og med en sangtekst om dette feilslåtte prosjektet. I ”The Song of the Atlantic Telegraph Company”, skriver han blant annet: ”No little signals are coming to me; Under the sea; Under the sea;” Men sangen ender optimistisk: “For we'll twine, twine, twine; And spin a new cable, and try it again; And settle our bargains of cotton and grain; With a line, line, line,— A line that will never go wrong.”

Om Thomson ble inspirert av sangen vites ei. Whitehouse fikk sparken og med Thomson ved roret ble de to kontinentene igjen knyttet sammen i 1866, og vi har vært sammenknyttet siden. Thomson og andre ledere for prosjektet ble slått til riddere 10. november 1866.

Hjernecellers kommunikasjon

Lord Kelvin var en tusenkunstner. Ikke bare var han en fantastisk fysiker og matematiker, han var også en praktisk anlagt ingeniør som stadig oppfant apparatur for å løse praktiske problemer.

For de fleste vil han bli husket som Lord Kelvin, og assosiert med temperatur og termodynamikk. For meg vil han for alltid være Lord Cable, mannen som gjorde transatlantisk telekommunikasjon mulig og som også, helt utilsiktet, la grunnlaget for å kunne forstå hvordan hjernens mikroskopiske kabler fungerer.

Hadde han levd nå ville han garantert brukt sine ligninger til å studere dette universets mest spennende og komplekse organ, sjelens bosted: hjernen.

"Hjernekabler." Den hvite streken er 0.1 mm lang. (Foto: Wikipedia) 

-----------
Kronikken ble skrevet i forbindelse med Forskningsdagene (17.-28. september 2014), som hadde kommunikasjon som tema. Det var arrangementer over hele landet. Vi i Letten Centre/GliaLab ved Det medisinske fakultet ved UiO hadde utstilling på Universitetsplassen i Oslo 19.-20. september (bod nr. 31).