Förstår hjärnan med matematisk modellering

Går det att se vad som händer i hjärnan? Ja, på sätt och vis, med hjälp av avbildningstekniker. Men processerna i hjärnan är på många sätt ett mysterium. Forskare tar modellering till hjälp för att förstå dem bättre.

Maria Engström vid en magnetkamera.Maria Engström vid magnetkameran på CMIV. Foto Kajsa JuslinNär du memorerar ett telefonnummer, läser, eller svarar på en fråga aktiveras olika delar av din hjärna. I det område som aktiveras ökar blodflödet. Den här hjärnaktiviteten kan undersökas med en magnetkamera, eller närmare bestämt funktionell magnetresonanstomografi, fMRI (eng. functional magnetic resonance imaging). Man har länge vetat att signalen som mäts beror på syresättningen i blodet, men exakt vad signalen står för är fortfarande oklart.Maria Engström vid en magnetkamera.Maria Engström. Foto Kajsa Juslin

– Hur hänger syresättningen i blodet ihop med vad som händer i nervcellerna? Signalen varierar ju över tid, så vi tänker att den återspeglar en dynamisk biologisk process, säger Maria Engström, professor i medicinsk bildvetenskap vid Institutionen för hälsa, medicin och vård.

Hon är teoretisk fysiker i botten och mycket intresserad av processer. Under sin forskarutbildning gjorde hon kvantmekaniska modelleringar av molekyler. Kunskapen om hur modeller kan hjälpa oss att förstå och förutsäga förlopp har hon tagit med sig in i den medicinska världen.

När hon kom i kontakt med hjärnavbildning väcktes nyfikenheten direkt: går det att göra matematiska modeller av de biologiska processerna i hjärnan? Andra forskare sa att det var omöjligt. Så hon väntade, men hade hela tiden tanken att hon skulle vilja gå ett steg vidare för att förstå vad det är man egentligen mäter vid fMRI.

I samarbete med andra forskare, bland annat Gunnar Cedersunds forskargrupp inom systembiologi, arbetar Maria Engströms forskargrupp i dag med matematisk modellering av hjärnans funktion. De utgår från teorier som andra forskare har kring vad som sker. I nästa steg bygger de modeller, som består av en rad ekvationer som beskriver varje steg i en sådan teori, från aktivering av en nervcell till hur blodflödet förändras.

– Det fiffiga med modellering är att vi kan avgöra om det går att få till det på det viset som teorin säger. Om modellen inte kan beskriva verkliga data på ett realistiskt sätt kan vi konstatera att den testade teorin är orimlig.

Många frågor kvar att besvara

I nuläget studerar forskarna hur hjärnan fungerar när den är frisk. Modellerna kan användas för att göra simuleringar och förutsäga olika förlopp. Maria Engström hoppas att den kunskapen på lite längre sikt ska kunna användas till att förstå mekanismer vid olika sjukdomar.Maria Engström visar en bild av hjärnan på en dator.Maria Engström är särskilt intresserad av kopplingen mellan det som går att mäta, som elektrisk aktivitet i nerver och hormonnivåer, och våra subjektiva upplevelser. Foto Kajsa Juslin

– Längre fram hoppas vi kunna använda modellerna till att förstå vad är det som händer när hjärnan inte fungerar som den ska. Vi vill förstå vilka faktorer vi behöver påverka för att behandla sjukdomen och med våra modeller kunna simulera olika behandlingsalternativ.

När det gäller hjärnan finns det mängder av frågor kvar att söka svar på. Hon är särskilt intresserad av kopplingen mellan det som går att mäta, som elektrisk aktivitet i nerver och hormonnivåer, och våra subjektiva upplevelser.

– Vi kan förstå hjärnan till viss del på en biologisk nivå, men vi människor upplever ju saker och våra tankar styr mycket av våra liv. Det vore spännande att få veta hur våra tankar hänger ihop med vår fysiologi och hur vi mår över huvud taget.

Artikeln har också publicerats i Forskning & Utveckling nr 1/2020

Mer om forskningsmiljönVisa/dölj innehåll

Kika närmare på medicinsk bildvetenskap vid LiUVisa/dölj innehåll

Senaste nytt från LiUVisa/dölj innehåll