Jyllandsposten, d. 1. august 2000

Hjernen i computeren

Af Lars Kai Hansen og Benny Lautrup

I 1989 udnævnte USA’s daværende præsident George Bush og den amerikanske kongres halvfemserne til hjernens årti, og den amerikanske beslutning om at satse store midler på hjerneforskning blev hurtigt fulgt op af tilsvarende beslutninger i Europa. Der er opnået store mængder nye resultater. Den amerikanske neuropsykolog Antonio Damasio påstår ligefrem i bladet Scientific American fra december 1999, at vi har lært mere om hjernens funktion i det seneste tiår end i hele den forudgående periode op til 1989.

Damasios egne resultater inden for bevidsthedforskning er et godt eksempel på det nye billede af hjernen, der er ved at tegne sig. Ved detaljeret analyse af ældre og nye sygehistorier og ikke mindst ved brug af hjerneskanning har han påvist, at følelseslivet spiller en afgørende rolle for vores evne til at tage beslutninger. Patienter med skader i frontal-lappen, den store foldede del af hjernen bag pandebenet, får karakteristiske personlighedsforstyrrelser, der bedst kan beskrives som mangel på følelsesliv. Man skulle måske så tro, at de ville blive ’kolde’ og beregnende individer, men det mest karakteristiske ved deres adfærdsændringer er faktisk, at de har meget svært ved at træffe beslutninger, og simpelthen bliver forvirrede. Uden følelser ser man måske verden i et for klart lys. Patienterne fornemmer, at de ikke har tilstrækkeligt grundlag for at træffe en ’rigtig’ beslutning, og de syge hjerner kaster sig ud i endeløse diskussioner med sig selv.

Hjerneforskningen har tidligere været fokuseret på hjernens funktion på det cellulære niveau, de såkaldte neurale netværk. I halvfemserne har man for eksempel fuldstændig kortlagt visse rundormes og iglers nervesystem. Dele af de langt mere komplicerede nervesystemer i højerestående dyr, som for eksempel primaternes synsapparat, er efterhånden også forstået, men der er langt til at opnå et cellulært matrikelkort over menneskets hjerne. Ved at lytte med på grupper af nerveceller er der opnået viden om deres signalering, informationsbehandling og arbejdsdeling. Ligeledes er der opbygget omfattende modeller til at simulere nervesystemer i computere. I sådanne modeller, kunstige neurale netværk, efterlignes nervesystemets evne til indlæring, men modellerne er også blevet brugt til i helt andre sammenhænge at løse komplicerede tekniske problemer. Den danske forskning i kunstige neurale netværk har især fundet anvendelser indenfor det biomedicinske område.

Den hastige ingeniørmæssige udvikling af nye målemetoder og analyseteknikker er en afgørende faktor i de mange nye gennembrud i forståelsen af hjernen. Hjerneskanning med PET (positron-emissions-tomografi) har givet stor indsigt i hjernens funktionelle opdeling, og denne forskningsaktivitet er yderligere accellereret siden 1991-92 da tre, tæt konkurrende amerikanske, grupper opfandt den revolutionerende teknik som kort betegnes fMRI (funktionel-magnetisk-resonans-billeddannelse). Med fMRI kan man bogstaveligt talt se ind i den levende, arbejdende hjerne. Det er dog ikke nervecellernes informations-behandling, der synliggøres direkte, men derimod den øgede blodgennemstrømning , som er en følgevirkning af informationsbehandlingen.

Med hjerneskanning undersøger man områder ned til ca en mikroliter --et område der er een millimeter på hver led. I et sådant volumen kan der være helt op til en million nerveceller, og informationsbehandlingen er ganske kompleks. Med fMRI kan sådanne områder studeres med en tidslig nøjagtighed på cirka 1 sekund. For at opnå mere detaljeret viden om det tidslige forløb, må man supplere med måling af elektriske hjernebølger (EEG). Desværre er det vanskeligt at afgøre præcist, hvor i hjernen et givet EEG signal stammer fra, og det forsøges i disse år at samkøre fMRI og EEG for at opnå den kombinerede effekt af både rumlig og tidslig nøjagtighed.

Ved brug af hjerneskanning er det blevet opdaget, at blodgennemstrømningen ved forestillingsbilleder med lukkede øjne, er næsten identisk med den, der opstår, når man har åbne øjne. Det betyder, at hjernen så at sige kan fremvise erindrede billeder i sit eget synsapparat, en slags indre biografforestilling. Ved måling på sovende forsøgspersoner har man fundet at hjernens tilstand under drømmesøvn faktisk ikke adskiller sig fra, hvad man måler, når hjernen er vågen. Under drømmesøvn fortsætter hjernens informationsbehandling rent internt og man kan undre sig over, at hjernen spilder energi på informationsbehandling, som ikke ser ud til at være direkte relevant.

Det interessante ved hjerneceller - frem for andre celletyper i kroppen – er, at de i deres netværk kan repræsentere information om omverdenen, herunder kroppen. De lysfølsomme celler i øjet og de lydfølsomme i øret er måleinstrumenter, som sender deres målinger videre til behandling i hjernebarken. Disse signaler repræsenterer verden direkte på analog form, i modsætning til digital eller symbolsk form. En mere interessant informationsbehandling finder sted i de højere, abstrakte, niveauer i hjernebarken, som er et tyndt lag af nerveceller i de yderste millimeter af hjernens overflade. I de visuelle områder bag til i hovedet dannes der en række afbildninger af den scene, som hjernen er i gang med at analysere. I et område lægges der for eksempel vægt på dybdeafstand mellem objekter, i et andet lægges der vægt på farveforskelle, i et tredje er det kanter og hjørner. Opdeling af billedet og genkendelse af objekter finder ligeledes sted i hjernebarken.

Hjernebarken har to funktioner, analyse og syntese. Hjernen analyserer data gennem opsplitning i komponenter, for eksempel dybde og farveforskelle, og disse komponenter fortolkes ved sammenligning med data fra tidligere oplevelser. Efterhånden som flere og flere neuroner drages ind i databehandlingen bliver repræsentationerne mere og mere "abstrakte". Desuden bliver komponenterne mere og mere "digitale", forstået på den måde at informationen bliver opfattet som bestående af skarpt adskilte kategorier: mand eller kvinde, indenfor eller udenfor, mængde eller individ, og så videre. I computersprog kaldes dette mønstergenkendelse eller klassificering. I sidste ende er en beslutning altid digital, for enten handler man eller også lader man være.

I disse højere områder af hjernen findes der for eksempel netværk, som er specialiseret til afgøre, om et objekt er naturligt eller menneskeskabt, eller til at genkende ansigter. Det forunderlige er, at hjernen ikke bare kan genkende og reagere på ydre påvirkninger, den kan som nævnt også lave "snyde-data" og danne sine egne billeder, lyde og fornemmelser. I moderne ingeniørpraksis anvendes ofte simuleringer, som prøver at efterligne nogle egenskaber ved virkeligheden. På samme måde kan vores hjerne simulere data i den indre "biograf". Dette kunne være en mulig forklaring på spørgsmålet om, hvorfor hjernen spilder energi på at drømme. Det kan være, at vi i drømmesøvnen simulerer mulige fremtidige scenarier og danner strategier, som skal hjælpe os til at begå sig i dem.

I Damasios bog om bevidsthed "Descartes Error" skriver han ligefrem, at det er bevidstheden rolle at skabe fremtiden. I vores indre film forestiller eller drømmer vi os mange mulige fremtidige scenarier, og det er disse simuleringer, som giver os evnen til at kortlægge, forstå og begå os i verden. Damasio taler om at Selvet simpelthen er forestillingen om ejerskabet af filmen. "Dette er min film, og min film kan indeholde en scene af dig og den scene, som jeg tror, du spiller i din biograf, herunder hvad min film tror, at din film tror, der foregår i min film ..... ". Prøv selv at lave tankeekperimentet: Forestil dig at du spiller kort med dine venner. Hvor mange "lag" af film har du egentlig kørende i den indre biograf, når du tager pokerfjæset på?

Hjernen er et informationsbehandlende system, og som sådan det mest avancerede vi kender. Vore dages computere har i hvert fald en million gange mindre regnekraft end hjernen. Alletiders film-computer, HAL fra Kubricks værk 2001, blev i filmen "født" i 1997. I anledning af fødselsdagen udgav den amerikanske fysiker David Stork en bog, hvori han lod en række af USA’s førende computereksperter beskrive, hvor langt de er kommet med at realisere en computer med "personlighed".

Der er faktisk flere områder, som computeren allerede har indtaget. HAL kan forstå tale og selv udtrykke sig i følelsesfuld tale. HAL kan se, og som bekendt er det en vigtig pointe i filmen, at HAL selv lærer sig mundaflæsning. Næsten alle bogens eksperter er optimister og gør detaljeret rede for de mange fremskridt i deres respektive områder. Talegenkendelse, billedbehandling og mundaflæsning er faktisk blevet implementeret, ja kan fås til PC’er i dag! Men de vender tilbage til et fælles problem. Computeren kan genkende ordene og se objekterne, men den har svært ved at forstå dem. Ordet "forstå" skal her forstås som det at danne en forbindelse mellem det genkendte ord og en indre model af verden, altså den sammenhæng ordet optræder i. Man taler om at computerprogrammerne skal være "kontekst" afhængige. Der foregår da også en intens udforskning af hvordan man bedst giver computeren er alsidig kontekst. Om nogle år vil et TV-signal, for eksempel, ikke bare bestå af billede og lyd, men derudover af en bred vifte af baggrundsoplysninger. TV-stationerne har allerede taget hul på denne udvikling ved at etablere omfattende hjemmesider på Internettet, hvor man kan finde kontekst.

Hjernen kan ikke bare genkende og relatere indtryk til en model af verden (den indre film). Der er også et afgørende feedback, så den basale måling og databehandling indstilles efter, hvad hjernen for øjeblikket "tror", der foregår: Vi ser det, vi tror vi skal se. Dette kontekstafhængige feedback gør hjernens databehandling enormt følsom og dynamisk, og kan slet ikke realiseres i computere endnu. Måske kræver det, at fremtidens computere er drømmere, der som os blandt andet bruger natten til at simulere og planlægge.

Web resourcer:

Damasios bog "Descartes Error ...".

http://www.amazon.com/exec/obidos/ASIN/0380726475/o/qid=954689807/sr=8-

2/ref=aps_sr_b_1_2/104-7193066-9016454

David Storks bog om HAL (on-line læsbar).

http://mitpress.mit.edu/e-books/Hal/contents.html

Introduktion til fMRI.

http://lib.stat.cmu.edu/~fiasco/overview/overview.html

Introduktion og ressourcer om neurovidenskab.

http://faculty.washington.edu/chudler/neurok.html Neurovidenskab for børn.

http://www.salk.edu/advances/brain/brain.html Salks betragtning over hjernen.

http://infoseek.go.com/Titles?qt=brain&col=NX&sv=IS&lk=noframes&rf=i500sRD&kt=A&ak=news1486

neuro nyheder fra infoseek.

http://www.hhmi.org/senses/start.htm Super website om hjernen.

http://www.neuroguide.com Neurovidenskab på internettet.