Johan Storm

Interjvuet av Ellen Lange og Olav Hamran 23. februar 2011, Oslo

 


De største spørsmål, de minste ting

 

Johan Fredrik Storm er professor i nevrofysiologi ved Universitetet i Oslo. Han forsker på å forklare hvordan bevissthet oppstår. Storm leder forskergruppen Laboratorium for nevrale signaler og kretsdynamikk i hjernen, ved Fysiologisk avdeling og Senter for molekylærbiologi og nevrovitenskap ved Universitetet i Oslo.

Hjernen er en grå, halvannenkilos klump med over 100 milliarder nerveceller. Gjennom et astronomisk antall nervefibre svirrer til enhver tid milliarder av elektriske signaler i forskjellige frekvenser. Hver nervecelle er i kontakt med tusenvis av andre nerveceller via spesielle kontaktpunkter (synapser). I synapsene mottas informasjon som har vandret langs nervefibrene kodet som nerveimpulser. Her videreformidles informasjonen fra de elektriske impulsene til neste celle gjennom intrikate kjemiske og fysiske prosesser. Spesielle proteinmolekyler danner ørsmå «kanaler» for transport av ioner (elektrisk ladde atomer) gjennom nervecellenes «vegger». I hver hjernecelle finnes det tusenvis av ionekanaler av flere titalls ulike typer. Millioner ioner kan strømme gjennom hver av disse kanalene hvert sekund. Ionekanalene i en celle spiller sammen som musikere i et symfoniorkester. Gjennom dette oversettes informasjon, kodet som nerveimpulser i nervefibrene, først til kjemiske signaler i synapsene, så til graderte elektriske signaler i mottakercellen, som så summerer, integrerer og modulerer signalene som en liten datamaskin, før informasjonen igjen oversettes til nye impulser som sendes videre langs cellens nervefibre til de neste cellene i hjernens enorme nettverk.

Svimlende

All dette foregår i denne tross alt lille, grå klumpen som ligger og skvalper i saltvann inni en hinne inni hodeskallen. Og så selve eventyret: Aktiviteten i alle milliardene av celler, synapser og ionekanaler, alt sammen prosesser som slik vi forstår dem, skjer i henhold til de kjente fysiske lovene og kjemiske reaksjonsmønstrene, denne aktiviteten produserer subjektiv bevissthet. Og slik overskrides tilsynelatende naturlovene. På en for oss uforståelig måte gir de prosessene i hjernen opphav til våre bevisste sanseopplevelser, følelser og tanker, og en forestilling om et sansende og tenkende «jeg» som står i et direkte forhold til den materielle verden.

Også i et evolusjonært perspektiv er dette mer enn svimlende. Gjennom milliarder av år var universet døvt og blindt og visste ikke om seg selv. «Så vidt vi vet var det først da evolusjonen frembrakte dyr med en avansert hjerne, at fenomenet bevissthet oppsto. Man kan si at det – så vidt vi vet – er først gjennom mennesket at universet kan erkjenne seg selv», sier professor i nevrofysiologi ved Universitetet i Oslo, Johan Fredrik Storm.

Dette er eventyrlig. Det er slike ting Johan Fredrik Storm er opptatt av. «Det å kunne forklare hvordan bevissthet oppstår, er blitt kalt «The ultimate challenge of the next millennium». Vi er privilegert i vår tid. Omsider har vi utviklet vitenskap og teknologi så langt at vi kan gjøre store fremskritt i forståelsen av vår egen hjerne» sier Storm. Samtidig forsker han på de minst ting. Storm leder forskergruppen Laboratorium for nevrale signaler og kretsdynamikk i hjernen, ved Fysiologisk avdeling og Senter for molekylærbiologi og nevrovitenskap ved Universitetet i Oslo.

Som student begynte Storm med matematikk, kjemi, logikk og filosofi. Deretter utdannet han seg til lege. Han var stipendiat hos professor Per Andersen ved Fysiologisk institutt og arbeidet blant annet med å måle elektrisk aktivitet med elektroder i levende nerveceller. Storms doktorgradsavhandling i 1989 handlet om hvordan nerveimpulser dannes og reguleres i cellene i hjernens hukommelsesområde, hippocampus.

I Storms forskningsgruppe studeres elektriske signaler i neveceller i isolerte skiver av levende hjernevev. Ved hjelp av infrarødt lys er det mulig å få et klarere bilde av cellene inni vevet. Ved å spore nerveutløperne på denne måten og «suge fast» syltynne rørelektroder på dem, måles de elektriske impulsene og andre signaler inni en enkelt nervecelle. Denne såkalte «patch-clamp»-metoden kan endog brukes til å måle den ørlille elektriske strømmen som går gjennom et enkelt kanalmolekyl. Da er det snakk om pikoampere – omtrent en tusendel av en milliarddel av strømmen i en lommelyktspære. Også såkalte skarpe elektroder brukes. En slik elektrode har en spiss som er så tynn at den ikke kan ses i lysmikroskop. Ved å føre spissen gjennom cellemembranen og inn i cellene kan man registrere elektriske signaler med minimal forstyrrelse av cellens indre miljø.

Fantastiske molekylære maskiner

Forskningen er ikke minst fokusert på hjernecellenes ionekanaler, som er selve grunnlaget for alle hjernens elektriske signaler som også danner våre tanker og følelser. Disse kanalene dannes av spesielle proteinmolekyler og de muliggjør transport av ioner gjennom cellemembranene. Det finnes fra tyve til femti ulike typer i hver celle og hver og en er spesialisert til å utføre sine bestemte oppgaver, altså å frakte en bestemt type ioner, natrium (Na), kalium (Ca), kalsium (Ca) osv. Og hver kanaltype åpnes og lukkes under helt bestemte betingelser, og på sine særegne måter: Noen åpner seg raskt når den elektriske spenningen i cellen øker over en viss grense, andre åpner seg langsomt når spenningen i cellen blir mer negativ, eller når cellen mottar bestemte kjemiske signaler fra andre celler. Storm understreker at ionekanalene er «fantastiske molekylære maskiner» og samspillet mellom dem danner den enkelte nerveimpuls, og avgjør også tidspunktene, frekvensen og mønsteret av nerveimpulsene som koder all informasjon i hjernen. Summen av aktiviteten i ionekanalene produserer slik sett de elektriske signalene som danner det fysiske grunnlaget for bevisstheten, for alle tanker, følelser, erindringer og drømmer.

Storms forskningsgruppe har blant annet undersøkt betydningen av en spesiell type ionekanal, de såkalte BK-kanalene. I hjernevæsken er konsentrasjonen av kalsiumioner mange tusen ganger større enn inne i nervecellene, og disse ionene spiller en avgjørende rolle for moduleringen av nervesignalene. Kalsiumioner kommer inn i nervecellene gjennom spesielle kalsiumkanaler, og kan da åpne andre kanaler. I 1984 oppdaget Storm at nerveimpulsenes varighet i pattedyrhjernen ikke bare er regulert av kaliumkanaler som åpnes av elektrisk spenning, som det sto i alle lærebøker etter at Nobelprisvinnerne Alan Hodgkin og Andrew Huxley hadde funnet dette hos blekkspruter i 1952. Storm fant derimot at impulsenes varighet merkelig nok bestemmes av spesielt effektive K-kanaler som åpnes av kalsiumioner i løpet av en brøkdel av et tusendels sekund. Selv om en lignende mekanisme var funnet hos frosk, var dette overraskende, siden en slik mekanisme virket unødig komplisert, og man trodde tidligere at kalsiumavhengige prosesser var altfor langsomme til å bidra til selve nerveimpulsen. Senere har Storms gruppe funnet at disse kalsium-aktiverte kaliumkanalene – de såkalte BK-kanalene – også har flere andre overraskende funksjoner i hjernen: De regulerer impulsfrekvensen på en ny og uventet måte. De kan regulere styrken på kjemiske signaler i synapsene, de er svært viktige for lillehjernens kontroll av våre bevegelser og de ser ut til å beskytte hjernebarken mot energisvikt og celledød når blodtilførselen svikter, som ved hjerneslag.

For at kalsiumkonsentrasjonen i nervecellene ikke skal bli for stor, pumpes hele tiden kalsium ut av cellen. Dette krever energi. Dersom energitilførselen til hjernen stopper, ved for eksempel hjerneslag, vil kalsium hopes opp i nervecellene, den elektrokjemiske balansen forrykkes og cellene risikerer forgiftning og død. Storm og kollegaene har påvist at BK-kanalene i slike tilfeller aktiveres, øker spenningen i cellen, og påvirker dermed kalsiumkanalene slik at de lukker seg og stenger for innstrømningen av kalsium. På denne måten begrenses skadene på nervecellene.

Forsøkene i dette prosjektet ble utført ved at skiver av hukommelsesområdet i hjernen hos normale mus og hos spesielle genmanipulerte mus uten BK-kanaler ble holdt levende i skåler med oksygen og sukker. For å etterligne hjerneslag, stanset man tilførselen av sukker og oksygen, og undersøkte så hjernecellene etter at tilførselen av næring og oksygen ble startet opp igjen. I andre forsøk ble kunstig hjerneslag fremkalt ved å tette igjen en av hjernens blodårer. Forsøkene viste betydelig mer celledød hos musene som manglet BK-kanaler i hjernecellene enn hos normale mus.

I et annet forskningsprosjekt har Storms gruppe undersøkt to typer ionekanaler som kalles M-og H-kanaler. Disse kanalene åpner og lukker seg ganske langsomt når spenningen i cellen endres, og slipper gjennom kalium og natriumioner i et bestemt tempo slik at det oppstår spesielle elektriske vibrasjoner i cellene. Svingningen har en frekvens på omtrent sju i sekundet og kalles Thetabølger. Storms gruppe fant at M- og H-kanalene gjør at celler i hukommelsesområdet i hjernen er særlig følsomme for signaler med denne frekvensen, og at cellene også selv kan danne slike bølger. Annen forskning tyder på at Theta-bølgene danner grunnlag for hvordan hjernecellene registrerer og koder romlig informasjon. For noen år siden oppdaget Storms gruppe at H-kanalene i hjernen reguleres av de samme signalstoffene og de samme molekylære mekanismene som H-kanalene i hjertet, og man vet at det er disse som får hjertet til å slå fortere når vi blir redde, opphisset eller glade. Det ser altså ut til at den samme mekanismen øker tempoet både i hjerne og hjerte når vi blir engstelige eller ivrige.

I et annet forsøk ble M-kanalene hos mus tettet igjen ved genmanipulering, slik at cellene mistet sin spesielle følsomhet for signaler med Theta-frekvensen. Disse musene ble så testet i et basseng med melkehvitt, ugjennomsiktig vann, der det fantes en plattform rett under vannflaten som det gjaldt å finne fram til. I motsetning til vanlige mus, som ganske raskt lærte hvor plattformen var, svømte de genmanipulerte musene rundt på måfå, selv om de tilfeldigvis hadde funnet plattformen mange ganger tidligere under trening. Dette tyder på at den romlige hukommelsen ble sterkt svekket når Theta-mekanismen ble stengt av.

Svingningene synes altså å ha betydning for hvordan cellene arbeider og fungerer. Og da ikke minst for hukommelse og evne til å orientere seg. Det kan være slik at vibrasjonene fungerer som en slags klokkefrekvens og at timingen av impulser (som er dannet av andre ionekanaler) i forhold til denne klokkefrekvensen kan kode for, for eksempel, romlig plassering.

Disse forsøkene synliggjør sammenhenger mellom vidt forskjellige nivåer: Mellom aktivitet i ionekanaler og andre prosesser på molekyl- og cellenivå, og enormt komplekse fenomener og prosesser på organisme- og adferdsnivå, som læring, hukommelse og ulike sykdommer.

Hvordan oppstår bevissthet?

Storm understreker at hjernen er det mest komplekse kjente objektet i universet og et produkt av omtrent fire milliarder års evolusjon. Den rommer fysiske og kjemiske reaksjoner i mer enn hundre milliarder hjerneceller, ioner som strømmer gjennom billioner av ionekanaler og danner elektriske impulser som både er produktet av og opphav til alle disse prosessene. Gjennom den menneskelige hjernen har universet kommet til bevissthet om seg selv.

Det store spørsmålet er om man noen gang vil kunne forklare hvordan bevisstheten oppstår? «Jeg vet jo ikke om vi mennesker noen gang vil være i stand til å finne en fullgod forklaring, som vil besvare alle våre spørsmål om bevisstheten – kanskje finnes det noe som vi aldri helt vil kunne fatte. Men jeg er ganske trygg på at vi gjennom forskning kan komme mye nærmere en forståelse av hjerne-bevissthetsproblemet enn vi er i dag» sier Storm.

«En retning å gå, kan være å undersøke nærmere hva slags nevral aktivitet som lager bevissthet og hvilken som ikke gjør det, altså identifisere såkalte «nevrale korrelater til bevissthet». Det ser ut til at bare enkelte hjerneprosesser gir opphav til dette merkelige fenomenet. De fleste av våre hjerneprosesser er jo ikke ledsaget av bevissthet, til tross for at de fysiske prosessene – nerveimpulsene og andre signaler – likner til forveksling på dem vi finner i hjernebarken der vi tror bevissthet oppstår. Hva skyldes dette?»

Dette kan studeres på mange måter. Det er gjort forsøk med aper som får se med bare det venstre øyet et bilde av en annen apes ansikt. Man registrerer da aktivitet i visse celler i tinninglappen som spesifikt reagerer på ansikter. Når apen deretter blir vist et annet kontrastrikt bilde på det høyre øyet, «distraheres» den og «oppfatter» ikke lenger bildet av apeansiktet, til tross for at dette fortsatt vises for det andre øyet, slik at den fysiske påvirkningen i øyet, signalene i synsnervene etc. er uforandret. Samtidig som apen mister sin bevisste persepsjon av apebildet, forsvinner aktiviteten i de aktuelle cellene i tinninglappen. Disse cellenes aktivitet kan altså tilsynelatende være del av et «nevralt korrelat til bevissthet»: De er aktive hvis og bare hvis apen har denne bevisste synsopplevelsen.

I løpet av de siste hundeårene har forskerne stein på stein bygget det store byggverket som naturvitenskapene i dag konstituerer. «Vi kan ikke helt utelukke at det kan vise seg nødvendig med et radikalt nytt paradigme for å forstå bevisstheten, kanskje noe tilsvarende det som kvantemekanikkens gjennombrudd representere. Men kanskje er det mer sannsynlig at vi etter hvert, gjennom nevrovitenskapelig forskning steg for steg, kan finne et tilfredsstillende svar på spørsmålet om hvordan bevisstheten oppstår» sier Storm. «For hundre år siden mente mange ledende forskere at fenomenet liv var et stort mysterium. Det virket nærmest uforklarlig ut fra vanlige fysiske lover. Så sent som i 1932 foreslo den store atomfysikeren Niels Bohr at det kanskje ville være umulig å forklare fenomenet liv ut fra de fysiske lovene som gjelder i livløs natur. Men utviklingen har vist at han var for pessimistisk. Biokjemisk, cellebiologisk og evolusjonsbiologisk forskning har nå gitt oss et langt på vei fullgodt svar på hva liv er, helt i samsvar med vanlig fysikk og kjemi. Levende celler og vesener er ikke lenger noe uløselig mysterium. På lignende måte kan det tenkes at bevissthetens mysterium å å si vil «løse seg opp» og forsvinne når vi får tilstrekkelig kunnskap om hjernens mekanismer», sier Johan Storm.

     
 

Teknisk museums åpningstider

Tir-fre: 9-16 | Lør-Søn: 11-18 | Man: Stengt

OBS! Utvidede åpningstider i museumsbutikken fram til jul: I år holder butikken åpent hver dag til kl. 18 fra og med 20. november til lille julaften. Også mandag. Det er vanlige åpningstider for resten av museet.

Stengte dager: julaften,1. juledag, nyttårsaften, 1. nyttårsdag og 17. mai.
Les mer om åpningstider

Billetter:

Barn 4-17 år: kr 100 | Voksne: kr 150 | 2v+4b: kr 450 | Les mer om billettpriser

Finn oss
 | Kontaktinfo | Mer praktisk info
Begrenset antall parkeringsplasser.


britiskeflagget 30Information in English