2,4 gram teknologi lar forskerne se hjernen i arbeid

Skal vi forstå hjernen, må vi først være i stand til å se hvordan den jobber. Weijian Zong og hans team av ingeniører og forskere innen nevrovitenskap har utviklet teknologien som gjør det mulig å observere hundrevis av nerveceller i arbeid.

BANEBRYTENDE: Weijian Zong og hans kolleger ved Kavli-institutt for nevrovitenskap har utviklet et miniatyrmikroskop som lar hjerneforskerne se hundrevis av nerveceller i arbeid, i stor detalj. Foto: Eli S. Rønning, Hjerneforskningsfondet.

For hjerneforskere er det å studere hjernen til mus og rotter et viktig steg på veien til å forstå menneskehjernen. I likhet med oss mennesker er de små gnagerne sosiale dyr som utforsker, lærer og viser følelser. Gjennom å undersøke hjerneaktiviteten til dyrene mens de er i naturlig aktivitet, kan forskerne få verdifull innsikt i de detaljerte mekanismene som styrer hjernens funksjoner. Slike undersøkelser kan ikke gjøres på mennesker, men informasjonen fra dyrehjernene gir forskerne et innblikk i hvordan vår egen hjerne fungerer.

Zong og hans kolleger lyktes i 2022 med å utvikle et helt unikt miniatyr-mikroskop. Mikroskopet, som kalles Mini2P, der nyeste versjon bare veier 2,4 gram, og er lite nok til å kunne monteres på hodet til en mus, uten at det hindrer musas bevegelser. Derfra sender Mini2P høyoppløste bilder i sanntid, som viser forskerne detaljerte bilder av nervecellene i den delen av hjernen de studerer. At musa kan bevege seg fritt og uhindret er en stor fordel for forskerne, som dermed kan studere hvordan nervecellene i hjernen oppfører seg mens dyret spiser, leker, utforsker og navigerer i omgivelsene.

– Denne teknologien, der man har et mikroskop som lar dyret bevege seg fritt mens man tar bilder, har vært en drøm i 20 år. Nå har den blitt virkelighet, sier Zong.

Det beste fra to teknologier

Miniatyrmikroskop som kan monteres rett på mus eller rotter og ta bilder mens dyrene beveger seg, er ikke noe nytt – slike har allerede eksistert i flere tiår. Men utfordringene har vært mange: bildene har hatt for dårlig oppløsning, man har ikke kunnet ta bilder av mange nok celler samtidig, og man ikke vært i stand til å filme nerveceller i dyptliggende strukturer i hjernen. På den annen side har man hatt mikroskoper som har vært i stand til å ta bilder med høyere kvalitet, fra dypere områder i hjernen, men uten at dyret har kunnet bevege seg fritt – disse mikroskopene kan nemlig veie opp mot et halvt tonn.

Sammen med kollegene kombinerte Zong fordelene fra de to teknologiene, og lyktes i å lage et mikroskop som er knøttlite, men likevel kan sende høyoppløste opptak av det som skjer i hjernens dyptliggende strukturer.

– Vi måtte se forbi kompleksiteten og forsøke å forenkle nok til å gjøre det svært lite, samtidig som vi beholdt funksjonaliteten, forteller Zong.

– Å forbedre dette verktøyet gir oss muligheten til å observere enkeltceller i hjernen i detalj. Men samtidig som vi observerer i detalj, gir det oss også muligheten til å se på mange nerveceller i detalj samtidig.

Imponerte nobelprisvinnerne

Nylig mottok Zong Norges tekniske vitenskapsakademis ærespris for banebrytende teknologi for den første versjonen av Mini2P, som senere er videreutviklet til dagens versjon. Prisen deles ut årlig «til en eller flere personer bosatt i Norge, som på fremragende vis har utviklet ny teknologi til beste for det norske samfunn og utviklingen av norsk næringsliv».

Men arbeidet som skulle lede frem til den banebrytende teknologien startet lenge før han kom til Norge, i Kina. Helt fra barndommen av drømte nemlig Zong om å bli ingeniør – han hadde lyst til å bygge komplekse og elegante maskiner.

– Mens jeg tok bachelorgraden min fikk jeg jobbe i et laboratorium der de brukte laserteknologi, forteller han.

Dette skulle tenne en interesse i den unge studenten, samtidig som det skulle få ham til å fatte interesse for langt mer komplekse teknologier.

– Laserteknologi er spennende. Det er elegant og presis teknologi, men samtidig er det en ganske modent felt som ikke byr på de største utfordringene.

Zong ønsket å flytte grenser, og begynte derfor å se etter mer komplekse teknologier som kunne gi ham større utfordringer. Samtidig var han opptatt av å få jobbe med maskiner som hadde en tydelig nyttefunksjon. Det førte ham til optiske mikroskoper, og det som etter hvert skulle bli Mini2P.

To av forskerne som ønsket seg miniatyrmikroskop som kunne gjøre høyoppløste opptak av det som skjer dypt inne i hjernen, var nobelprisvinnerne May-Britt Moser og Edvard Moser.

I 2017 møttes Edvard Moser og Zong for første gang, og nobelprisvinneren fikk høre om det lovende arbeidet Zong og hans kolleger hadde gjort. I 2018 flyttet Zong fra Kina til Trondheim og Norge, for å forsøke å videreutvikle det arbeidsredskapet hjerneforskerne trengte for å studere gnagerhjernene.

Allerede i 2022 var første versjon av det nye miniatyrmikroskopet, som May-Britt Moser omtalte som «en gamechanger», en realitet.

KNØTTLITE: Miniatyrmikroskopet Mini2P er knøttlite, men likevel kraftig nok til at forskerne kan studere aktiviteten i hundrevis av nerveceller.
Foto: Eli S. Rønning, Hjerneforskningsfondet.

Fra AI til Alzheimer

Mini2P er ikke forbeholdt noen få forskere i Trondheim: «Oppskriften» bak miniatyrmikroskopet er tilgjengelig for alle forskere som har lyst til å ta det i bruk, og Mini2P brukes i dag i mer enn 50 laboratorier verden over. At teknologien er åpent tilgjengelig, gir flere forskere muligheten til å ta den i bruk og dra nytte av den i sine prosjekter.

Og de potensielle bruksområdene for et mikroskop som kan gi forskerne detaljerte, høyoppløste bilder av mange nerveceller samtidig, er mange.

– Vi ønsker å forstå hjernen, og det første steget til å forstå hvordan dette komplekse organet fungerer, er å observere hvordan det arbeider, forklarer Zong.

– Hver eneste nervecelle er nesten som en liten datamaskin som mottar tusenvis av signaler. Hvilke signaler den lytter til og gjør noe med, vet vi ikke helt. Men denne teknologien lar oss se enkeltcellene i detalj, ikke bare nettverket av nerveceller.

Zong mener at å forstå hvordan enkeltnerveceller behandler informasjon, og dermed hvordan hjernen fungerer, vil kunne endre på blant annet hvordan man bygger opp kunstig intelligens.

– Hjernen er som en datamaskin med enorm kapasitet til å prosessere informasjon, forteller han.

– Den må ha en eller annen hemmelighet som gjør den så effektiv, sammenlignet med faktiske datamaskiner, som egentlig er ganske ineffektive. Klarer vi å dekode informasjon om hvordan hjernen fungerer, kan det endre på hvordan kunstig intelligens bygges opp og fungerer.

I tillegg har teknologier som gir oss økte muligheter til å forstå hvordan hjernen fungerer også et annet viktig potensial: Den kan hjelpe oss å forstå hva det er som skjer når noe slutter å fungere.

– Mini2P-mikroskopet er lite inngripende, og lar oss studere og ta opptak av hjerneaktiviteten over lang tid uten at det påfører dyret smerte, forklarer Zong.

Med dagens miniatyr-mikroskop kan forskerne observere de samme hjernestrukturene over en tidsperiode på nærmere et år.

– Dette er unikt, og kan hjelpe oss å forstå hva som skjer når nerveceller degenererer, som for eksempel ved sykdommer som Alzheimer eller Parkinson. Ved å observere over tid kan vi også se hvordan nerveceller endrer seg over tid, og det kan forhåpentligvis gi oss ideer om hvordan vi kan gripe inn i denne prosessen.