På trods af hjernens enorme betydning for den menneskelige organismes funktion og integritet er den stadig det dårligst forståede organ.
Vi kan gennemlyse den med en MR-scanning og få billeder af en gråhvid masse. Vi kan måle elektriske impulser i den og se, hvad der sker, når vi drømmer eller hører musik. Men indtil nu har vi ikke haft mulighed for at se nøjagtigt, hvordan nervefibrene er placeret i en levende menneskehjerne eller følge, hvordan de ændrer sig med alderen eller under sygdom, mens vi er i live.
En ny visualiseringsteknik af hjernen bygger på MR-målinger af vandmolekylernes tilfældige vandringer i vævet og giver exceptionelt detaljerede billeder. Teknikken kaldes diffusionsvægtet traktografi, og den lover et helt unikt indblik i den levende hjernes anatomi. Men indtil nu har man ikke været sikker på, om man kunne stole på metoden.
Ph.d. Tim Bjørn Dyrby har ved DTU Informatik samarbejdet med Hvidovre Hospital og Rigshospitalet og brugt scanninger af grisehjerner og fundet frem til en central brik i arbejdet, der skal flytte teknikken fra fascinerende billeder til praktisk anvendelse for den internationale hjerneforskning.
Ny indsigt i den levende hjerne
Teknologien er stadig ung, og mens klassiske visualiseringsmetoder med kemiske farvestoffer, der ledes ind i hjernen, er i stand til at rekonstruere alle de små sideveje i hjernefibrenes forløb, så er traktografien stadig at sammenligne med flypassagerer, der forsøger at tegne et vejnet ud fra den slørede udsigt fra kabinen. Men metoden har en meget vigtig fordel, forklarer Tim Bjørn Dyrby:
”Det helt centrale i denne teknologi er, at den kan gennemføres in vivo, altså i levende mennesker. Det kan man ikke med de kendte metoder med kemiske farvepræparater.”
Traktografi kan afsløre mikroskopiske detaljer om hjernevævets opbygning og fibertæthed og dermed give svar på, hvilke eksakte forandringer der sker i den levende hjerne. Det har ikke været muligt før.
”Vi vil kunne følge et menneske gennem livsforløbet og få viden om den nøjagtige udvikling i hjernen fra barn til voksen og degenereringen fra voksen til gammel. Men vi vil også være i stand til at identificere, hvordan hjernens netværk påvirkes under sygdomme, der angriber hjernens nervebaner,” siger Tim Dyrby.
Det åbner for mulighederne for, at teknikken kan blive et værdifuldt værktøj for studierne af eksempelvis de frygtede lidelser alzheimer, demens og multipel sklerose. Sygdomme, der netop angriber nervefibrene i hjernen.
Vand er nøglen
Populært forklaret kan hjernen deles op i to hovedbestanddele: den grå substans og den hvide substans. Det er de dele, man kan se ved hjælp af en MR-scanning. Den grå substans kan groft oversat sammenlignes med mikrocomputere, der lagrer og fortolker de indtryk, vi får i løbet af en dag, og den hvide substans er det netværk, der forbinder alle mikrocomputerne med tykke fiberbundter.
Det er den hvide masse, der er det centrale for den nye metode, for inde i disse fiberbundter sker der det, der kaldes diffusion af vand. Hjernen består af omkring 80 % vand, og diffusion er betegnelsen for den måde, vandet naturligt bevæger sig igennem de mikroskopiske rør, der udgør nervefibrene i vores hjerne.
Denne bevægelse kan følges ved hjælp af traktografien. Den bygger på MR-scanningen og måler, hvilken retning vandet tager gennem vævet ud fra devisen: Hvor der er retning, er der forbindelse.
”Traktografi handler om at tage de billeder, man får ved hjælp af en MR-scanning og derefter lade dem undergå en række komplekse matematiske beregninger, der tager højde for, hvor vandmolekylerne er i hjernen, og hvilken retning de bevæger sig i. Bevægelserne er som udgangspunkt tilfældige fra naturens hånd, men der vil altid være en retning for bevægelsen. Den retning viser os, hvor nervefibrene er placeret, fordi vandmolekylerne helst vil følge dem. Vi bruger bevægelsen til at måle, hvor der er restriktioner for vandets vandring og omsætter det til matematiske beregninger. Disse beregninger omsættes så til et 3D-billede på en computer, som kan anvendes til at visualisere hjernens fibernetværk og finde frem til eventuelle blokeringer eller forskydninger,” forklarer Tim Bjørn Dyrby.
Pionerarbejde på tværs af faggrænser
Den moderne hjerneforskning bygger i høj grad på samarbejde på tværs af traditionelle faggrænser. Forskere fra flere grene af videnskaberne arbejder sammen for at forstå den levende hjernes udvikling, opbygning, funktion og sygdom. Tim Bjørn Dyrby har med sin ph.d. blandet neuro-anatomi med kliniske studier og sammenholdt det hele med matematiske modeller for beregninger af hjernens opbygning.
”Metoden er baseret på matematik med den usikkerhed, den menneskelige faktor bibringer, fordi en simpel regnefejl kan betyde store fravigelser i de visualiserede fibernetværk. Derfor var målet for mit arbejde at efterprøve validiteten af de matematiske modeller, vi bruger til at visualisere hjernestrukturen, og på den måde finde frem til, hvad der var fup og fakta ved det, vi så med traktografien,” siger Tim Bjørn Dyrby.
For at opnå brugbare informationer brugte han de såkaldte Göttingen-minigrise, der er særligt fremavlede dyr til brug for kliniske undersøgelser af denne karakter. Ved at lade dyremodellerne gennemgå først den klassiske metode med kemiske farvestoffer og herefter foretage den diffusionsbaserede traktografi kunne Tim Bjørn Dyrby sammenligne de to resultater ved til sidst at dissekere hjernerne.
På den måde fik han så at sige en facitliste for matematikken, fordi han kunne undersøge, hvordan nervefibrene rent faktisk lå i hjernen og se, om det stemte overens med de billeder, han havde på sin computer. Det gjorde det:
”Forsøgene viste os, at vi med rimelig sikkerhed kan bruge diffusionsbaseret traktografi til at finde vej fra stik til stik i forbindelserne mellem hjernens millioner af mikrocomputere. Nu ved vi, at traktografien kan vise os de ting, vi håbede, og at vi kan stole på metoden. Det betyder, at vi kan koncentrere os om at forfine vore redskaber. Potentialet er enormt for teknologien, og det er først nu, vi for alvor kan målrette forskningen,” siger Tim Bjørn Dyrby.
Af Rasmus Rørbæk
Her er ph.d. Tim Bjørn Dyrbys hjerne, som den ser ud med traktografi. Ansigtet er til venstre. De farvede striber er nervefibrene, hvor farverne repræsenterer den retning, vandet bevæger sig: Blå er op og ned, grøn er frem og tilbage, og rød er på tværs. Ved hjælp af disse farvekoder er det muligt for forskerne at kortlægge nervebanernes forløb i den levende hjerne og finde frem til eventuelle blokeringer.
Illustration udarbejdet af Tim Bjørn Dyrby på Hvidovre Hostpital