Den anpassningsbara hjärnan

Den anpassningsbara hjärnan Lars Nyberg, professor i psykologi Fortfarande är hjärnans funktioner ett stort mysterium, men lite har vi lärt oss genom åren, och Figur 1 visar var några viktiga hjärnfunktioner sitter. Vi får t.ex. in syninformation längst fram via ögonen. Den skickas längst bak i hjärnan och sedan jobbar den vidare med syninformationen. Färger kodas längst bak i hjärnan, medan ansiktsinformation kodas längre fram, i tinningloben. Viss information går vidare i en övre bana upp mot hjässloben (parietalloben) och bl.a. är den delen känslig för det s.k. neglect-syndromet som Birgitta Bernspång nämnde. Man har börjat kartlägga vilka regioner som är viktiga för språkfunktioner, för beröring, för hur vi ska kunna uppleva olika typer av stimulering, smärta. Vidare är de regioner som är viktiga för motoriska funktioner identifierade. Den stora frontalloben (pannloben) förknippas med mer komplexa, s.k. högre funktioner: Minne, tänkande och problemlösning. I den här presentationen kommer jag att säga en del om just frontalloben, en del om den motoriska delen av hjärnan som är markerad i mitten på Figur 1, och på slutet även lite om hjärnans synområde. Figur 1. Några av de hjärnfunktioner som fortfarande är mysterier för forskningen. På bilden ligger främre delen av hjärnan till vänster. 37

Tekniker för att studera hjärnans funktioner Hur kan vi då lära oss mer om hjärnans funktioner? Ni vet ju alla att vi har metoder för s.k. strukturell hjärnavbildning till förfogande sedan ganska många år, t.ex. magnetkamera med vars hjälp vi kan ta detaljerade bilder av hjärnans struktur. Sedan ett tiotal år är de här teknikerna utvecklade så att vi även kan studera hjärnans funktioner, se hur hjärnan aktiveras samtidigt som den arbetar. En av de två magnetkameror som finns här vid NUS har utrustats för s.k. fmri-teknik, dvs. funktionell magnetkameraundersökning. Vi har etablerat en centrumbildning här i Umeå just för funktionell hjärnavbildning, se Figur 2. Det här låter väl lite science fiction-artat, men här kommer en liten filmsnutt som illustrerar detta, se Figur 3. Vi får titta in i en hjärna bakifrån och Figur 2. Funktionell hjärnavbildning, t.ex. med magnetkamera, fmri (Functional Magnetic Resonance Imaging), är en metod för att studera hur hjärnan arbetar. Figur 3. Olika områden i hjärnan aktiveras när man tittar på olika saker. Det kan visualiseras med en magnetkamera (stillbild ur filmavsnitt). 38

samtidigt se vad personen ser på bildskärmen framför sig. Vi kommer då att se hur hjärnaktiviteten varierar beroende på vad som finns på skärmen. När skärmen visar figurliknande områden är det områden längre fram i tinningloben som aktiveras. Vid en väldigt enkel stimulering aktiveras delar av det primära synområdet. På det här sättet kan man låta personer ligga i magnetkameran och ta bilder av vilka områden i hjärnan som aktiveras när de utför olika uppgifter. Det här skulle kunna vara ett exempel på perception, som vi hörde talas om tidigare. Man kan också studera andra funktioner: Minne, uppmärksamhet, koncentrationsförmåga, motorik och sensorik. De bilder ni kommer att få se idag är genererade precis på det här sättet. De visar områden i hjärnan som aktiveras och används då vi utför olika funktioner. Den plastiska hjärnan Egentligen är vår hjärna alltid i anpassning. Det är själva grunden för att vi under hela livet ska kunna lära oss nya saker. Man brukar säga att hjärnan är plastisk. En uppfattning om hjärnans förmåga till anpassning får vi av att se hur dess aktivitet förändras då vi tränar på att utföra saker och ting. Först en s.k. kognitiv uppgift, som man kan använda för att studera personers förmåga att förstå och generera tal, en väldigt viktig basal funktion som kan påverkas vid stroke. Man skulle kunna ge följande uppgift till personer när de ligger i magnetkameran: Ni kommer att få se en lista av substantiv och för varje substantiv ska ni generera ett passande verb. Om man då t.ex. visar en stege, skulle klättra kunna vara ett passande verb liksom boll sparka, studsa eller hammare spika, slå. Om man låter en person göra ett antal sådana uppgifter kan man via magnetkameran titta efter hur hjärnan aktiveras inför den typen av uppgift. Figur 4 på nästa sida visar att då vi först löser den här typen av uppgift har vi kraftigt förhöjd aktivitet i vänster frontallob, alltså framtill i pannloberna. Det förknippas med att vi måste vara uppmärksamma, vi måste generera ord, lösa problem osv. Men hur ser det då ut efter bara tio minuters träning? Då förändras hjärnaktiviteten så att det ser ut som det gör vid vanlig läsning. Vi har aktivitet baktill i synområdet och bara liten aktivitet frontalt, avsevärt lägre än i det otränade läget. Med bara lite träning kan hjärnans sätt att lösa en uppgift alltså förändras kraftigt. 39

Figur 4. När vi först löser den här typen av uppgift har vi en kraftigt förhöjd aktivitet i vänster frontallob, övre bilden (hjärnan visas från vänster sida). När vi tränat några gånger på uppgiften ser aktiviteten ut som på den undre bilden, vilket liknar vad man ser vid vanlig läsning. Olika områden har olika funktioner Samma typ av aktiveringsmönster får man om man ber personer hitta motsatsord: kall varm, hund katt osv. Man kan också be försökspersoner komplettera ordstammen str till det första ord de kommer att tänka på, t.ex. struts. Den typen av språkliga, semantiska uppgifter ställer krav på vänster frontallob och en skada i den delen av hjärnan ger i allmänhet nedsatt prestation för sådana uppgifter. Men det finns undantag. Vissa patienter kan prestera väl på dessa uppgifter trots en skada i den relevanta regionen, alltså vänster frontallob. Figur 5 visar hur en sådan patient har studerats med funktionell hjärnavbildning. Patienten kunde alltså komplettera ordstammar fastän han hade en skada i vänster frontallob. Figuren visar att den här patienten hade en stroke som påverkade just den delen av hjärnan, men ändå kunde personen lösa uppgiften. Hur gick det till? Med funktionell hjärnavbildning kunde man se att motsvarande region i den friska, högra hjärnhalvan aktiverades i stället. Den regionen aktiveras vanligtvis inte då friska, ickeskadade personer gör den här uppgiften, men här hade den kommit in och till synes tagit över funktionen efter en hjärnskada, en form av anpassning. 40

Figur 5. Röntgenbilden längst ned t.h. visar en tydlig stroke i vänster frontallob. Skadan borde ge nedsatt förmåga att lösa uppgiften att komplettera ordstammar. Men bilden av hjärnaktiviteten när patienten gjorde denna typ av uppgift, t.v., visar hur höger frontallob tar över funktionen från den skadade vänstra sidan. Vi kan också titta i andra funktionella domäner som motorik, dvs. förmågan att röra sig. Vad händer om man tränar på en motorisk uppgift? Man kan göra det ganska enkelt: Tänk att fingrarna heter 1, 2, 3, 4 från pekfinger till lillfinger, och så ger man följande instruktion: Du kommer nu att få se en sekvens med siffror och du ska trycka på dina fyra fingrar så snabbt och korrekt du kan i den ordning som visas. Liggande i magnetkameran får personen då se en sekvens siffror på en datorskärm. Man gör detta under en tid och registrerar hur bra personen lyckats lösa uppgiften. I vår studie som vi gjorde här vid universitetssjukhuset fick man utföra den här typen av motorisk uppgift med vänster hand. Vi vet att kopplingen mellan händerna och hjärnan är korsade, så när vi rör vänster hand jobbar framförallt motoriska områden i höger hjärnhalva. När vi jobbar med höger hand gäller det motsatta då jobbar regioner i vänster hjärnhalva. 41

Fascinerande anpassning till skador Figur 6 visar exempel på ökad aktivitet i högersidiga motoriska områden då personen rör vänster hand, men även ökad aktivitet på samma sida av hjärnan som handen, s. k. ipsilateral aktivering. Första gången man gör den här typen av uppgift är en ganska stor del av hjärnan aktiverad. Hur ser det då ut efter träning? Det är kanske ett exempel på det man brukar säga att det sitter i fingrarna ; Efter träning aktiveras i stort sett bara den del av hjärnbarken (cortex) som styr vänstra handens fingrar. Bilden visar en kraftig reduktion av aktivitetsmönstret efter bara en veckas träning. Vad händer då om hjärnbarken skadas? En person med en stroke som påverkat större delarna av det högersidiga motornätverket visade ett normalt aktiveringsmönster vid fingerrörelser med höger hand, som alltså styrs av den friska hjärnhalvan. Hur såg det då ut när patienten utförde rörelser med vänster hand, som alltså styrs av det skadade området? Intressant nog engagerades områden i den friska hjärnhalvan, kanske ett nytt exempel på en anpassning till nya omständigheter som har uppstått efter skadan: Områden i den friska hjärnhalvan kliver in, tar åtminstone delvis över funktionen och hjälper personen att klara uppgiften. Figur 6. Försökspersonen fick i uppgift att trycka på knapparna så snabbt som möjligt i den ordning som visades på skärmen. Bilden t.v. visar hjärnaktiviteten innan personen tränat på uppgiften, bilden t.h. visar hjärnaktiviteten efter träning. 42

Generell princip för anpassningen Vi har sett två exempel på långt gående anpassning: Vid en skada i vänster frontallob aktiveras höger frontallob vid den kognitiva uppgiften och vid skada i höger motorbark aktiveras på samma sätt vänstersidiga områden. Det finns data som tyder på att det här kan vara en mer generell princip för återhämtningen efter skada. Här i Umeå, och på andra håll i världen, görs för tillfället många studier av hur hjärnans funktion förändras när vi blir äldre. Det som vi själva och andra har sett är att i uppgifter som framför allt aktiverar den ena hjärnhalvan, t.ex. minnesframplockning, aktiverar yngre personer framförallt högerfrontala områden. Äldre, 70 75-åringar och äldre, tenderar att aktivera bilaterala områden, alltså både i höger och vänster hjärnhalva. Det är alltså fler områden som aktiveras i den åldrande hjärnan, och det finns data som tyder på att det här hjälper till att kompensera för och komma tillrätta med åldersrelaterade förändringar, som skulle kunna leda till nedsatt minnesfunktion m.m.. Det här mönstret som hjärnan använder många gånger att uppgifter byter plats mellan motsvarande regioner i höger och vänster hjärnhalva, s.k. kontralateral rekrytering, kan vara en generell princip. Det kan också finnas andra principer, som innebär att det kommer in helt nya områden som vanligtvis inte används för den aktuella uppgiften. Jag berättade inledningsvis att vi har synområdet längst bak i hjärnan, i nackloben (occipitalloben). Man har med funktionell hjärnavbildning studerat en patient med en stroke som påverkade höger motorområde. Personen fick utföra handrörelser liggande i FMRI-kameran med stängda ögon: Sätta tummen mot vart och ett av fingrarna i några omgångar, se Figur 6. När patienten utförde den här uppgiften med vänster hand, som alltså styrs av det skadade området, såg man ökad aktivitet i synområdena, som i den friska hjärnan inte alls aktiveras för en motorisk uppgift med stängda ögon. I vanliga fall används ju den här regionen av hjärnan när vi tittar på saker och ting. Det finns intressant nog andra data som tyder på att det här också kan vara en ganska generell princip för anpassning av hjärnan: Man har studerat aktiviteten i hjärnan hos blinda personer som läser blindskrift (braille). Personerna var antingen födda blinda eller hade blivit blinda väldigt tidigt i livet. Braille är alltså en taktil form av läsning, man tar in informationen till hjär- 43

nan via känseln, men också hos dessa patienter aktiveras synregioner då de läser med händerna. Neurovetenskapliga studier visar att den där aktiveringen är funktionellt viktig för dessa personer: Om man stör processandet i synområdet försämras braille-läsningen. En modell för återhämtning Mot den här bakgrunden, kan man tänka sig någon form av modell för hur hjärnan anpassar sig efter stroke eller efter skada? Anpassningen går sannolikt i flera stadier: 1. Återhämtning i det faktiska skadeområdet. 2. Aktivering av intakta inom-systemområden områden som används då man först lär sig en uppgift (anpassning som åter-inlärning) 3. Aktivering av utom-systemområden områden som vanligen inte aktiveras av uppgiften (anpassning som ny-inlärning) Först sker alltså en återhämtning i det faktiska skadeområdet. Proppar löses upp, de inflammatoriska processer som satts igång av skadan minskar i intensitet. Det är ett väldigt viktigt skede. Medicinering och annat kan påverka hur framgångsrikt man återhämtar sig efter en stroke. Sedan kan vi ha ett andra stadium då man aktiverar områden som delvis kan vara inblandade för att lösa uppgiften, t.ex. de områden man använder då man först lär sig den. Både för motoriken och för verbgenereringen gällde ju att första gången aktiveras många områden i hjärnan, men sedan man har tränat lite blir områdena mer specialiserade. Efter stroke skulle de områden som man använder tidigt då man först lär sig något aktiveras på nytt. I den meningen skulle anpassningen kunna ses som en återinlärning. Man börjar om på nytt men man är i det relevanta systemet. Tidsskalan här verkar väl vara uppemot en månad efter skadetillfället. Om hela det relevanta hjärnområdet är skadat eller påverkat kan, som det verkar, hjärnan i sista hand ta till områden som annars inte aktiveras för uppgiften. Ni såg exemplet med aktivering av synområden för motoriska uppgifter. Här skulle anpassningen kunna ses som en nyinlärning. Man måste börja om från början. De få observationer som stödjer den typen av anpassning indikerar att det tar betydigt längre tid, åtminstone sex månader eller mera. Alltså kanske det är så att hjärnan, precis som ett kreativt barn, kan färglägga utanför givna gränser när det behövs. 44

Sverker Olofsson: Jag känner att när man lyssnar på dig sitter man och smygkollar om man hänger med. Det här är ju väldigt intressant. Man har ju läst att man kan ta en blodåder från benet och använda den i hjärtat t.ex. Här skissar du alltså en framtid där man vid skador kan lägga uppgiften på en annan del av hjärnan? Lars Nyberg: Ja, inom vissa gränser verkar det kunna fungera på det sättet. De som tidigt i livet blivit blinda verkar kanske ha störst förmåga att använda den typen av omorganisering. Kanske är det så att hjärnan är mest möjlig att omorganisera tidigt i livet, men strokedata tyder på att vi ändå har en viss kapacitet till omorganisering genom hela livet. Att hjärnan är plastisk är en nödvändig förutsättning för att vi ska kunna fortsätta att lära och leva livet ut. Sverker Olofsson: Men för alla som har eller kommer att få en stroke och ser hjärnans kapacitet till anpassning som en möjlighet, kan den här anpassningen påskyndas med medicinska insatser? Lars Nyberg: Snabb och korrekt medicinering påverkar framför allt det första steget. Sedan kan de arbetsterapeutiska insatser som Birgitta Bernspång berättade om påverka stadierna två och tre. Med riktade träningsinsatser kan man kanske hjälpa personer att åstadkomma den här typen av omorganisering i hjärnan. Det vet vi lite om, men studierna pekar i alla fall på möjligheter. Sverker Olofsson: Men, om vi inte ställer några som helst krav på medicinska belägg, skulle en person som sitter riktigt illa till med en stroke rent hypotetiskt i framtiden kunna lasta över det som är förstört i hjärnan på en annan del och kunna leva ett rätt så normalt liv? Lars Nyberg: Hjärnområden kan ju faktiskt ha blivit permanent skadade av stroken, så det är väl tveksam om tillvaron kan helt normaliseras, men däremot tror jag på att det ska bli möjligt att kompensera för och reducera nedsättningar och få tillbaka delar av funktionaliteten. 45