I flere tiår har nevrovitenskapelige studier undersøkt hjernen ved å be mennesker ligge helt stille i en skanner og utføre nøye kontrollerte oppgaver. Metoden har gitt viktig kunnskap om hvordan hjernen fungerer, men forskerne mener den ikke alltid gjenspeiler sentrale sider ved hverdagen.

Det virkelige livet består ikke av en rekke separate og uavhengige oppgaver. Mennesker tar hele tiden inn informasjon, lager forutsigelser, tar beslutninger, handler i omgivelsene og endrer atferd når resultatet blir annerledes enn forventet. Forskere ved Western University vil nå utvikle en metode som i større grad tar høyde for denne kompleksiteten.

Jörn Diedrichsen og Jody Culham leder deler av et internasjonalt arbeid der forsøkspersoner skal spille videospill mens de undersøkes med funksjonell magnetresonans, kjent som fMRI. Skanningen måler endringer i blodstrømmen i hjernen og brukes til å følge hjerneaktivitet over tid.

Spill gir en kontinuerlig handlingssløyfe

Arbeidet er en del av Digital Brain Project, et omfattende internasjonalt forskningsprosjekt støttet av teknologiselskapet Meta. Målet er å bygge et stort, offentlig delt datasett over menneskelig hjerneaktivitet.

Forskningsinstitusjoner fra flere deler av verden deltar, blant dem Western University. Forskerne ønsker å undersøke hvordan hjernen fungerer på tvers av et langt bredere spekter av kognitive tilstander enn det som vanligvis fanges opp i bildeundersøkelser av hjernen.

Diedrichsen har i flere år utviklet metoder for å kartlegge hjerneaktivitet under mange forskjellige oppgaver. Laboratoriet hans har laget mer enn 60 oppgavesett som kan gjennomføres under fMRI-skanning. Dermed kan den samme personen undersøkes i mange ulike tilstander, i stedet for at forskerne hovedsakelig baserer seg på skanninger i hvile eller ett enkelt, isolert eksperiment.

«Se for deg hjerneaktivitet som et enormt landskap. Når som helst befinner hjernen seg et sted i dette landskapet, men ulike opplevelser, beslutninger og handlinger flytter deg til andre steder», sa Diedrichsen, som er professor i informatikk.

Hviletilstands-fMRI kan vise spontane svingninger i hjerneaktiviteten, men forskerne har begrenset kontroll over hvilken del av dette «landskapet» hjernen befinner seg i. Diedrichsens metode med mange ulike oppgaver er laget for å dekke et langt større område av hjerneaktiviteten.

Culhams laboratorium har på sin side undersøkt hvordan hjernen reagerer når mennesker aktivt samhandler med omgivelser som endrer seg. Videospill gjør det mulig å kombinere de to tilnærmingene i ett prosjekt.

«Når en person spiller et spill som Pac-Man, lager han eller hun hele tiden forutsigelser. Et spøkelse nærmer seg, og spilleren endrer retning. Spilleren beveger kontrollen, Pac-Man reagerer, omgivelsene endrer seg, og spilleren oppdaterer umiddelbart planen sin», sa Culham, som leder en kanadisk forskningsstol innen oppslukende nevrovitenskap og er professor i psykologi.

Dette er en kontinuerlig sløyfe av forutsigelser, handlinger og tilbakemeldinger. Den skiller seg fra en situasjon der en forsøksperson bare blir bedt om å se på et bilde og trykke på en knapp for å angi hva han eller hun ser.

I tidligere arbeid sammenlignet Culhams laboratorium personer som spilte Pac-Man, med personer som bare så på spillet. En tredje gruppe beveget kontrollen, men påvirket ikke det som skjedde i spillet. Den sanselige opplevelsen og de fysiske bevegelsene kunne være lignende, men forholdet mellom spilleren og omgivelsene var helt forskjellig.

Forskerne omtaler prosessen som en «lukket sløyfe» mellom mennesket og omgivelsene. De mener nettopp denne sløyfen kan være et av de viktigste elementene som mangler i tradisjonelle metoder for å studere hjernen.

Fra kognitive tester til 3D-spill

I den nye tilnærmingen skal deltakerne ikke bare gjennomføre en lang rekke tradisjonelle laboratorieoppgaver. Diedrichsen og Culham vil kombinere nøye utformede kognitive oppgaver med oppslukende videospill bygget rundt detaljerte 3D-miljøer og avatarer i førstepersonsperspektiv.

Et grunnsett med oppgaver skal beholdes for å gjøre dataene sammenlignbare. Det skal blant annet inneholde gokartløp, action- og byggespill, digitale gåter og kjøring med gokart. Etter hvert planlegger Digital Brain Project å legge til flere oppgaver og spillelementer.

«Å gjøre tradisjonelle oppgaver om til spill kan bli en bro mellom strategier som gjør det mulig å forstå godt undersøkte kognitive funksjoner, og strategier som har maksimal underholdning og deltakelse som mål», sa Culham.
«Det gir oss muligheten til å undersøke et langt bredere spekter av hjernetilstander, samtidig som vi registrerer hjernen når den forutsier, handler og tilpasser seg», sa hun.

Prosjektet starter samtidig som Western University oppgraderer noe av utstyret som skal brukes i forskningen. Universitetet investerer i en modernisert MRI-skanner på 7 tesla. Det kraftige systemet står ved Centre for Functional and Metabolic Mapping og kan lage bilder med betydelig høyere kvalitet enn tradisjonelle MRI-systemer.

Forskerne utvikler også en ny hodespole med 32 kanaler til Digital Brain Project. Den skal kunne forbedre innsamlingen av data fra dype hjernestrukturer, blant annet lillehjernen, thalamus og midthjernen. Dette er særlig viktig for Diedrichsen, som forsker på lillehjernen og forbindelsene mellom lillehjernen og hjernebarken.

«Tradisjonelt har vi sett på lillehjernen som hovedsakelig knyttet til bevegelse og koordinasjon, men det blir stadig tydeligere at den også deltar i forutsigelser og kognisjon. Det gjør lillehjernen til en svært interessant del av hjernen å studere når vi ser på hvordan mennesker samhandler med en verden i endring», sa Diedrichsen.

Større skjerm skal gjøre skanningen mer oppslukende

Den oppgraderte skanneren skal også få en langt større visuell skjerm. Det vil gjøre det mulig å lage mer oppslukende miljøer for personer som ligger inne i skanneren.

Forskerne arbeider med 3D-skjermer som kan gi inntrykk av at deltakeren befinner seg i spillverdenen, selv om personen fysisk fortsatt ligger fast i MRI-maskinen. På den måten håper de å bringe mer av den aktive samhandlingen fra hverdagen inn i laboratoriet.

Et bredere mål med prosjektet er å gå bort fra ideen om «den gjennomsnittlige» menneskehjernen. Hjernenes oppbygning og funksjon kan variere betydelig fra person til person, særlig i områder som er involvert i komplekse handlinger og tenkning.

Diedrichsen vil derfor samle detaljerte data om enkeltpersoner ved å teste dem i mange forskjellige aktiviteter.

«Hvis du tar et bilde av en skog og legger alle bildene av trærne oppå hverandre, får du et svært uklart bilde av hvordan et tre faktisk ser ut: brunt nederst og grønt øverst», sa Diedrichsen.
«Det samme skjer når vi slår sammen hjerner til et gjennomsnittsbilde. Vi ønsker å forstå individuelle hjerner langt mer detaljert», sa han.

En slik grundig kartlegging av enkeltpersoner kan på sikt hjelpe forskerne med å forstå hvorfor menneskehjerner er organisert forskjellig, og hvordan forskjellene kan påvirke atferd. Det nærmeste målet er likevel å bygge et stort datasett av høy kvalitet som forskere over hele verden kan bruke.

Dataene skal deles offentlig til ikke-kommersielle forskningsformål. Forskerne håper at datasettet kan brukes til å stille nye spørsmål og ta i bruk analysemetoder som ennå ikke er utviklet.

Kunstig intelligens skal også inngå i forsøket

Kunstig intelligens skal ikke bare brukes i den videre analysen av prosjektets data. Den skal også være en del av selve eksperimentet.

«Kunstig intelligens er bare så god som dataene du gir den. Hvis du ikke har gode data, starter du med søppel», sa Diedrichsen.

Forskerne skal utvikle kunstige systemer som kan lære kognitive oppgaver og spille enkle spill. Ved å følge hvordan systemene lærer å orientere seg, lage forutsigelser og ta beslutninger, håper forskerne å undersøke mulige løsninger på problemer som biologiske hjerner møter.

Diedrichsen beskriver slike systemer som en «intuisjonspumpe» – et verktøy som kan hjelpe forskere med å tenke rundt hvordan komplekse systemer fungerer.

Forskerne foreslår ikke å avskaffe fMRI i hvile eller tradisjonelle oppgavebaserte eksperimenter. Videospilltilnærmingen skal i stedet åpne en annen del av hjernens funksjonelle landskap – en del som har vært vanskelig å nå med forsøk bygget rundt isolerte spørsmål og strengt kontrollerte svar.

«Vi prøver å studere hjernen nøye slik den faktisk fungerer. Videospill gir oss muligheten til å bringe noe av denne opplevelsen inn i skanneren og begynne å spørre hva hjernen gjør når en person er engasjert i verden», sa Culham.