Forfattere
Hjernen er kontrolcentret for alle vores tanker og handlinger. Har du nogensinde undret dig over, præcis hvordan din hjerne arbejder, når du løber, hopper og leger? For at se ind i den arbejdende hjerne bruger forskere en kombination af højteknologiske mikroskoper, lasere og genteknologi, som giver dem mulighed for direkte at se cellerne i hjernen – de såkaldte neuroner. Forskerne kan få neuronerne til at lyse, når de bliver aktive, hvilket fortæller forskerne, at neuronerne sender information til hinanden i store netværk. På denne måde optager neuronerne information fra omgivelserne og bruger den til at planlægge dit næste træk. Vi vil diskutere den biologi, fysik og de virtuelle værktøjer, som forskerne bruger til direkte at undersøge neuronernes aktivitet i musenes hjerner. Resultaterne fra disse eksperimenter hjælper forskerne med at forstå, hvordan neuroner arbejder sammen, hvordan de hjælper os med at lære og huske, og hvad der går galt i sygdomme, der påvirker hjernen.
Den menneskelige hjerne består af mange små strukturer, der kaldes celler. Den mest almindelige celletype i hjernen kaldes neuron. Neuroner er som små maskiner, der holder hjernen i gang og gør det muligt for os at se, tænke, planlægge vores bevægelser og endda læse denne sætning! Vores hjerner har over 86 milliarder neuroner – så mange dele, der arbejder sammen for at give os mulighed for at interagere med verden omkring os. Neuroner danner forbindelser med hinanden, så de kan kommunikere og videregive vigtig information til deres naboer. Disse forbindelser skaber komplekse netværk, som hver især har specifikke funktioner. For at genkende en blomst ser man den f.eks. først med øjnene, derefter bearbejder visse neuroner i hjernen information om dens form og farve, og disse neuroner deler denne information gennem et netværk med andre neuroner, der bearbejder yderligere information om, hvordan blomsten dufter. Neuroner i hukommelsesnetværk undersøger, om du har set denne blomst før. Tilsammen danner disse neuroner et genkendelsesnetværk og gør det muligt for dig at afgøre, at blomsten f.eks. er en tusindfryd. På samme måde er der netværk, der guider dig gennem verden som et kort, der hjælper dig med at løbe og hoppe, og som lader dig regne ud, at 2 + 2 = 4!
Neuroner kan videregive information ved hjælp af styrken og timingen af små elektriske strømme, der flyder gennem dem. For at skabe disse elektriske strømme bruger neuroner elektrisk ladede ioner, som er nogle af de mindste og mest basale byggesten i universet. En vigtig ion for neuroner er calcium, som kan strømme ind i neuronen gennem små åbninger kaldet ionkanaler. Når der strømmer nok calcium og andre ioner ind i neuronet, siger vi, at neuronet er “aktiveret” – ligesom når man tænder et lys. Aktiverede neuroner kan sende kemiske beskeder til andre neuroner gennem små kontakter mellem dem, kaldet synapser(figur 1). En kemisk besked kan fortælle den næste neuron, at den skal komme i gang med at sende flere beskeder videre, hurtigere! Det gør de andre neuroner meget ophidsede og producerer mere elektrisk aktivitet. En anden kemisk besked kan fortælle den samme neuron, at den skal stoppe med det, den er i gang med; det hæmmer den elektriske aktivitet, og neuronen bliver stille i et stykke tid. Al denne meddelelsesaktivitet foregår konstant i din hjerne – neuronerne er en meget aktiv flok. For at se, hvornår neuroner er aktiverede, bruger forskere små molekyler, der kan mærke calciumioner og derefter begynder at lyse – de kaldes calciumsensorer. (figur 1) [1]. En måde at få kalciumsensorer ind i en neuron er ved hjælp af genteknologi til at ændre DNA’et. Da en calciumsensor består af flere proteiner, kan forskerne tilføje tegningerne af disse proteiner til et dyrs DNA for at skabe mus, hvor calciumsensorer er til stede i specifikke typer af neuroner. Disse mus er ellers ligesom normale mus, bortset fra at calciumsensoren i hver neuron har et grønt fluorescerende protein, der kan lyse, når det binder til calciumioner, hvis der tilføres en smule energi ved at skinne laserlys på neuronerne. Det glødende kompleks absorberer først energien fra lyset og mister derefter hurtigt denne energi ved at udsende sit eget lys – deraf gløden. Når neuronet aktiveres, sker denne glødeproces meget hurtigt, inden for en brøkdel af et sekund, og den varer, indtil neuronet bliver inaktivt igen. Når neuronet er inaktivt, bliver det mørkt og er ikke længere synligt. Ved at se ændringerne i de lysende neuroner over tid, kan vi følge neuronernes kommunikation i deres netværk.
For direkte at observere de lysende neuroner i hjernen bruger vi et to-foton-mikroskop. Der er tre vigtige tekniske detaljer, som gør det muligt at se direkte ind i hjernen (figur 2). For det første har et to-foton-mikroskop en særlig laser, og dens laserstråle giver energi til calciumsensorerne, så de lyser, når de binder sig til calciumioner. Laserstrålen rettes af spejle og glaslinser mod den næstvigtigste del af mikroskopet: objektivet. Objektivet forstørrer de bittesmå neuroner, som hver især er omkring 10 μm store (0,01 mm). Forstørrelsen er normalt omkring 20 gange højere end med det blotte øje. Objektivet fokuserer laserstrålen ind i musehjernen, så kalciumsensoren kan lyse, og det opsamler også det udsendte (lysende) lys og leder det til den tredje vigtigste del af mikroskopet: detektoren. Detektoren kaldes et fotomultiplikatorrør, og den forstærker det udsendte lys fra neuronerne og omdanner det til et signal, ligesom et live-kamera. Når vi har lavet et lille glasvindue ind i musens hjerne, kan vi se en video af de aktiverede neuroner, der blinker til og fra via en tilsluttet computerskærm, og vi kan også optage dem. Vi kan analysere disse videoer for at få et signal for hver neuron over tid, så vi kan forstå neuronens aktivitetsmønster, og hvordan neuronerne kommunikerer i deres netværk.
Denne teknik, kaldet to-foton calcium imaging, gør det muligt for os at observere, hvad der sker i hjernen på mus, mens de udfører bestemte opgaver [2]. Sådanne eksperimenter kan hjælpe os med at forstå, hvad der kan gå galt i visse hjernesygdomme, og det kan også hjælpe os med at forstå den rolle, som specifikke neuroner spiller i forskellige adfærdsmønstre. For eksempel er en af opgaverne i vores eksperimenter, at musene skal navigere gennem en labyrint (figur 3A). Denne labyrint er en del af et virtual reality-system, som dyrene styrer med deres bevægelser. Det er dybest set en lille biograf for musene, som består af flere skærme, der omgiver dyret. For at bevæge sig og navigere gennem labyrinten skal musene bruge en løbebold som controller, ligesom når man løber på et løbebånd. Løbebolden flyder på trykluft, så dyret kan løbe fremad, baglæns, til venstre, til højre, ligeud eller i cirkler. Boldens bevægelse behandles af en computer, som derefter oversætter denne bevægelse til musens position i den virtuelle labyrint [3]. Så ligesom i et virtual reality-videospil navigerer musen gennem det virtuelle miljø, når den bevæger sig.
For at finde vej ud af labyrinten skal musene bruge bestemte områder i hjernen til at opfatte miljøet og navigere gennem det (figur 3B) [4]. Først aktiveres neuroner i det visuelle system, så de kan se labyrinten, farverne og kanterne på væggene. Det vigtigste hjerneområde til behandling af visuel information er den primære visuelle cortex. Hvis der er lyde i den virtuelle labyrint, er neuroner i den auditive cortex involveret. Fornemmelsen af at røre bolden, når musen løber gennem labyrinten, formidles af den somatosensoriske cortex. For det andet er de neuroner, der aktiveres til planlægning, kontrol og udførelse af dyrets faktiske bevægelser, placeret i den motoriske cortex og den præfrontale cortex. Al denne sensoriske og motoriske information skal også kombineres, og dette involverer neuroner i associationsregioner, såsom posterior-parietal cortex. Endelig, for at musen kan vide præcis, hvor den er i labyrinten, vil neuroner i regioner som retrosplenial cortex blive aktiveret [5]. Derfor arbejder sensoriske, motoriske og associative netværk alle sammen og sender løbende beskeder frem og tilbage til hinanden, så musen kan finde vej gennem labyrinten. Mennesker bruger også de samme generelle sensoriske, motoriske og associative hjernenetværk til at navigere sig gennem den virkelige verden hver dag.
Ved hjælp af to-foton billeddannelse og relaterede teknikker kan forskere bogstaveligt talt se aktiviteten af neuroner og neuronale netværk i hjernen, mens dyrene er i aktion. Biologien, fysikken og det eksperimentelle design bag denne tilgang er kompleks, men det er hjernen også! Ved hjælp af detaljerede analyser af de neuronale aktivitetsmønstre, der indsamles ved hjælp af disse teknikker, kan forskere undersøge en række spørgsmål om, hvordan hjernen fungerer. For eksempel: “Hvordan navigerer vi gennem vores omgivelser?”, “Hvad er bidraget fra hver af vores sanser?”, “Hvordan dannes erindringer om omgivelserne i disse netværk?” og “Hvordan forstyrrer sygdomme, der påvirker neuroner, disse netværk?” Disse spørgsmål omfatter også aspekter af læring, glemsel, opmærksomhed, aldring og sygdom – alt sammen vigtigt i vores daglige liv og alt sammen styret af de milliarder af små neuroner i vores hjerner, der arbejder sammen.
Neuron: En celletype, der findes i hjernen; de er de grundlæggende enheder, der udgør nervesystemet.
Ion: Er et positivt eller negativt elektrisk ladet molekyle.
Ionkanal: Er som en lille dør eller tunnel lavet af proteiner, der dannes i den ydre væg af en celle og bruges til at transportere ioner ind og ud af cellen.
Synapse: Specialiseret hul, der danner en forbindelse mellem to neuroner. Synapser gør det muligt for neuroner at sende signaler eller beskeder til hinanden, hvilket gør det muligt for vores hjerne at behandle information.
Kalciumsensor: En gruppe særlige proteiner, som forskere har konstrueret til at lyse, når calciumioner er i nærheden i en celle.
Genteknologi: Er en proces, hvor man ændrer generne (små informationsenheder) i en organisme.
To-foton-mikroskop: Et særligt mikroskop, der bruger fotoner (“pakker” af laserlys) til at se dybt ind i levende hjernevæv.
[1] Chen, T. W., Wardill, T. J., Sun, Y., Pulver, S. R., Renninger, S. L., Baohan, A., et al. 2013. Ultrafølsomme fluorescerende proteiner til billeddannelse af neuronal aktivitet. Nature 499:295-300. doi: 10.1038/nature12354
[2] Dombeck, D. A., Khabbaz, A. N., Collman, F., Adelman, T. L. og Tank, D. W. 2007. Billeddannelse af storskala neural aktivitet med cellulær opløsning i vågne, mobile mus. Neuron 56:43-57. doi: 10.1016/J.NEURON.2007.08.003
[3] Henschke, J. U., og Pakan, J. M. P. 2020. Disynaptiske cerebrocerebellare veje, der stammer fra flere funktionelt forskellige kortikale områder. Elife 9:1-27. doi: 10.7554/ELIFE.59148
[4] Wolbers, T., Hegarty, M., Büchel, C., og Loomis, J. M. 2008. Rumlig opdatering: hvordan hjernen holder styr på skiftende objektplaceringer under observatørbevægelse. Nat. Neurosci. 11:1223-1230. doi: 10.1038/nn.2189
[5] Sun, W., Choi, I., Stoyanov, S., Senkov, O., Ponimaskin, E., Winter, Y., et al. 2021. Opdatering af kontekstværdi og multidimensionel neuronal kodning i den retrospleniale cortex. Nat. Commun. 12:1-17. doi: 10.1038/s41467-021-26301-z
Når du læser disse ord, er hundredvis af millioner af nerveceller elektrisk og kemisk aktive i din hjerne. Denne aktivitet gør det muligt for dig at genkende ord, fornemme verden, lære, nyde og skabe nye ting og være nysgerrig på verden omkring dig. Faktisk er vores hjerner – Homo sapiens‘ – de mest fascinerende fysiske substanser, der nogensinde er opstået på jorden for ca. 200.000 år siden. Hjernen er så nysgerrig og ambitiøs, at den stræber efter at forstå sig selv og helbrede sine skrøbelige elementer, når den bliver syg. Men på trods af de seneste vigtige fremskridt inden for hjerneforskningen ved vi stadig ikke, hvordan vi skal lægge brikkerne i hjernens puslespil. Det er på grund af dette, at der for nylig er startet flere store hjerneforskningsprojekter rundt om i verden. Vi deltager i et af dem – Human Brain Project (HBP) [1]. Hovedformålet er systematisk at katalogisere alt, hvad vi ved om hjernen, at udvikle geniale eksperimentelle og teoretiske metoder til at undersøge hjernen og at sammensætte alt, hvad vi har lært, til en computermodel af hjernen. Alt dette er muligt, da vores hjerne selv har designet kraftfulde computere, internettet og sofistikerede matematik- og softwareværktøjer, som snart vil være kraftfulde nok til at modellere noget så komplekst som den menneskelige hjerne i computeren. Dette projekt vil give en ny og dybere forståelse af vores hjerne, hjælpe os med at udvikle bedre kure mod dens sygdomme og i sidste ende også lære os, hvordan vi kan bygge smartere, lærende computere. Det vigtige er, at vores hjerne kun har brug for et par måltider om dagen (og måske lidt ekstra slik) for at klare det hele – det er meget mere energieffektivt end selv en simpel computer. Lad os så fortælle dig historien om HBP.
…
Vidste du, at læger kigger på tusindvis af menneskers hjerner hver dag? På hospitaler over hele landet kigger vi ind i patienternes hjerner for at se, om noget er gået galt, så vi kan forstå, hvordan vi kan hjælpe med at behandle den enkelte patients tilstand. Hjerneafbildningsteknologi spiller en vigtig rolle i at hjælpe læger med at diagnosticere og behandle tilstande som hjerneskader . Bag kulisserne er der særlige kameraer, som giver os mulighed for at se dybt ind i patienternes hjerner hver dag.
…
Hjernen har fascineret os i umindelige tider. Nogle af de første seriøse diskussioner om den menneskelige hjerne startede i det gamle Egypten, hvor kongen af Alexandria tillod dissektioner af forbrydere i levende live for at studere menneskets anatomi [1]. De, der udførte dissektionerne, åbnede kranieknoglen og så hjernen i levende live. Da de skar gennem hjernen, opdagede de store rum inde i den. Disse rum var forbundet med hinanden som kamre i et hus. De var også fyldt med en unik, krystalklar væske, som vi nu kender som cerebrospinalvæske eller hjernevæske. De var så begejstrede for dette fund! De troede, at menneskelige sjæl befinder sig i disse væskefyldte kamre. De forsøgte at forstå, hvordan væsken bevæger sig på tværs af disse kamre, fordi de troede, at det kunne forklare, hvordan det menneskelige sind fungerer.
…
Vidste du, at den mad, du spiser, påvirker dit helbred? Vigtigst af alt kan det, du spiser, have en negativ effekt på det mest komplekse organ i din krop: din hjerne! Utroligt nok påvirker den mad, du spiser, neuronerne, som er de vigtigste celler i hjernen. I hjernen forårsager en usund kost, der er rig på fedt og sukker, betændelse i neuroner og hæmmer dannelsen af nye neuroner. Det kan påvirke den måde, hjernen fungerer på, og bidrage til hjernesygdomme som depression. På den anden side er en kost, der indeholder sunde næringsstoffer som f.eks. omega-3-fedtsyrer, gavnlig for hjernens sundhed. En sådan kost forbedrer dannelsen af neuroner og fører til forbedret tænkning, opmærksomhed og hukommelse. Alt i alt gør en sund kost hjernen glad, så vi bør alle være opmærksomme på, hvad vi spiser.
…Få inspiration og viden om praksis og cases, evidens og forskning, kurser, netværksmøder og vores Læringsplatform – alt sammen til at styrke din faglige udvikling.
Du kan til enhver tid trække dit samtykke tilbage ved at afmelde dig nyhedsmailen.
Du modtager om et øjeblik en e-mail med et link, hvor du bekræfter tilmeldingen.
Med venlig hilsen
MiLife
