Forfattere
For over 100 år siden beskrev nobelprisvinderen Ramon y Cajal for første gang strukturer kaldet dendritiske pigge, som sidder på overfladen af hjerneceller. Siden da har forskere forsøgt at forstå, hvad dendritiske pigge er, og hvordan de fungerer i hjernen. Selv med den nyeste teknologi er det meget vanskeligt at forske i dendritiske pigge, fordi de er så små – en dendritisk pig er omkring 1/1.000 af en millimeter, og der er tusindvis af dem på overfladen af de fleste nerveceller i hjernen. Da dendritiske pigge hurtigt kan ændre form og størrelse, har nogle forskere foreslået, at de er de strukturer i hjernen, hvor minder skabes og lagres. Denne hypotese er baseret på hundredvis af undersøgelser, der viser, at dannelsen af en hukommelse får de dendritiske pigge til at undergå store ændringer i antal, størrelse og form. Hvis man forhindrer de dendritiske pigge i at ændre sig, kan man også forhindre, at der dannes minder. Der er dog stadig lang vej igen, før vi kan identificere præcis, hvor minderne opbevares i hjernen. Fremtidige studier kan hjælpe os med at besvare denne fascinerende gåde.
For omkring 130 år siden blev der udviklet kraftige mikroskoper, som gjorde det muligt for forskere at se hjerneceller, kaldet neuroner, i flere detaljer. På det tidspunkt opdagede den spanske forsker Ramon y Cajal, at membranen, eller den ydre beklædning, af hjernens neuroner ikke var så glat, som forskerne tidligere havde troet. Han opdagede, at hjernens neuroner har tusindvis af små udvækster, der hver er omkring 1/1.000 millimeter lange, og som nu kaldes dendritic spines. For dette arbejde modtog Ramon y Cajal Nobelprisen i fysiologi eller medicin i 1906.
Siden da har vi lært enormt meget om dendritiske pigge. Det meste af det, vi ved, understøtter idéen om, at disse pigge er et af de vigtigste steder i hjernen, hvor minder skabes og lagres [1]. Denne artikel vil forklare, underbygge og uddybe denne hypotese.
Lad os begynde med at beskrive delene af den dendritiske rygsøjle. En dendritisk spine ligner en champignon (figur 1) med et stort hoved og en tynd hals. Hovedet er det sted, hvor to neuroner forbindes og udveksler information, et område kaldet synapse. Hovedet indeholder alle de komponenter, neuronet skal bruge for at modtage information fra andre celler, herunder molekyler på overfladen kaldet receptorer, som kan binde til stoffer kaldet neurotransmittere, der transporterer signaler mellem neuroner; og stoffer, der kontrollerer antallet af receptorer og deres aktivitet.
Den dendritiske rygs hals kan være meget tynd – ca. 1/10 af hovedets tykkelse eller ca. 1/2000 af en millimeter. En af halsens funktioner er at opretholde forholdet mellem neuronet og andre celler i det neurale netværk ved at regulere bevægelsen af stoffer ind og ud af hovedet. Som et resultat af denne regulering ændrer neuronet den måde, det reagerer på stimuli.
Ifølge et skøn er der mellem 300-400 forskellige typer af stoffer, der går ind og ud af dendritiske pigge gennem deres halse, nogle på meget kort tid. Bevægelsen af nogle af disse stoffer kan kontrolleres med molekylære værktøjer eller med visse lægemidler. Ved at kontrollere passagen af disse stoffer kan man ændre størrelsen og formen på den dendritiske rygsøjle. Det er også muligt at kontrollere den dendritiske rygs evne til at sende og modtage elektriske signaler, som er en af de måder, neuroner kommunikerer på, men på grund af den dendritiske rygs lille størrelse kan vi ikke måle deres elektriske aktiviteter direkte eller pålideligt med de metoder, vi har i dag. Dette måleproblem gør det svært for forskerne at afgøre, hvilken rolle halsen spiller i overførslen af beskeder fra den dendritiske rygs hoved til neuronet.
Calcium er et vigtigt stof, der findes i små mængder i dendritiske pigge. Ud over calciums mange roller i kroppen, og især i neuroner, er det også ansvarligt for aktivering af enzymer, (biologiske molekyler, der får reaktioner til at ske lettere), der igangsætter overførslen af beskeder fra en neuron til en anden. Der findes sofistikerede laboratorieredskaber, som gør det muligt for os at måle mængden af calcium i neuroner og i deres dendritiske rygsøjler. Disse målinger kan hjælpe os med at lære om, hvordan hovedet og nakken af rygsøjlen kommunikerer, og kan give os et ret præcist billede af, hvordan dendritiske rygsøjler ændrer deres form og funktion.
Ideen om, at dendritiske pigge er forbundet med læring og hukommelse, er blevet testet i en række eksperimenter, hvor man har sporet ændringer i strukturen af dendritiske pigge i hjernen på laboratorierotter og i hjerneskiver. I disse eksperimenter kiggede forskerne på piggene før og efter eksponering for elektrisk stimulation. Den elektriske stimulering forårsagede et fænomen, der kaldes long-term potentiation (LTP), som udtrykkes som en stigning i neuronets respons på elektrisk stimulation, og som genereres langs det dendritiske træ (se figur 1). I løbet af de sidste 50 år er LTP blevet undersøgt i tusindvis af eksperimenter, hvor man har kigget på hele hjernen, hjerneskiver og hjerneceller dyrket i laboratoriet. I en nøddeskal viste disse eksperimenter, at hjernen bruger en LTP-lignende mekanisme til at generere hukommelse, og hvis denne mekanisme deaktiveres, forsvinder hukommelsen eller kan ikke erhverves. Vores fund af LTP i dendritiske pigge efter elektrisk stimulation fortæller os således, at pigge spiller en vigtig rolle i synaptisk plasticitet. På samme måde kan en reduktion i synaptisk aktivitet føre til en proces med Long-Term Depression (LTD), hvorved dendritiske pigge, der ikke er aktiveret, kan skrumpe og miste deres synaptiske partner (f.eks. figur 2, nederste linje).
Da forskerne kiggede på en enkelt dendritisk rygsøjle, da den blev udsat for elektrisk stimulation, opdagede de, at der i løbet af en brøkdel af et sekund sker en massiv oversvømmelse af calciumioner ind i rygsøjlen. Som et resultat kan hovedet af rygsøjlen svulme op til 3-4 gange sin oprindelige størrelse. Umiddelbart efter sker der en strøm af neurotransmittere til receptorer i rygsøjlens hoved, hvilket øger rygsøjlens respons på den elektriske stimulering (figur 2). Denne ændring resulterer på et senere tidspunkt, i en proces, der varer fra minutter til timer, i dannelsen af nye dendritiske pigge. Disse nye pigge skaber en stærkere forbindelse mellem cellerne. Med andre ord er læring i hjernen både baseret på en ændring i responsstyrken i de dendritiske pigge og på dannelsen af nye pigge. På den måde strammes forbindelsen mellem de celler, der udgør hukommelsen i det neurale netværk.
En anden måde at forstå forholdet mellem læring og ændringer i dendritiske rygsøjler er at se på, hvordan rygsøjlerne ændrer sig hos et voksent dyr, når det bliver ældre. Som vi ved, falder hukommelsen gradvist, når voksne mennesker bliver ældre. Denne proces er ikke den samme for alle: Nogle ældre mennesker oplever et kraftigt fald i hukommelsen, mens andre kun har et moderat fald. Dette fald i hjernefunktioner, herunder hukommelse, er kendt som kognitiv tilbagegang. Et lignende fænomen forekommer også hos forsøgsdyr. Undersøgelser har identificeret en sammenhæng mellem kognitiv tilbagegang og antallet af dendritiske pigge i hjernen hos forsøgsrotter. Det vil sige, at når rotternes hukommelsestab stiger, falder antallet af pigge i deres neuroner også. Det betyder ikke, at faldet i antallet af pigge forårsager kognitiv tilbagegang, men kun at der er en positiv korrelation mellem de to observationer. Yderligere undersøgelser er nødvendige for at bekræfte og forstå disse resultater fuldt ud.
Et andet område, hvor der er sket interessante fremskridt i studiet af dendritiske pigge, er i forbindelse med sygdomme i nervesystemet. I et af de første studier om dette emne undersøgte forskere neuroner i hjernen hos patienter med fragilt X-syndrom [2], en sygdom, der forårsager forskellige grader af mentale handicap, autisme og kommunikationsforstyrrelser (blandt andet). Det viste sig, at de dendritiske pigge ikke er fuldt udviklede i hjernen hos mennesker med dette syndrom.
Mens disse undersøgelser fokuserer på at forstå forholdet mellem hjernens handicap og strukturen af dendritiske rygsøjler, kan de ikke forklare den proces, der forårsager handicappet. For fuldt ud at forstå forholdet mellem defekte dendritiske rygsøjler og problemer med hjernens funktion, skal vi være i stand til at løse problemet, hvilket vi endnu ikke har [3].
At forstå strukturen og funktionen af dendritiske pigge i hjernen er meget vigtigt, men også meget udfordrende. For det første gør den lille størrelse af de dendritiske pigge dem vanskelige at få adgang til, og i hver neuron er der titusinder af sådanne pigge. For det andet er der mange slags dendritiske pigge, og det er endnu ikke klart, hvilken rolle de enkelte typer spiller. Derudover er der det store, ubesvarede spørgsmål om identiteten af hukommelses-“enheden” i hjernen, og hvordan den fungerer: Ligger hukommelsen i en enkelt dendritisk rygsøjle, en enkelt celle eller en gruppe af celler, der er forbundet med hinanden i et neuralt netværk? Forskerne vil kun kunne svare på dette, hvis de kan lokalisere en bestemt hukommelse (f.eks. bogstavet A) i hjernen; ved at beskadige den dendritiske rygsøjle/cellen/det neurale netværk for at se, om kun den specifikke hukommelse går tabt – ikke nogen anden hukommelse eller funktion. Hvis vi kan forstå, hvordan strukturen og funktionen af en individuel dendritisk rygsøjle hænger sammen med hele hjernens funktion, vil vi måske også være i stand til at reparere bestemte rygsøjler for at genoprette hukommelsen og behandle hukommelsesrelaterede sygdomme som Alzheimers sygdom. Fremtidige generationer af neuroforskere vil stå over for disse udfordringer – måske vil du være en af dem?
Neuron: Den elementære enhed i hjernen. Den indeholder den modtagende ende (pigge og dendritter), den transmitterende ende (axon) og den centrale del, soma, der styrer hele enhedens aktivitet.
Dendritisk rygsøjle: En lille struktur overfor en præsynaptisk terminal (ende), som modtager input fra den præsynaptiske celle og styrer informationsstrømmen mellem de to celler.
Synapse: Forbindelsen mellem to neuroner, hvor beskeder overføres mellem cellerne.
Neurotransmitter: Et kemisk stof, der passerer gennem synapsen mellem neuroner og overfører signaler mellem dem.
Neuronalt netværk: En række neuroner, der er forbundet i et netværk, som modtager information fra andre netværk, modificerer informationen og sender den videre til andre netværk. Et netværk kan bestå af snesevis til millioner af neuroner, som deler information i et bestemt område af hjernen.
Enzym: Et protein, der produceres af levende celler, og som hjælper med at starte en kemisk reaktion eller proces.
Langtidspotentiering (LTP): Langvarig forstærkning af et elektrisk signal langs en neuron i hjernen, som styrker forbindelsen mellem naboneuroner.
Langtidsdepression (LTD): En tilstand modsat LTP, hvor forbindelsen mellem to neuroner svækkes, hvilket fører til tab af konnektivitet og i sidste ende tab af hukommelse.
[1] Sala, C., og Segal M. 2014. Dendritiske pigge: stedet for strukturel og funktionel plasticitet. Physiol. Rev. 94:141-88. doi: 10.1152/physrev.00012.2013
[2] Telias, M. Yanovsky L., Segal, M., og Ben-Yosef, D. 2015. Funktionelle mangler i skrøbelige X-neuroner afledt af humane embryonale stamceller. J. Neurosci. 35:15295-306. doi: 10.1523/JNEUROSCI.0317-15.2015
[3] Bock, J., Weinstock T., Braun, K., og Segal M. 2015. Stress i livmoderen: Prænatal programmering af hjernens plasticitet og kognition. Biol. Psychiatry. 78:315-26. doi: 10.1016/j.biopsych.2015.02.036
Mennesker har lavet musik i titusinder af år. Men hvad sker der i din hjerne, når du lytter til dit yndlingsband eller din yndlingsmusiker? I denne artikel følger du lydens rejse fra ørerne til hjernen, hvor forskellige områder arbejder sammen, mens du lytter til musik. Musik involverer mange hjernefunktioner, såsom lydbehandling, hukommelse, følelser og bevægelse. Du vil også opdage, at hjernen kan lære at genkende velkendte mønstre i musik, hvilket kan hjælpe med at forklare, hvorfor musik kan gøre os glade, triste eller endda ophidsede. Til sidst vil du udforske, hvad der sker i musikeres hjerner, når de spiller på deres instrumenter.
…
Kunstig intelligens (AI) systemer bliver ofte rost for deres imponerende præstationer inden for en lang række opgaver. Men mange af disse succeser skjuler et fælles problem: AI tager ofte genveje. I stedet for virkelig at lære, hvordan man udfører en opgave, bemærker den måske bare enkle mønstre i de eksempler, den har fået. For eksempel kan en AI, der er trænet til at genkende dyr på fotos, stole på baggrunden i stedet for selve dyret. Nogle gange kan disse genveje føre til alvorlige fejl, såsom en diagnose fr , der er baseret på hospitalsmærker i stedet for patientdata. Disse fejl opstår selv i avancerede systemer, der er trænet på millioner af eksempler. At forstå, hvordan og hvorfor AI tager genveje, kan hjælpe forskere med at designe bedre træningsmetoder og undgå skjulte fejl. For at gøre AI mere sikker og pålidelig skal vi hjælpe den med at udvikle en reel forståelse af opgaven – ikke bare gætte ud fra mønstre, der har fungeret tidligere.
…
Er du nogensinde faldet og slået hovedet, mens du legede? Følte du dig lidt svimmel og havde ondt i hovedet? Hvis ja, kan du have fået en hjernerystelse! Hjernerystelser kan ske hvor som helst. De kan ske under sport, når du leger med dine venner eller endda når du cykler med dine forældre. Det kan være svært at vide, om du har fået en hjernerystelse. Mange børn og forældre er ikke sikre på, hvad de skal gøre, hvis nogen får en hjernerystelse. Læger og forskere ved, at det hjælper dig med at komme dig hurtigere, hvis du gør det rigtige efter en hjernerystelse. Denne artikel forklarer, hvad en hjernerystelse er. Den hjælper dig med at se, om du eller en ven har fået en hjernerystelse, og fortæller dig, hvad du skal gøre, hvis du nogensinde får en hjernerystelse.
…
Hjertet er en meget vigtig muskel, der arbejder uafbrudt for at pumpe blod og levere vigtige næringsstoffer og ilt til alle dele af kroppen. Denne artikel ser på, hvordan hjertet fungerer normalt, og hvad der sker, når det fungerer unormalt, som det er tilfældet med en tilstand kaldet atrieflimren (AF). AF er en almindelig tilstand, der opstår, når hjertet slår uregelmæssigt og ude af takt. AF kan øge en persons risiko for at udvikle alvorlige problemer som hjertesvigt eller slagtilfælde. Denne artikel ser også på, hvordan AF kan diagnosticeres, hvad der forårsager AF, og de forskellige måder, det kan behandles på.
…