Menu
Forfattere
Neuroner er hjerneceller, der kan repræsentere og lagre information, og de hjælper vores kroppe med at reagere på det, der sker omkring os. Hvordan bliver information repræsenteret, behandlet og lagret af neuroner? Hvilke neuroner aktiveres, når vi udfører en bestemt adfærd? Det er grundlæggende videnskabelige spørgsmål. En vigtig eksperimentel tilgang til at besvare disse spørgsmål er at registrere aktiviteten af neuroner inde i hjernen. I 2001 udviklede forskere en metode, der bruger lys og et fascinerende protein, som bliver stærkt fluorescerende, når neuronerne er aktive. Dette manipulerede protein, kaldet GCaMP, reagerer på mængden af calcium inde i neuronerne, idet calcium inde i en neuron stiger, når den er aktiv. GCaMP er nu almindeligt anvendt i laboratorier over hele verden til at studere neuroners aktivitet. I denne artikel forklarer vi, hvordan dette værktøj fungerer, og hvad der gør det så nyttigt til at studere hjernen.
Neuroner er hjerneceller, der kan lagre og overføre information ved hjælp af både elektriske og kemiske signaler. Neuroner kan “tale” med hinanden ved hjælp af kemiske stoffer kaldet neurotransmittere. Når en neuron aktiveres elektrisk, kan den frigive neurotransmittere, som bevæger sig til naboneuroner og påvirker deres aktivitet. Det elektriske signal, der udløser denne kommunikation, kaldes et aktionspotentiale. Aktionspotentialet er en afgørende komponent i kommunikationen mellem neuroner. Når et aktionspotentiale er igangsat, bevæger det sig langs neuronen og udløser frigivelsen af neurotransmittere til de omkringliggende neuroner [1].
Som alle andre celler i kroppen er neuroner omgivet af et lag, der kaldes en membran, som adskiller cellens indre fra dens ydre. Miljøerne inden i og uden for cellen er forskellige i deres kemiske sammensætning. Forskellen i antallet af elektriske ladninger mellem indersiden og ydersiden af cellen kaldes membranpotentialet.. Når en neuron er i hviletilstand (ikke aktiv), indeholder den meget lidt calcium, og dens membranpotentiale er konstant (figur 1A). Når der opstår et aktionspotentiale i en neuron, stiger membranpotentialet, hvilket tillader en enorm mængde calcium at strømme ind i neuronen. Når calcium kommer ind, udløser det frigivelsen af neurotransmittere, som gør det muligt for kommunikationen mellem neuroner at finde sted.
Hvad kan pludselig få calcium til at strømme ind i neuronet? Svaret er, at neuronens membran er oversået med “calcium-gates”, som åbner og lukker afhængigt af membranpotentialet. Her er, hvordan det fungerer. Når en neuron er i sin hviletilstand, er kalciumportene lukkede, og der findes meget lidt kalcium inde i neuronen (figur 1A). Når neuronet aktiveres, stiger dets membranpotentiale, kalciumportene åbnes, og kalcium strømmer ind i neuronet (figur 1B). Denne hurtige stigning i mængden af calcium inde i cellen kan bruges som et signal, der fortæller os, om en neuron er aktiv eller ej.
Kan man måle calciumkoncentrationen inde i en neuron for at spore neuronets aktivitet? For at forstå, hvordan vi kan visualisere neuronal aktivitet, er vi nødt til at diskutere et vigtigt begreb: fluorescens. Vi har også brug for at lære om et meget specielt fluorescerende protein. Fluorescens [2] er et fysisk fænomen, der opstår, når et molekyle absorberer lys i en bestemt farve og derefter næsten øjeblikkeligt udsender lys i en anden farve. Fluorescerende molekyler absorberer og udsender forskellige farver afhængigt af deres sammensætning og struktur. Formerne på de fluorescerende molekyler er afgørende for at tillade lysabsorption og lysemission.
Den biologiske verden er fuld af proteiner. Proteiner er store molekyler, der fremstilles af celler for at udføre specifikke funktioner. Celler bruger proteiner til muskelsammentrækning, til beskyttelse mod infektioner og til at transportere stoffer rundt i cellen og over membranen. For eksempel er kalciumportene også proteiner, og deres funktion er at åbne eller lukke afhængigt af membranpotentialet. Nogle proteiners funktion er fluorescens. Et af de mest kendte fluorescerende proteiner er green fluorescent protein (GFP). GFP blev oprindeligt opdaget inde i en vandmand (Figur 2A). Da forskerne undersøgte oprindelsen af det grønne lys, der kom fra denne vandmand, opdagede de GFP [3-5]. GFP absorberer blåt eller violet lys og udsender grønt lys (figur 2B). Efter opdagelsen af GFP har mange forskere arbejdet sammen for at forstå GFP’s kemiske struktur samt den genetiske kode, der gør det muligt for vandmænd at producere det.
Den genetiske kode for et protein er den “opskrift”, som cellerne bruger til at producere proteinet. Da GFP-proteinets struktur og genetiske kode var fastlagt, ændrede forskerne koden, så GFP kunne produceres i celler fra andre organismer for at hjælpe forskere med at forstå og visualisere forskellige processer, der foregår inde i celler. Når en celle producerer GFP, bliver den fluorescerende, hvilket betyder, at den udsender grønt lys, når den belyses med blåt lys, hvilket gør det muligt at detektere den under et fluorescensmikroskop. Opdagelsen af GFP har ført til en stor revolution inden for biologien, og de tre forskere, der var involveret i opdagelsen af GFP, blev tildelt Nobelprisen i kemi i 2008.1. I dag kan forskere bruge GFP til at gøre neuroner fluorescerende, så de tydeligt kan ses i mikroskopet (figur 2C). Men hvordan kan vi bruge GFP og calciumniveauer som værktøjer til at aflæse neuronernes aktivitet?
Fluorescens kan fortælle forskere om neuroners aktivitet
Indtil videre har du lært, at når en neuron er aktiv, stiger mængden af calcium inde i neuronen. I har også opdaget, at nogle proteiner, såsom GFP, kan produceres i neuroner og gøre dem fluorescerende. Nu vil vi undersøge, hvordan et manipuleret protein kaldet GCaMP bruger calcium og fluorescens til at visualisere neuronal aktivitet. Målet med at skabe GCaMP var at fremstille et protein, der tændes ved øget calcium i neuronet, så fluorescensen tændes, når neuronet aktiveres, og slukkes, når neuronet er i hviletilstand. For at gøre dette var det nødvendigt med tre komponenter: en, der kan registrere mængden af calcium i neuronen, en, der producerer lys, og en, der tænder eller slukker for systemet afhængigt af mængden af calcium. Med disse tre komponenter skabte forskerne et molekyle, der kun bliver fluorescerende, når calcium bindes til det.
For at gøre dette udviklede forskerne en ny type GFP, der kan ændre sin form, kaldet cp-GFP, hvor “cp” står for cirkulær permutation. Processen med cirkulær permutation får et protein til at ændre form under specifikke forhold, i dette tilfælde som reaktion på calcium. Formændringen i cp-GFP sker takket være to andre dele, som er forbundet med cp-GFP på meget præcise steder: enhed 1 og enhed 2. Hele proteinkomplekset kaldes GCaMP (figur 3A). Når der ikke er calcium til stede, er enhed 1 og enhed 2 placeret langt fra hinanden. Afstanden mellem enhed 1 og enhed 2 forhindrer cp-GFP’er i at være fluorescerende. Men når calcium binder sig til enhed 2, kommer enhed 1 pludselig tættere på enhed 2, hvilket ændrer formen på cp-GFP en smule, så den bliver fluorescerende [6] (figur 3B). Neuroner fra dyr som mus kan designes til at producere GCaMP (figur 3C), hvilket gør det muligt for forskere at visualisere hjernecelleaktivitet (figur 3D og Video 1
Hukommelse er en fascinerende proces, og der er gjort mange forsøg på at forstå, hvordan hjernen repræsenterer, behandler og lagrer information. Det kan være virkelig nyttigt at se på aktiviteten i en gruppe neuroner over tid for at forstå, hvordan deres aktivitet ændrer sig, når der sker læring, eller hvordan neuroner fungerer dårligt ved hjernerelaterede sygdomme. I et af vores studier undersøgte vi for eksempel, hvordan forskellige populationer af neuroner reagerede, når en mus lærte en bestemt opgave. Vi identificerede specifikke aktivitetsmønstre i neuroner placeret i en del af hjernen kaldet præfrontal cortex. Denne information hjalp os med at få en bedre forståelse af den præfrontale cortex’ rolle i indlæring.
Siden introduktionen af GCaMP i 2001 har forskere arbejdet hårdt på at forbedre dette kalciumsensorprotein, så det er blevet lysere, mere følsomt og kraftigere. Skabelsen af GCaMP har også bidraget til udviklingen af højtydende fluorescensmikroskoper, der effektivt kan visualisere neuroner, der producerer GCaMP. Sammenfattende er GCaMP et meget kraftfuldt værktøj, der er almindeligt anvendt i laboratorier over hele verden. Dette værktøj har ført til en revolution i forskernes evne til at “lytte med” på hjernens aktiviteter.
Referencer
[1]Sivadas, A., Broadie, K. 2020. Hvordan kommunikerer min hjerne med min krop? Front. Young Minds 8:540970. doi: 10.3389/frym.2020.540970
[2] Lakowicz, J. R. 2006. Principper for fluorescensspektroskopi, 3. udg. Berlin: Springer.
[3]Heim, R., Cubitt, A. B., Tsien, R. Y. 1995. Forbedret grøn fluorescens. Nature. 373:663-4.
[4] Chalfie, M., Tu, Y., Euskirchen, G., Ward, W. W. og Prasher, D. C. 2007. Grønt fluorescerende protein som markør for genekspression. Tanpakushitsu Kakusan Koso Protein, Nucleic Acid, Enzyme. 52:1766-7. doi: 10.1126/science.8303295
[5] Shimomura, O., Johnson, F. H., og Saiga, Y. 1962. Ekstraktion, oprensning og egenskaber af aequorin, en bioluminescerende. J. Cell. Comparat. Physiol. 59:223-39. doi: 10.1002/jcp.1030590302
[6] Nakai, J., Ohkura, M., og Imoto, K. 2001. En ca2+-sonde med højt signal-til-støj, der består af et enkelt grønt fluorescerende protein. Nat. Biotechnol. 19:137-41. doi: 10.1038/84397
Neuroner: ↑ Hjerneceller, der kommunikerer med hinanden ved hjælp af elektriske signaler og kan transmittere information.
Neurotransmittere: Kemiske molekyler, der gør det muligt for neuroner at overføre information til deres naboers neuroner.
Aktionspotentiale: Et elektrisk signal, der opstår i et aktivt neuron.
Membranpotentiale: Forskel i antallet af elektriske ladninger mellem indersiden og ydersiden af cellen.
Fluorescens: Et fænomen, der opstår, når et molekyle absorberer lys af en bestemt farve og udsender lys af en anden farve.
Grønt fluorescerende protein (GFP): Et protein, der produceres naturligt af vandmænd, og som absorberer blåt lys og udsender grønt lys.
GCaMP: Et konstrueret protein, der er baseret på GFP og er blevet konstrueret til kun at udsende grønt lys, når det er bundet til calcium.
Cirkulær permutation: Formændring af et molekyle under specifikke forhold.
[1] Sivadas, A., Broadie, K. 2020. Hvordan kommunikerer min hjerne med min krop? Front. Young Minds 8:540970. doi: 10.3389/frym.2020.540970
[2] Lakowicz, J. R. 2006. Principper for fluorescensspektroskopi, 3. udg. Berlin: Springer.
[3] Heim, R., Cubitt, A. B., Tsien, R. Y. 1995. Forbedret grøn fluorescens. Nature. 373:663-4.
[4] Chalfie, M., Tu, Y., Euskirchen, G., Ward, W. W. og Prasher, D. C. 2007. Grønt fluorescerende protein som markør for genekspression. Tanpakushitsu Kakusan Koso Protein, Nucleic Acid, Enzyme. 52:1766-7. doi: 10.1126/science.8303295
[5] Shimomura, O., Johnson, F. H., og Saiga, Y. 1962. Ekstraktion, oprensning og egenskaber af aequorin, en bioluminescerende. J. Cell. Comparat. Physiol. 59:223-39. doi: 10.1002/jcp.1030590302
[6] Nakai, J., Ohkura, M., og Imoto, K. 2001. En ca2+-sonde med højt signal-til-støj, der består af et enkelt grønt fluorescerende protein. Nat. Biotechnol. 19:137-41. doi: 10.1038/84397
Vores fantastiske hjerner giver os mulighed for at gøre utrolige ting, men alligevel er de stadig mystiske på mange måder. Forskere har opdaget nogle situationer, hvor hjernen kan “narres”, og denne indsigt i hjernens indre arbejde har ført til nogle spændende nye teknologier, herunder virtual reality (VR). Ud over sin velkendte rolle inden for spil og underholdning har VR nogle fantastiske anvendelsesmuligheder inden for medicin. VR kan hjælpe patienter med at håndtere smerter, og det kan også hjælpe kirurger med at øve delikate procedurer og vejlede dem under operationer. Andre fremskridt kaldet hjerne-maskine-grænseflader kan lytte til hjernens snak og oversætte tanker til kommandoer til computere eller endda robotlemmer, hvilket i høj grad kan forbedre livet for mennesker med visse handicap. I denne artikel vil vi forklare, hvordan forskere bruger resultater fra banebrydende hjerneforskning til at producere spændende nye teknologier, der kan helbrede eller endda forbedre hjernens funktioner.
…
Dette studie undersøger, hvordan opmærksomhedsunderskud/hyperaktivitetsforstyrrelse (ADHD) påvirker gravide kvinder med fokus på, hvad det betyder for deres helbred. Forskningen er rettet mod unge og teenagere og hjælper med at forklare komplekse videnskabelige ideer på en måde, der er let at forstå. Den starter med at forklare, hvad ADHD er: en almindelig tilstand, der begynder i barndommen og kan fortsætte ind i voksenalderen. Derefter ser forskningen på de specifikke problemer, som kvinder med ADHD kan have, når de er gravide, f.eks. en højere risiko for depression, angst og komplikationer under graviditeten. Ved at undersøge detaljerede sundhedsjournaler fra mange forskellige kilder og sammenligne erfaringerne fra gravide kvinder med og uden ADHD finder undersøgelsen, at kvinder med ADHD er mere tilbøjelige til at få alvorlige helbredsproblemer, når de er gravide. Den viser dog også, at de, der tager ADHD-medicin, mens de er gravide, kan opleve et fald i disse helbredsproblemer, hvilket understreger vigtigheden af sikker brug af medicin. Undersøgelsen slutter med et råd til teenagere: Tal åbent med lægen, og træf informerede sundhedsvalg under graviditeten.
…
Alle får influenza eller forkølelse fra tid til anden. Vi designede et eksperiment for at undersøge, hvordan det påvirker hjernen at være syg oftere. For at gøre det brugte vi et stykke af en bakterie til at få voksne hanmus til at opleve symptomer på sygdom. Vi gav musene dette stof fem gange i alt. Musene fik det bedre i løbet af et par dage og holdt to ugers pause mellem eksponeringerne. Derefter målte vi, hvordan musene lærte og huskede ny information, og hvor godt deres hjerneceller arbejdede for at hjælpe dem med at lære. Vores eksperimenter tyder på, at sygdom ofte forstyrrer kommunikationen mellem hjernecellerne, så musene får problemer med at lære og huske. Vores data kan hjælpe læger med at forudsige, hvilke patienter der kan få hukommelsesproblemer, når de bliver ældre. Vores undersøgelse viser også, hvor vigtigt det er at holde sig så sund som muligt og tage skridt til at beskytte os selv og andre, når vi bliver syge.
…
Vidste du, at dine celler kan fortælle, hvad klokken er? Hver eneste celle i din krop har sit helt eget ur. Disse ure er ulig alle andre. Der er ingen tandhjul eller gear. Tiden indstilles af jordens rotation, så vores kroppe er perfekt afstemt med nat og dag. Selv om du måske ikke engang er klar over deres eksistens, styrer disse ure mange aspekter af dit liv. Fra hvornår du spiser og sover til din evne til at koncentrere dig eller løbe hurtigt – urene styrer det hele. Hvordan fungerer disse ure, og hvordan fortæller de tiden? Hvad sker der med vores ure, hvis vi ser tv sent om aftenen eller flyver til den anden side af jorden? Denne artikel undersøger disse spørgsmål og forklarer de videnskabelige opdagelser, der har hjulpet os med at forstå svarene.
…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