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
Du ser bolden flyve mod dig, kun en halv meter væk. Du sprinter for at gribe den, mens du pumper dine ben så hårdt, du kan. Du griber bolden og holder fast i den med fingrene. Så hører du pludselig din mors stemme kalde på dig. Det går op for dig, at det er tid til aftensmad, så du skynder dig hjem igen. Hvordan kan alt dette ske? Du ved selvfølgelig, at din hjerne styrer din krop, men hvordan ved den, hvad dine øjne ser, eller hvordan får den dine ben til at løbe? Din hjerne består af milliarder af celler, der kaldes neuroner. Dine neuroner bærer information i form af elektriske impulser. Neuronerne kommunikerer med hinanden og resten af din krop ved særlige mødepunkter, der kaldes synapser.
…
Vores hjerner er som utroligt komplekse puslespil med milliarder af brikker, der har vokset og udviklet sig, siden før vi blev født. Men vidste du, at små, hårlignende strukturer på vores celler kaldet primære cilier spiller en stor rolle i denne proces? Primære cilier fungerer som antenner, der hjælper vores hjerneceller med at kommunikere, rejse og endda opbygge forbindelser ved at styre samlingen af dette store puslespil. Men når de primære fimrehår ikke kan dannes ordentligt eller ikke kan fungere problemfrit, kan det påvirke udviklingen af mange organer, herunder hjernen. Forskere har fundet ud af, at kortere eller færre primære cilier er forbundet med tilstande, der kan påvirke hjernens udvikling, herunder en gruppe lidelser, der kaldes ciliopatier. Ved at forstå betydningen af primære cilier kan vi finde ud af mere om hjernens udvikling og den rolle, cilier spiller i samlingen af dette store puslespil.
…
Som mennesker kan vi bruge ord som “sulten” og “mæt” til at kommunikere, hvornår vi har brug for at spise i løbet af dagen. Men mus, som ofte bruges til at studere spiseadfærd i laboratoriet, kan ikke fortælle os, hvad de føler. Vi trænede mus til at fortælle os, om de var sultne eller mætte. Derefter tændte og slukkede vi for bestemte celler i et hjerneområde kaldet hypothalamus for at se, om disse specifikke celletyper kunne få en mus til at føle sig sulten eller mæt. Vores forskning viste, at når vi tændte for bestemte hjerneceller i et område kaldet hypothalamus’ bueformede kerne, fik det musene til at rapportere, at de var sultne, selv om de lige havde spist, og deres maver burde føles fyldte. Disse resultater giver os et fingerpeg om, hvordan hjernen arbejder med at kontrollere sult.
…
Nogle gange kan børn ikke bo hos deres biologiske (biologiske) forældre. Det kan være, fordi forældrene er syge eller ude af stand til at tage sig af deres børn på grund af de udfordringer, forældrene står over for. I sådanne tilfælde kan plejefamilier træde til og hjælpe. En plejefamilie er som en anden familie, hvor børn kan bo midlertidigt, eller indtil de bliver voksne. Plejeforældrenes opgaver er de samme som alle andre forældres: De leger med børnene, tilbyder følelsesmæssig støtte, hjælper med lektier, sørger for mad og drikke, og sørger for et trygt hjemmemiljø. Ikke desto mindre er det en stor forandring at flytte til en ny familie, og det kan være en udfordring. Nogle børn kan være vrede eller kede af det, have svært ved at stole på nye mennesker eller have oplevet slemme ting. Det vigtigste er dog, at børn og plejeforældre ikke er alene i disse situationer. Der er et stort team, kaldet familieplejesystemet, som sørger for, at børn og forældre har det bedst muligt.
…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
