Hele hjernen til et pattedyr kartlagt for første gang

Kartet viser hvordan grupper av hjerneceller i en musehjerne er koblet sammen.

3D-bilde sett ovenfra og nedover av forbindelser mellom forskjellige deler av hjernebarken til en mus. (Foto: (Figur: Allen Institute for Brain Science))
3D-bilde sett ovenfra og nedover av forbindelser mellom forskjellige deler av hjernebarken til en mus. (Foto: (Figur: Allen Institute for Brain Science))

Dette er den hittil mest kompliserte hjernen som er kartlagt på denne måten. I 1986 ble riktignok hjernen til rundormen Caenorhabditis elegans kartlagt, men den har bare 302 hjerneceller.

Til sammenligning har musehjernen 75 millioner hjerneceller. Fortsatt er likevel spranget stort til menneskehjernen, som har over 1000 ganger flere hjerneceller, nemlig 100 milliarder.

Resultatene, som publiseres i tidsskriftet Nature, er foreløpig kronen på verket i et åpent prosjekt kalt Allen Mouse Brain Connectivity Atlas. Alle kan studere dette atlaset på internett.

Som navnet tilsier, er prosjektet finansiert av Paul Allen. Han grunnla firmaet Microsoft sammen med Bill Gates, og bruker nå av sin formue til å kartlegge hjernene til mus og menneske.

Nyttig for forskere i Norge også

Jonathan Whitlock. (Foto: Kavli Institute for Systems Neuroscience)
Jonathan Whitlock. (Foto: Kavli Institute for Systems Neuroscience)

- Dette er et virkelig stort skritt framover, og disse forskerne følger en edel visjon når de gjør resultatene tilgjengelig for alle, sier Jonathan Whitlock til forskning.no.

Whitlock er forsker ved Kavli Institute for Systems Neuroscience i Trondheim, og arbeider med å kartlegge hvordan hjernecellene i musehjerner virker sammen.

- Dette hjernekartet blir nyttig for oss når vi skal bestemme hvor elektrodene skal festes til hjernen i framtidige forsøk, sier han.

Forskerne bak Allen Mouse Brain Connectivity Atlas mener at deres kart også kan bli nyttig for å forstå menneskehjernen.

De store motorveiene

Foreløpig er det altså musehjernen som først har fått sitt atlas. Men atlaset er ikke komplett. Forskerne har bare kartlagt hvordan grupper av hjerneceller er koblet sammen. 

Disse gruppene kan sammenlignes med byer på et veikart, som er forbundet med store motorveier.  Småveiene tilsvarer koblingene mellom de enkelte hjernecellene.

Koblinggsskjema for 215 adskilte regioner av musehjernen. Forbindelser mellom 11 hjernebarkområder er fargekodet, mens resten av forbindelsene er i gråtoner. (Foto: (Figur: Allen Institute for Brain Science))
Koblinggsskjema for 215 adskilte regioner av musehjernen. Forbindelser mellom 11 hjernebarkområder er fargekodet, mens resten av forbindelsene er i gråtoner. (Foto: (Figur: Allen Institute for Brain Science))

Lysende spor etter virus

For å finne de store motorveiene i hjernen, har Hongkui Zeng og kollegene hennes sprøytet en spesiell type virus inn i musehjerner.

Dette viruset infiserer hjerneceller uten å skade dem, selv om musene senere måtte avlives for at forskerne skulle kunne studere cellene i tynne snitt.

En hjernecelle sender ut et nervesignal gjennom en tynn utløper, et akson. Det er disse aksonene som Hongkui Zeng og kollegene hennes har kartlagt.

Virusene tråler seg samme vei gjennom hjernecellene som nerveimpulsene følger.

De sprer seg fra hjernecellen utover i aksonet, videre over et mellomrom som kalles synapsen og til en av mottakertrådene i neste nervecelle, kalt dendritter.

Virusene er genetisk endret slik at de sender ut stoffer som lyser under et spesielt mikroskop. Ut fra hvor det lyser sterkest, kunne Zeng og kollegene hennes vise hvilke grupper av hjerneceller som var sterkest koblet til hverandre, og hvor koblingene var svakere.

Styrken på koblingene varierte sterkt, med noen få sterke koblinger og mange flere svake koblinger.

Høyoppløselig figur av tette og sterkt forgrenede mønstrene av aksoner i forbindelser mellom hjernebarkområder i musehjernen. (Foto: (Figur: Allen Institute for Brain Science))
Høyoppløselig figur av tette og sterkt forgrenede mønstrene av aksoner i forbindelser mellom hjernebarkområder i musehjernen. (Foto: (Figur: Allen Institute for Brain Science))

Over tusen mus

Musehjernen som er kartlagt, tilhører ikke en bestemt mus. Den er bygget opp etter observasjoner av 1231 enkeltmus.

Likevel er hjernene til alle disse musene like nok til at forskerne har kunnet lage en slags almen musehjerne.

Middels grov skala

- Kartet er nøyaktig ned til 100 mikron, en tiendels millimeter. Med denne nøyaktigheten kan vi se hvordan grupper av hjerneceller er koblet sammen, sier Whitlock.

- Hvis kartet skulle vist hver enkelt nervecelle med synapser og dendritter, måtte nøyaktigheten vært ned mot en mikron, altså en tusendels millimeter, sier Whitlock.

Det betyr at Allan Mouse Atlas ville vokse fra dagens 1800 terabyte til nærmere en million ganger mer – altså 1,8 milliarder terabyte.

- Et slikt atlas vil bli den neste store milepælen for nevrovitenskapen i det 21. århundre, sier Whitlock.

Hjerneaktivitet, ikke bare nervebaner

Men selv om forskerne i framtida skulle klare å lage et veikart over de aller minste veiene og den enkelte hjernecelle, forteller ikke dette kartet noe om trafikken langs disse veiene.

Med andre ord: Det sier ikke noe om aktiviteten i hjernen, om hvordan nerveimpulsene glimter gjennom nettverket av levende hjerneceller, altså hvordan vi tenker.

I framtida vil forskerne utvide kartet med flere detaljer. Det finnes for eksempel flere forskjellige typer hjerneceller. Hver av dem har forskjellige måter å virke på, med ulike stoffer som overfører nerveimpulsene.

For å finne ut av alt dette og mer, trenger forskerne å bruke genmodifiserte virus som kobler seg til spesielle prosesser i nervecellene.

Forbindelser mellom fire bestemte visuelle områder i hjernebarken til en mus, hver kodet i sin farge, grønn, gul, rød og orange. Disse områdene av hjernebarken er sterkt koblet til hverandre og med andre områder for synssansen i thalamus, farget rosa, og midtre del av hjernen, farget lilla. (Foto: (Figur: Allen Institute for Brain Science))
Forbindelser mellom fire bestemte visuelle områder i hjernebarken til en mus, hver kodet i sin farge, grønn, gul, rød og orange. Disse områdene av hjernebarken er sterkt koblet til hverandre og med andre områder for synssansen i thalamus, farget rosa, og midtre del av hjernen, farget lilla. (Foto: (Figur: Allen Institute for Brain Science))

Begynner med mindre cellegrupper

Men vil vi noensinne få et kart som beskriver både nervecellene og hvordan nerveimpulsene skaper tanker og forestillinger i hele hjernen?

Whitlock og kollegene hans på Kavli Institute for Systems Neuroscience angriper problemet fra den andre enden.

Istedenfor å gape over hele hjernen i ett jafs, tar de for seg en gruppe hjerneceller og studerer dem i detalj i levende mus.

Hele orkesteret sammen

- Vi skal nå i gang med en ny metode, der musene krabber rundt med et ørlite mikroskop festet til hodet, forteller Whitlock.

- Dette mikroskopet registrerer aktivitet i den enkelte hjernecelle ved at kalsium da flyter inn i cellen og lager et lite glimt, fortsetter han.

- På denne måten vil vi kunne registrere aktiviteten av opptil 1000 hjerneceller i sanntid, sier Whitlock.

Jo flere hjerneceller som kan registreres på denne måten, jo mere komplekse og høytstående former for hjerneaktivitet kan forskerne kartlegge.
- Det blir som å høre hele orkesteret spille sammen, ikke bare hvert enkelt instrument for seg, sier Whitlock.

En flue er nok i starten

Men Whitlock heller kaldt vann i blodet på de som håper på et detaljert kart av menneskehjernen innen overskuelig framtid.

- Det ultimate målet er å lage en datamodell av menneskehjernen, komplett med alle hjernecellene og hvordan de virker sammen, slik som for eksempel i det sveitsiske Blue Brain Project, sier han.

- Men for å være realistisk, bør vi heller håpe på en slik kartlegging av hjernen til en flue eller en liten fisk. Et slikt prosjekt er kanskje innen rekkevidde, og ville virkelig gi meg tenning som forsker, sier han.

Referanse og lenker:

SeungWook Oh et.al:  A mesoscale connectome of the mouse brain, Nature 3.april 2014, doi:10.1038/nature1318

Allen Brain Atlas, nettsted med blant annet Allen Mouse Brain Connectivity Atlas

Kavli Institute for Systems Neuroscience

Powered by Labrador CMS