Lys og genetikkrevolusjon avdekker hjernens mysterier

For ti år siden sto hjerneforskerne på terskelen til store gjennombrudd, med nye lykter i form av avanserte metoder. Og et lite stykke inn i berget har de kommet.

Publisert
Nerveceller sender signaler til hverandre gjennom synapsene. Det vet vi en hel del mer om nå enn for ti år siden. (Foto: (Illustrasjon: Per Byhring))
Nerveceller sender signaler til hverandre gjennom synapsene. Det vet vi en hel del mer om nå enn for ti år siden. (Foto: (Illustrasjon: Per Byhring))

forskning.no 10 år


 

I år fyller forskning.no 10 år.

I den forbindelse ser vi på saker og felter som vi skrev om for et tiår siden og ser hvordan utviklingen har gått.

Nervecelle

En celle i nervesystemet, blant annet i hjernen.

Nervecellen har til oppgave å ta opp inntrykk fra kroppen og dens omgivelser, bearbeide inntrykkene og sende de nødvendige impulser til muskler og kjertler.

Slik settes organismen i stand til å tilpasse seg til forholdene.

(kilde: Store norske leksikon)

I oktober 2002, samme år som forskning.no startet opp, skrev vi om hjerneforskeren Clive Bramham og kollegaene ved Universitetet i Bergen som hadde utforsket en mekanisme som bidrar til at vi kan lagrer minner lenge.

Tittelen på artikkelen spiller på vår begrensede kunnskap om hjernen og dens dagligdagse funksjoner som vi er så avhengige av hele tiden.

De siste ti årene har hjerneforskerne fortsatt å bore i organet de bruker til å bore i det med, men hva har de egentlig funnet ut?

En revolusjon i nye metoder har åpenbart helt ferske innsikter for oss, men har også gjort at forskningen har tatt noen uventede retninger.

Jobber videre med gen

Bramham og kollegaene i hjerneforskningsmiljøet i Bergen, var blant de som fant at proteinet BDNF spilte en rolle i hvordan vi lagrer langtidsminner.

Professor Clive Bramham forklarer hva som skjer i hjernen når sansene øves opp.
Professor Clive Bramham forklarer hva som skjer i hjernen når sansene øves opp.

De skjønte at proteinet var viktig for om synapsen – kontaktpunktet mellom nervecellene våre – ble styrket eller svekket.

En styrket kontakt mellom to og flere nerveceller betyr en mer langvarig kobling, og kan bidra til varig lagring av et minne.

Det var i 2002. Nå jobber Bramham og kollegaene videre med et gen som er med i prosessen som bestemmer om synapsen styrkes eller svekkes. Genet heter Arc. 

En eksplosjon av ny kunnskap om genene våre er nettopp noe av det som har preget hjerneforskningen det siste tiåret, mener Bramham.

Genet han forsker på er ikke et hvilket som helst vesen forunt. Vi finner det bare høyt oppe på utviklingstreet, blant pattedyr. Det betyr at det er relativt nytt.

- Genet spiller en viktig rolle når ny informasjon skal sette spor i hjernen og bli til langtidsminne, sier Bramham.

Nytt om hjernens nettverk

Det er ikke uten grunn at forskerne er så opptatt av synapsene. Gjennom disse kontaktpunktene fyrer nervecellene av informasjon seg imellom om impulser vi mennesker tar inn.

Alt vi tenker, gjør og føler, er avhengig av at nervecellene sender signaler til hverandre.

Gjennom denne kommunikasjonen danner nervecellene nettverk, såkalte nevrale nettverk. Man regner med at slik nettverksbygging mellom nerveceller spiller inn i lagring av blant annet langtidsminner, men også av vaner og avhengighet.

Tre forskere som hadde bidratt til å detaljert skjønne hvordan nervecellene sender beskjeder til hverandre, ble berømmet med Kavlipris i nevrovitenskap i 2010.

For ti år siden hadde forskerne ennå ikke verktøy eller ordforråd til å utforske nettverkene av hjerneceller, forteller Edvard Moser.

Han professor i nevrovitenskap på NTNU, der han Kavli Institute of Systems Neuroscience (CBM) sammen med May-Britt Moser.

May-Britt og Edvard Moser(Foto: Geir Mogen/NTNU Info)
May-Britt og Edvard Moser(Foto: Geir Mogen/NTNU Info)

Men perioden rundt årtusenskiftet var også en tid da hjerneforskere sto på terskelen til å kunne utforske mye mer, på grunn av nye metoder og teknologi.

- Man kan si at begynnelsen av 2000-tallet var en tid preget av forventning i hjerneforskningen, forteller han.

Leter med lys

Både Moser og Bramham peker på en bestemt metode som har innfridd forventingen som forskerne hadde til framskritt for ti år siden. Den har revolusjonert mulighetene for å undersøke hva nervecellene driver med og nettverkene de danner.

Metoden er like innfløkt som den høres småsprø ut, og den gir forskerne bokstavelig talt lykt i hånd når de skal lete i hjernemørket.

Teknikken heter optogenetikk, og er basert på oppdagelsen av lysfølsomme proteiner i mikroorganismer, og det var en forskergruppe i Tyskland som gjorde de grunnleggende funnene. De fant at dette kunne brukes til å manipulere aktiviteten i  celler. 

Så ble metoden utviklet videre ved University of Stanford i USA. Den er som følger:

Ved hjelp av virus, eller ved å genmanipulere mus, smugler forskerne et gen inn i en bestemt gruppe nerveceller som de vil vite mer om. Genet gjør cellene lysfølsomme.

Metoden gir forskerne full kontroll til å manipulere aktiviteten til disse nervecellene, fordi de kan skru dem av og på ved å lyse på dem.  Litt som barn, kan forskerne utforske hvilke virkninger som henger sammen med hvilke årsaker.

- Med optogenetikken kan vi skru nerveceller av og på, og det er viktig for å skjønne hvordan de samarbeider. Det blir litt som å prøve å finne ut av hvordan en gammel radio virker. Du skrur litt av her og litt på der, også undersøker du hva som skjer.

God forutsetning for forståelse

Det var i den metodeoptimistiske perioden rundt årtusenskiftet at Edvard og May-Britt Moser begynte å forske på hjernens mekanisme for hukommelse og stedsans, på laboratoriet ved NTNU. Som forsøksdyr brukte de rotter, og fortsatt er det disse dyra de jobber med, i tillegg til mus.

Forutsetningene for å undersøke hvordan vi husker har endret seg voldsomt, ifølge Edvard Moser.

Før kunne hjerneforskerne bare studere enkeltceller. Nå kan de studere store grupper av dem, med hundrevis og tusenvis av nerveceller.

- Da har man kommet ganske nært opptil hva man må vite for å kunne forstå atferd. Alle de psykologiske funksjonene er et resultat av samarbeid mellom store grupper av nerveceller, som vi før ikke hadde teknologi til å måle.

- Alt dette har kommet de siste ti årene, og har preget hele forskningen – også vår, sier han.

Se forskning.no sin video med bilder av fra innsiden av en levende hjerne.

 

Nerveceller har fortsatt hemmeligheter

Men så var det nervecellenes indre liv, da. Mange viktige spørsmål om hva som skjer på dette nivået har vi fremdeles ikke svar på, ifølge Bramham.

- For å forstå hvordan vi tenker og danner minner er det viktig å belyse cellebiologien. Hver nervecelle og hver eneste synapse er unik og under stadig påvirkning. Ogv hvilke muligheter en synapse har til å sende signaler er i høy grad styrt av gener.

Utviklingen av metoder har eksplodert. Blant annet har Human genome project, som kartlegger det menneskelige arvestoffet i detalj, gitt hjerneforskerne nye forutsetninger til å skjønne genenes innvirkning på hodemaskineriet vårt.

I alt, kan hjerneforskerne tenke mer biologisk enn for ti år siden, mener Bramham. De har nå metoder for å forske på hele biologien i cellen.

- Det er et stort puslespill å forstå den molekylære dansen som skjer der inne. Det gjenstår mye, men genet Arc viser seg å være en sentral dansepartner.

Uadskillelige minner og steder

Spørsmål som forskerne stiller seg nå er for eksempel: Hva skjer i detalj i hjernen din når du ser for deg bestemor smile til deg en barndomsdag på hytta? Hvordan trekker vi fram dette minnet? Hvordan bestemmer hjernen at vi skal trekke frem nettopp det?

Forskningen til Moser-ekteparet ved Kavlisenteret på NTNU har ført dem i retning av å skjønne mer om dette. Den viser at minner er knyttet til steder.

I 2005 oppdaget de de såkalte gittercellene i delen av hjernebarken som heter entorhinal cortex. De så at disse cellene fyrer av i et regelmessig koordinatsystem, ett gitter, når vi beveger oss i et miljø.

De svarte strekene er en gnagers bevegelsesmønster i et miljø. De røde feltene markerer feltene der gittercellene dens var spesielt aktive. (Foto: (Matias Okawa))
De svarte strekene er en gnagers bevegelsesmønster i et miljø. De røde feltene markerer feltene der gittercellene dens var spesielt aktive. (Foto: (Matias Okawa))

Sammen med andre typer nerveceller som de har oppdaget siden, fungerer gittercellene som et indre kart, der vi plotter inn relevant informasjon. Også minner, tror forskerne.

Se: Video fra NTNU som forteller om gittercellene.

Det er nemlig ikke tilfeldig at Moser-gruppa utforsker både hukommelse og stedsans. Minner om steder vi hadde vært før, erfaringer fra liknende miljøer og retningen vi er på vei i, er alle relevante informasjonsbiter for håndteringen av omgivelsene våre.

- Det som har skjedd det siste tiåret er at vi har prøvd å forstå hvordan systemene for hukommelse og stedsans samarbeider, og her har vi også utforska deler av hjernen som ikke var så godt kjent.

Oppdagelsen av gittercellene, sammen med kunnskap som har kommet etterpå har vist at hukommelsen er tett koblet til stedssansen. Det ser ut til at vi kobler minnene våre til koordinatsystemet.

- Når det gjelder daglig episodisk minne, er det så knyttet til sted at du ikke kan tenke deg et minne uten samtidig å tenke på stedet for minnet, sier han.

Ulike innfallsvinkler

Moser og Bramham forsker begge på lagring av minner, men fra ulike innfallsvinkler. Hjerneforskningen har mange lag, fra det cellebiologiske nivået, og helt opp til atferdsforskning.

Et kjennetegn som det siste tiåret har preget hjerneforskningen stadig mer er at det er blitt naturlig å samarbeide på tvers av fagfelt, forteller Bramham.

Hans forskning har for eksempel blitt mer relevant for psykiatrien enn han forestilte seg for ti år siden.

Hvordan synapser forsterkes og svekkes, og hva dette gjør med langtidsminnet vårt og atferden vår, kan ha betydning i flere sykdomsprosesser.

Genenes rolle

I forskningen til Bramham og kollegaene, har også ny kunnskap om gener de siste årene blitt viktig for hva de jobber med i dag.

Mikro-RNA ble oppdaget i 1993. Det en del av arvestoffet vårt som finjusterer hvordan gener slår ut i praksis.

- I 2002 viste man ikke mye om mikro-RNA, men det skulle vise seg å være svært viktig i hjernen, forteller Clive Bramham.

Nå vet forskerne at svært mye mikro-RNA er spesifikt for nervesystemet vårt, som hjernen er dirigenten i.

- Jo høyere man kommer opp på evolusjonstreet, langs grenen der vi mennesker sitter, jo mer hjernespesifikt mikro-RNA ser vi, sier Bramham.

Den samme forskjellen på arter ser man ikke i antallet proteinkodede gener..

- Vår siste forskning tyder på at Arc-genet påvirkes av flere mikro-RNA. Vi er ikke sikre, men vi tror at slik regulering kan bidra til å gi oss en større kapasitet for hukommelse, og en større fleksibilitet å spille på, sier Bramham.

Nye spørsmål

Han er helt klar på at forskerne i dag har en større kunnskap om hjernen i dag, enn de hadde for ti år siden. Selv om det kanskje ikke alltid føles sånn.

For potensialet for å grave et dypt hull vokser for en som har byttet ut skje med en skinnende spade, og kanskje også en hel kø av avanserte hjelpemidler.

- Det er sånn at når du åpner og oppdager noe, får du umiddelbart mange flere spørsmål, men du får også mer innsikt.

- Du ser hva det kan være der inne, men så må du utforske videre, sier Bramham.