Suger strøm fra mikrokontakter i hjernen

Med et tynt glassrør fanger han strømpulsene der hjerneceller møtes, for første gang i Skandinavia.

Publisert
Mikropipetten nærmer seg en synapse, enden av en nervecelle som ligger i en skål under mikroskopet. Det må lang trening til for å se hvor synapsen er. Metoden brukes nå for første gang i Skandinavia. (Foto: Pedro Mateos-Aparicio, Fysiologisk avdeling, IMB, Medisinsk fakultet, Universitetet i Oslo.)
Mikropipetten nærmer seg en synapse, enden av en nervecelle som ligger i en skål under mikroskopet. Det må lang trening til for å se hvor synapsen er. Metoden brukes nå for første gang i Skandinavia. (Foto: Pedro Mateos-Aparicio, Fysiologisk avdeling, IMB, Medisinsk fakultet, Universitetet i Oslo.)

Patch clamp-metoden

Metoden som beskrives i artikkelen, kalles på engelsk patch clamp.

En hul mikropipette suges fast mot cellemembranet, slik at det blir størst mulig elektrisk motstand mot omgivelsene, og minst mulig mellom innsiden av cellen og væsken i pipetten.

Siden væsken i pipetten har sammensetning som inne i cellen, er den en elektrisk ledende elektrolytt.

Strøm- og spenningsvariasjonene i cellen ledes ut gjennom pipetten til en metallelektrode, og forsterkes.

Patch clamp-metoden brukes mest til å studere nerveceller, muskelceller og kjertelceller, for eksempel betacellene i bukspyttkjertelen, som lagrer og utskiller insulin.

(Kilde: Wikipedia)

Sterkt norsk forskningsmiljø

Johan F. Storm er professor ved Fysiologisk avdeling, og ved Senter for molekylærbiologi og nevrovitenskap, Medisinsk fakultet ved Universitetet i Oslo.

Fysiologisk avdeling har lange tradisjoner innen hjerneforskning, med kapasiteter som Terje Lømo, Jan Jansen og Per Andersen.

Lømo er særlig kjent for oppdagelsen av synaptisk langtidspotensering i 1966.

Dette er den fysiologiske effekten som antas å skape minne.

Andersen er eneste nålevende norske medlem i The Royal Society i London.

(Kilde: Johan F. Storm, Wikipedia)

Forskere har i mange år målt de elektriske strømpulsene i hjerneceller.  Å måle nervepulsene i cellekroppen til hjernecellene er forholdsvis enkelt.

Men forskerne ønsker også å måle ytterst i nervetrådene, der signalene går fra en celle til den neste.

Det har ingen i Skandinavia klart, før nå.

Pedro Mateos-Aparicio fokuserer mikroskopet. Under linsen ligger en skål med levende hjerneceller. På skjermen ser han den hule spissen på glasspipetten lete seg fram gjennom en grøtete masse.

Men for doktorgradstipendiaten Mateos-Aparicio er det ikke en grøt. Han har lært seg å se mønster i kaos, etter samarbeidet med forskere fra Charité-senteret i Berlin.

Som sprøytespiss mot såpeboble

Mateos-Aparicio skimter konturene av det han leter etter: en synapse.

Synapsen er stedet der to nerveceller møtes. Her overføres elektriske pulser fra en nervecelle til den neste.

Mateos-Aparicio vil fange opp disse lynraske pulsene idet de når fram gjennom nervetråden til en fortykning ved synapsen. Han fører spissen av pipetten mot veggen til fortykningen.

Det er som å lage hull i en såpeboble med en sprøytespiss, uten at bobla sprekker.

Suger svak strøm

Doktorgradstipendiat Pedro Mateos-Aparicio med mikropipetten han brukte for å måle nerveimpulsene inne i en synapse. Det er første gang metoden er brukt i Skandinavia. (Foto: Arnfinn Christensen)
Doktorgradstipendiat Pedro Mateos-Aparicio med mikropipetten han brukte for å måle nerveimpulsene inne i en synapse. Det er første gang metoden er brukt i Skandinavia. (Foto: Arnfinn Christensen)

Idet spissen berører synapsen, setter han på et svakt sug.

Den hule spissen suger nervetråden fast. Kontakten er forseglet.

Så lager han forsiktig en liten åpning inn gjennom hinnen, fortsatt uten at den sprekker.

Væsken inni nervefiberen kommer i kontakt med væsken inni den hule spissen.

En elektrisk nervepuls lyner gjennom væsken i synapsen til den levende cellen.

En ørliten del av strømmen, noen få tusendeler av en milliarddels ampére, finner veien ut forbi forseglingen rundt pipetten og videre ut gjennom væsken inni røret.

Lengre opp i det hule glassrøret treffer den en sølvtråd. Tråden leder strømmen videre ut gjennom en forsterker, slik at Mateos-Aparicio kan registrere nervepulsen på dataskjermen.

Vanskelig metode

- Metoden vi bruker, heter patch clamp. Den ble utviklet av de tyske forskerne Erwin Neher og Bert Sakmann på slutten av 1970-tallet, forteller Johan F. Storm. Han er professor ved Universitetet i Oslo og veileder for Pedro Mateos-Aparicio.

For første gang ble det mulig å studere de minste elektriske strømmene som danner de elektriske signalene inne i nervecellene. Gjennombruddet skaffet Neher og Sakmann en Nobelpris i 1991.

Først ble metoden brukt til å studere strømmer i cellekroppen til nervecellene. 

Det tok mange år før forskningsgruppen til Peter Jonas i Tyskland klarte å bruke patch clamp-metoden i de mye tynnere nervefibrene og de ørsmå synapsene i hjernebarken.

- Men metoden er uhyre krevende. Fortsatt er det bare en håndfull forskere i verden som klarer å måle strømmene inni den lille fortykningen av nervefiberen som danner en synapse, forteller Storm.

Og nå er altså Pedro Mateos-Aparicio den første i Skandinavia til å mestre teknikken.

Doktorgradstipendiat Pedro Mateos-Aparicio (t.v.) og professor Johan F. Storm har for første gang i Skandinavia målt de elektriske strømmene inne i en nervefiber der den danner en synapse. De holder en figur som viser formen på en av de kraftige nerveimpulsene. Den har en varighet på bare 1/2000-dels sekund. (Foto: Arnfinn Christensen)
Doktorgradstipendiat Pedro Mateos-Aparicio (t.v.) og professor Johan F. Storm har for første gang i Skandinavia målt de elektriske strømmene inne i en nervefiber der den danner en synapse. De holder en figur som viser formen på en av de kraftige nerveimpulsene. Den har en varighet på bare 1/2000-dels sekund. (Foto: Arnfinn Christensen)

Mer nøyaktig

Hva betyr så denne prestasjonen i praksis?

- Vi kan nå se hvordan signalene omformes i selve synapsen, og hvordan nerveimpulsene forplanter seg lynraskt langs nervefiberen, forklarer Storm.

Cellene som Mateos-Aparicio har studert, kommer fra hjerneområdet hippocampus. Denne delen av hjernen gir oss evnen å lære og huske bevisst.

Og forskerne har nå sterke grunner til å tro at det er nettopp i synapsene at det skjer.

Når du husker hva du opplevde i går eller i forrige uke, er det trolig fordi synapsene i hippocampus ble litt endret av disse opplevelsene. Endringene kan leses ut som bevisst hukommelse.

- Svært mange eksperimenter tyder på at dette er hovedmekanismen for hukommelse, sier Storm.

Når forskerne kartlegger hippocampus,  kan de også lære mer om blant annet epilepsi, schizofreni og demens. Her kan patch clamp-metoden bidra.

Svakere signaler

Signalene i hjernecellene er mer sammensatte enn de sterke, korte pulsene. (Foto: (Bilde: Per Byhring, fra forskning.nos video Bildet av en tanke.)
Signalene i hjernecellene er mer sammensatte enn de sterke, korte pulsene. (Foto: (Bilde: Per Byhring, fra forskning.nos video Bildet av en tanke.)

Men både Storm og Mateos-Aparicio understreker at de først og fremst vil lære mer grunnleggende om hvordan hjernecellene og hjernen virker.

Og nervesignalene de fanger opp, er mer komplekse enn bare de sterke, korte nervepulsene som er kjent fra tidligere.

De nye nervesignalene ble først oppdaget i 2006 av de tyske forskerne Henrik Alle og Jörg Geiger, som gruppen til Storm samarbeider med.

Oppdagelsen var en sensasjon. I nesten hundre år hadde forskerne trodd at det elektriske språket til nervefibrene i hjernen bare består av en slags digital kode, nesten som strømpulsene i en datamaskin.

Nå har forskerne mistanke om at det også går en mer stillferdig kommunikasjon med svake signaler, i tillegg til de sterke pulsene.

Og disse svake signalene er ikke som de enkle av-på-pulsene i en datamaskin. De ligner mer på bølger på et hav: De varierer både i lengde og høyde.

- De svake signalene kan heller ikke forplante seg alene forbi synapsen og til neste hjernecelle. De er avhengige av å påvirke de sterke signalene, forklarer Storm.

Theta-bølger

De svakere nervesignalene har også et spennende samspill med en spesiell type hjernebølger som kalles thetabølger.

Når forskerne kobler elektroder direkte til hippocampus, kan de måle hvordan den elektriske aktiviteten bølger opp og ned, fem til åtte ganger i sekundet.

Disse bølgene eller svingningene finnes hos mange pattedyr, også hos mennesker.

- Mye tyder på at thetabølgene er veldig viktige for hukommelsen, men det er usikkert nøyaktig hvordan de oppstår og hvordan de virker, sier Storm.

Spissen til mikropipetten (til høyre) har en diameter på en tusendels millimeter. Likevel er den hul, slik at væsken inni kan lede strøm fra nervecellen. Under mikroskopet sees en skive av levende hjernevev (hvitt). (Foto: Johan F.Storm, Fysiologisk avdeling, IMB, Medisinsk fakultet, Universitetet i Oslo)
Spissen til mikropipetten (til høyre) har en diameter på en tusendels millimeter. Likevel er den hul, slik at væsken inni kan lede strøm fra nervecellen. Under mikroskopet sees en skive av levende hjernevev (hvitt). (Foto: Johan F.Storm, Fysiologisk avdeling, IMB, Medisinsk fakultet, Universitetet i Oslo)

Måle i hver ende

Nå vil Storm og Mateos-Aparicio undersøke samspillet mellom thetabølgene og de svake bølgene i hippocampus.

De planlegger å koble mikropipetter i hver ende av nervetråden.

Med en slik dobbel patch clamp håper de å kunne slå fast at det som skjer inni nervefibrene er enda mer komplekst og interessant enn hva forskere tidligere har trodd.

Lenke:

Nettsidene til Johan Storms forskergruppe, Universitetet i Oslo