Frontiers for Young Minds

Særlige celler i hjernen og nervesystemet, kaldet neuroner, arbejder sammen om at producere alle vores tanker og adfærd. For at forstå, hvordan hjernen styrer adfærd, er vi nødt til at forstå, hvordan neuroner kommunikerer. Den menneskelige hjerne er meget kompleks, men mange af egenskaberne ved den menneskelige hjerne ligner egenskaberne hos andre dyr. Det betyder, at neurovidenskabsfolk (forskere, der studerer hjernen og nervesystemet) kan bruge simple dyr til at opdage nye ting om den menneskelige hjerne. Det var på denne måde, at man opdagede kommunikationen mellem neuroner.

Hvordan kommunikerer neuroner med hinanden?

Neuroner kommunikerer ved hjælp af en kombination af elektrisk og kemisk aktivitet. De tidlige forskere opdagede dette gennem observationer og smarte eksperimenter. I slutningen af 1700-tallet gik en italiensk videnskabsmand ved navn Luigi Galvani gennem et marked under et lynnedslag. Han så nogle frøben til salg og bemærkede, at de spjættende bevægede sig. Han opstillede den hypotese, at elektriciteten fra stormen aktiverede nerverne i frøbenene. Han besluttede sig for at afprøve denne hypotese i sit laboratorium. Galvani brugte en genstand, der tillader elektrisk strøm at flyde, kaldet en elektrode, til at sende en elektrisk strøm videre til frønerven. Dette fik frøbenet til at ryste. Dette var den første undersøgelse af elektrisk stimulering inden for neurovidenskab . Ud fra dette resultat konkluderede Galvani, at neuroner kunne bruge elektriske signaler til at overføre information. Dette er vigtigt at vide! Nu hvor vi ved, hvordan neuroner taler med hinanden, kan vi begynde at tale deres sprog. Vi kan bruge elektriske signaler til at tænde for nogle neuroner og se, hvad der så sker. Det er præcis, hvad forskerne begyndte at gøre.

Det var først i 1930’erne, at elektrisk stimulering blev brugt til at kortlægge den menneskelige hjerne. Dr. Wilder Penfield, en hjernekirurg, arbejdede med patienter, der havde epilepsi. Epilepsi forårsager unormale elektriske signaler i hjernen og kan være meget farligt. I ekstreme tilfælde er det nødvendigt med en hjerneoperation for at stoppe epilepsien. Dr. Penfield ønskede at kortlægge hjernen hos sine patienter for at finde ud af, hvilke dele af hjernen der var vigtigst. Dette ville hjælpe ham til at vide, hvilke hjerneområder han ikke skulle operere. For at kortlægge hjernen brugte han elektrisk stimulering, ligesom Galvani havde gjort det. Han sænkede en lille elektrode ned i de motoriske (bevægelsesmæssige) områder af hjernen. Derefter sendte han et lille elektrisk signal og observerede patientens bevægelser. Stimulering i et område af hjernen forårsagede en fingertrækning, mens stimulering i et lidt andet område af hjernen forårsagede en fodtrækning. Dette fik Dr. Penfield til at indse, at visse områder af hjernen styrer meget specifikke områder af kroppen. Dr. Penfield bemærkede, at placeringen af de motoriske områder i hjernen var ens hos alle hans patienter. Han lavede diagrammer af sine resultater, som gav os det første funktionelle kort over de motoriske områder i den menneskelige hjerne . Dr. Penfields funktionelle kort, kendt som homunculus, bruges stadig i dag.

Siden 1930’erne har eksperimenterne med hjernestimulering ændret sig. Undersøgelser af elektrisk stimulation har nogle ulemper. Et problem er, at hjernen kan blive beskadiget, når en elektrode indsættes. Et andet problem er, at elektrisk stimulering aktiverer vævet på en meget generel og ikke-selektiv måde (figur 1A). Det svarer til at bruge en bulldozer, når en skovl kan bruges – bulldozer er effektiv, men den er ikke særlig præcis eller omhyggelig. I 2005 blev der udviklet en ny teknik, som giver mulighed for mere præcis hjernestimulering. Denne teknik kaldes optogenetik.

Hvad er optogenetik?

Optogenetik er en metode til at styre en neurons aktivitet ved hjælp af lys og genteknologi. Genteknologi er en proces, hvor videnskabsmænd ændrer oplysningerne i den genetiske kode (de blå tegninger) i et levende væsen. I optogenetiske undersøgelser tager forskerne den genetiske kode for de neuroner, de ønsker at studere, og tilføjer et nyt stykke kode til den. Den nye kode gør det muligt for disse neuroner at lave særlige proteiner, kaldet opsins, som reagerer på lys. Opsiner forekommer naturligt og blev først opdaget i alger, som bruger disse proteiner til at hjælpe dem med at bevæge sig mod lyset. Men hvordan kommer opsinen ind i neuronet? Det kræver nogle specialiserede laboratorieteknikker. Lad os se på en mus som vores eksempel. For at få opsinen ind i musens neuroner skal den genetiske kode for opsinen omhyggeligt indsættes i den genetiske kode for neuronerne i musen. Hvis dette gøres korrekt, skal alle neuroner i musen nu have opsin. Fordi vi forstår en masse om musens genetiske kode, kan vi vælge, hvor opsinet skal placeres. Vi kan indsætte koden i en bestemt type neuron eller i et bestemt sted i hjernen. Vi kan vælge præcis, hvilke neuroner vi ønsker at kontrollere.

I neurovidenskaben kaldes den mest populære opsin for channelrhodopsin-2 (ChR2). Denne opsin stammer fra grønalgen Chlamydomonas reinhardtii . ChR2 aktiveres af blåt lys, hvilket betyder, at det kun virker, når der skinner blåt lys på det, og det reagerer ikke på andre typer lys. Når ChR2 er indsat i neuroner, betyder det, at neuronerne kan tændes med blåt lys. Neuronerne med ChR2 vil kun være tændt så længe, som det blå lys skinner på dem . Dette giver os præcis kontrol over timingen af neuronernes aktivitet. Normalt påvirkes neuroner ikke af blåt lys (figur 1B), så kun de neuroner, der har ChR2, vil blive påvirket af blåt lys (figur 1C).

Optogenetisk stimulering er mere specifik end elektrisk stimulering

Som der er mange veje i en by, er der også mange veje i hjernen. Hvis vi ønsker at vide, hvordan punkt A forbindes med punkt B i en by, kan vi simpelthen se på alle vejene og tegne et vejkort. Dette er en slags strukturelt kort: Det hjælper os til at forstå, hvordan vejene er indrettet. Men der er normalt mange måder at komme fra punkt A til punkt B på, så hvordan kan vi vide, hvilken vej der er den mest populære? For at finde ud af det skal vi se på de biler, der kører på vejene, mens de kører fra punkt A til punkt B. Dette er et funktionelt kort: Det hjælper os til at forstå, hvordan vejene bliver brugt. I hjernen er neuroner som vejene, og de signaler, der bevæger sig fra neuron til neuron, er som bilerne. Normalt er hjernen meget aktiv, og der er masser af biler på vejene hele tiden. Over hele hjernekortet starter og stopper bilerne deres kørsel på forskellige tidspunkter. Fordi der er så meget aktivitet, kan vi ikke se nogen mønstre eller forstå, hvordan tingene hænger sammen. For at finde ud af mønstrene ville det være nyttigt at kunne kontrollere, hvornår og hvor bilerne begynder deres rejse.

Forestil dig, at der er biler i alle indkørsler i vores by. Disse biler venter på et signal til at køre ud på vejene (figur 2A). I en undersøgelse med elektrisk stimulation kan vi kontrollere, hvornår bilerne begynder at køre, men vi har ikke meget kontrol over, hvilke biler der skal ud på vejene. Med elektrisk stimulering er stimuleringen generel. Alle biler tæt på stimuleringen vil blive sendt ud på vejen. Det betyder, at der er en masse aktivitet at følge (figur 2B). I en optogenetisk stimuleringsundersøgelse kan vi vælge præcis, hvilke biler vi ønsker skal køre ud på vejen og hvornår. Vi kan vælge en gruppe af biler efter placering (vi kan f.eks. vælge at få alle biler i et kvarter til at gå ud på vejene), eller vi kan vælge efter biltype (vi kan f.eks. vælge at få kun lastbiler til at gå ud på vejene) (figur 2C). Dette er selektiv stimulering. Bilernes bevægelse er meget lettere at følge i dette tilfælde. Det fortæller os mere om, hvordan specifikke biler kører på vejene.

Hvordan bruges optogenetik til at kortlægge hjernen?

Optogenetik kan bruges på flere forskellige måder til at kortlægge musehjernen (gennemgået i Ref. ).

Sådan som vi kan zoome ud på et vejkort over en by for at se de store motorveje (Figur 3A) eller zoome ind på kortet for at se en enkelt byblok (Figur 3B), kan vi også zoome ind eller ud på hjernen. Vi kan zoome ud fra hjernen for at se, hvordan store områder af hjernen er forbundet og arbejder sammen (figur 3C). Dette store overblik er godt, hvis vi er interesseret i den måde, hvorpå information bevæger sig over lange afstande i hjernen, eller hvilke områder af hjernen der er forbundet med hinanden. Store byer har f.eks. en tendens til at have flere veje og motorveje, der går igennem dem, fordi mange mennesker rejser til og fra disse byer. Ved at bruge optogenetik til at stimulere et hjerneområde og registrere reaktionerne i andre hjerneområder kan vi finde ud af, hvilke områder af hjernen der er mest trafik. Dette er vigtigt for at forstå, hvordan visse adfærdsmønstre opstår, men det kan også være vigtigt for at forstå, hvad der sker, hvis hjernen beskadiges i et bestemt område (hvis der f.eks. sker en ulykke på fjerde gade, hvordan vil trafikken så blive omdirigeret?).

Vi kan også zoome ind på hjernen for at se, hvordan de enkelte neuroner er forbundet (figur 3D). Ved hjælp af optogenetik kan vi undersøge, hvordan neuronerne arbejder sammen, ved at bruge lys til at tænde nogle neuroner og registrere reaktionen fra de andre neuroner. Denne detaljerede visning er nyttig til at forstå, hvordan og hvornår neuronerne kommunikerer med hinanden. Det kan være meget nyttigt til at undersøge sygdomme, der afbryder kommunikationen mellem neuroner i et bestemt område, hvilket er det, der sker, når en person får et slagtilfælde (læs mere om dette i næste afsnit).

Optogenetisk kortlægning skaber mange muligheder for at undersøge, hvordan hjernen fungerer. Efterhånden som optogenetiske teknikker forbedres, og der skabes eller opdages flere opsins, er der mulighed for endnu mere kontrol i hjernestimuleringsundersøgelser. Måske vil vi være i stand til at bruge flere opsins til at kontrollere flere forskellige typer neuroner på samme tid. Da hver opsins reagerer på en bestemt type lys, kan vi bruge forskelligt lys til at kontrollere forskellige typer neuroner. Faktisk virker nogle opsins til at slukke for neuroner, når den rigtige type lys er til stede.

I vores eksempel med kortlægning af biler i byen kunne vi bruge flere signaler til at styre bilernes bevægelse. Vi kunne få et sæt biler til at køre ud på vejen, når vi giver ét signal (f.eks. et blåt lys), og et andet sæt biler til at køre ud på vejen, når vi giver et andet signal (f.eks. et rødt lys). Ved hjælp af denne opsætning kan vi begynde at eksperimentere med disse to sæt biler: Hvad sker der, hvis bilerne med rødt lys kører først? Hvad sker der, hvis bilerne med blåt lys kører først? Hvad sker der, hvis de kører på samme tid? Dette ville hjælpe os til at forstå, hvordan disse forskellige sæt biler interagerer med hinanden.

Så hvordan vælger en forsker hvilken teknik eller hvilken opsin, der skal bruges? Svaret vil afhænge af det spørgsmål, som forskeren ønsker at undersøge. Det næste afsnit vil fremhæve nogle af de spørgsmål, der er blevet undersøgt ved hjælp af optogenetik.

Reneste opdagelser ved hjælp af optogenetik

Hjerneforskere begyndte at bruge optogenetik i 2005 . Siden da er optogenetiske metoder blevet brugt til at studere hjernen fra mange forskellige synsvinkler – fra kommunikationen mellem en klynge af individuelle neuroner til interaktionerne mellem store hjerneområder (gennemgået i Ref. ). Mange andre undersøgelser har brugt optogenetiske metoder til at undersøge forskellige emner og spørgsmål. Nogle nyere spørgsmål er: Hvor er frygt i hjernen? Hvordan beregnes risiko og belønning? Hvordan lagres erindringer? (gennemgået i Ref. ). Vi har brugt optogenetik i mus til at undersøge, hvordan hjernen ændrer sig efter et slagtilfælde . Et slagtilfælde sker, når blodtilførslen til et område af hjernen afbrydes eller reduceres. Det er farligt, fordi blodforsyningen transporterer ilt og andre vigtige næringsstoffer, som hjernen har brug for for at overleve. Hvis et område af hjernen er uden ilt i for lang tid, vil neuronerne i det pågældende område til sidst dø. Dette skaber problemer for det pågældende område af hjernen og for alle andre hjerneområder, der er forbundet med det. I vores undersøgelse ønskede vi at undersøge, hvordan et lille slagtilfælde i et område af hjernen påvirkede mange andre områder af hjernen. Til at begynde med brugte vi ChR2 til at hjælpe os med at tegne et funktionelt kort over musens hjerne. Vi sammenlignede kortene mellem dyr med et slagtilfælde og dyr uden et slagtilfælde. Vi fandt ud af, at kortene ændrede sig over tid. 1 uge efter slagtilfælde var den samlede hjerneaktivitet meget lav. Overraskende nok var aktiviteten lav selv i et område langt væk fra slagtilfældet. 8 uger efter slagtilfælde var den samlede hjerneaktivitet højere, men ikke tilbage til det normale niveau. Ud fra disse data konkluderede vi, at selv et lille slagtilfælde kan have en stor effekt på, hvordan hjernen fungerer som helhed. En forståelse af, hvad der sker med hjernen efter et slagtilfælde, kan hjælpe forskerne med at skabe bedre behandlinger for slagtilfældepatienter. Dette er blot et eksempel på, hvor nyttig optogenetik kan være til at undersøge spørgsmål om hjernen. Det er sandsynligt, at hjerneforskere vil fortsætte med at bruge optogenetik i mange år fremover.

Glossar

Neuroner: Særlige celler i hjernen kommunikerer med hinanden ved at sende og modtage elektriske og kemiske signaler. Der er milliarder af neuroner i hjernen, og de signaler, der sendes mellem disse celler, er grundlaget for alle vores tanker og adfærd. Neuroner kaldes nogle gange for nerveceller.

Elektrisk stimuleringsundersøgelse: En teknik til aktivering af neuroner eller neurale baner ved at indsætte en lille elektrode og sende en elektrisk strøm ind i vævet. Dette medfører ændringer i vævets elektriske aktivitet.

Neurovidenskab: En gren af videnskaben, der studerer hjernen og nervesystemet.

Optogenetik: En teknik, der anvender en kombination af lys og genteknologi til at kontrollere en celles aktivitet.

Genetisk teknik: En teknik, der anvender en kombination af lys og genteknologi til at kontrollere en celles aktivitet.

Genetisk teknik: Processen, hvor man ændrer informationen i den genetiske kode (blueprints) i et levende væsen ved at tilføje eller slette information. Genteknologi kaldes undertiden genetisk modifikation.

Opsiner: Proteiner, der reagerer på en bestemt type lys (f.eks. reagerer ChR2 kun på blåt lys). Inden for neurovidenskab bruges disse proteiner til at styre neuronernes aktivitet.

Channelrhod-Opsin-2 (ChR2): En opsin, der reagerer specifikt på blåt lys. Når ChR2 indsættes i neuroner, kan blåt lys bruges til at tænde for disse neuroner. ChR2 er i øjeblikket det mest populære opsin til optogenetiske undersøgelser.

Slagtilfælde: Normalt transporterer blodet ilt og andre vigtige næringsstoffer til hjernen. Når blodforsyningen er afbrudt eller reduceret, får hjernen ikke de ting, den har brug for for at fungere korrekt. Dette kaldes et slagtilfælde, og det kan forårsage varige problemer og dysfunktion.

Interessekonflikt erklæring

Forfatterne erklærer, at forskningen blev udført uden kommercielle eller økonomiske relationer, der kunne opfattes som en potentiel interessekonflikt.

Original Source Article

Lim, D. H., LeDue, J., Mohajerani, M. H., Vanni, M. P., og Murphy, T. H. 2013. Optogenetiske tilgange til funktionel kortlægning af musens hjerne. Front. Neurosci. 7:54. doi:10.3389/fnins.2013.00054

Kolb, B., Whishaw, I. Q., og Teskey, G. C. 2016. En introduktion til hjerne og adfærd. 5th ed. New York, NY: Worth.

Penfield, W., og Edwin, B. 1937. Somatisk motorisk og sensorisk repræsentation i menneskets hjernebark som undersøgt ved elektrisk stimulation. Brain 60(4):389-443. doi:10.1093/brain/60.4.389

Nagel, G., Szellas, T., Huhn, W., Kateriya, S., Adeishvili, N., Berthold, P., et al. 2003. Kanalrhodopsin-2, en direkte lysstyret kation-selektiv membrankanal. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 100:13940-5. doi:10.1073/pnas.1936192100

Boyden, E. S., Zhang, F., Bamberg, E., Nagel, G., og Deisseroth, K. 2005. Genetisk målrettet optisk kontrol af neuronal aktivitet på millisekund-tidshorisonten i genetisk målrettet optisk kontrol af neuronal aktivitet. Nat. Neurosci. 8:1263-8. doi:10.1038/nn1525

Lim, D. H., LeDue, J., Mohajerani, M. H., M. H., Vanni, M. P., og Murphy, T. H. 2013. Optogenetiske tilgange til funktionel kortlægning af musens hjerne. Front. Neurosci. 7:54. doi:10.3389/fnins.2013.00054

Deisseroth, K. 2015. Optogenetik: 10 år med mikrobielle opsins i neurovidenskab. Nat. Neurosci. 18(9):1213-25. doi:10.1038/nn.4091

Lim, D. H., LeDue, J., Mohajerani, M. H., og Murphy, T. H. 2014. Optogenetisk kortlægning efter slagtilfælde afslører netværksdækkende skalering af funktionelle forbindelser og heterogen genopretning af det peri-infarkte. J. Neurosci. 34(49):16455–66. doi:10.1523/JNEUROSCI.3384-14.2014