Frontiers for Young Minds

Särskilda celler i hjärnan och nervsystemet, så kallade neuroner, arbetar tillsammans för att producera alla våra tankar och beteenden. För att förstå hur hjärnan styr beteendet måste vi förstå hur neuronerna kommunicerar. Den mänskliga hjärnan är mycket komplex, men många av egenskaperna hos den mänskliga hjärnan liknar egenskaperna hos andra djur. Detta innebär att neurovetare (forskare som studerar hjärnan och nervsystemet) kan använda enkla djur för att upptäcka nya saker om den mänskliga hjärnan. Det var på detta sätt som kommunikationen mellan neuroner upptäcktes.

Hur kommunicerar neuroner med varandra?

Neuroner kommunicerar med hjälp av en kombination av elektrisk och kemisk aktivitet. Tidiga forskare upptäckte detta genom observationer och smarta experiment. I slutet av 1700-talet gick en italiensk vetenskapsman vid namn Luigi Galvani genom en marknad under ett åskväder. Han såg några grodben till salu och märkte att de ryckte. Han antog att elektriciteten från ovädret aktiverade nerverna i grodlåren. Han bestämde sig för att testa denna hypotes i sitt laboratorium. Galvani använde ett föremål som tillåter elektrisk ström att flöda, en så kallad elektrod, för att skicka en elektrisk ström till grodnerven. Detta fick grodbenet att rycka. Detta var den första studien av elektrisk stimulering inom neurovetenskapen . Av detta resultat drog Galvani slutsatsen att neuroner kan använda elektriska signaler för att överföra information. Detta är viktigt att veta! Nu när vi vet hur neuronerna pratar med varandra kan vi börja tala deras språk. Vi kan använda elektriska signaler för att aktivera vissa neuroner och se vad som händer sedan. Det är precis vad forskarna började göra.

Det var inte förrän på 1930-talet som elektrisk stimulering användes för att kartlägga den mänskliga hjärnan. Dr Wilder Penfield, en hjärnkirurg, arbetade med patienter som hade epilepsi. Epilepsi orsakar onormala elektriska signaler i hjärnan och kan vara mycket farligt. I extrema fall krävs hjärnkirurgi för att stoppa epilepsin. Dr Penfield ville kartlägga sina patienters hjärnor för att ta reda på vilka delar av hjärnan som var viktigast. Detta skulle hjälpa honom att veta vilka hjärnområden han inte skulle operera. För att kartlägga hjärnan använde han elektrisk stimulering, precis som Galvani hade gjort. Han sänkte ner en liten elektrod i hjärnans motoriska (rörelse) områden. Sedan skickade han en liten elektrisk signal och observerade patientens rörelser. Stimulering i ett område av hjärnan orsakade en fingerryckning, medan stimulering i ett något annorlunda område av hjärnan orsakade en fotryckning. Detta ledde till att dr Penfield insåg att vissa områden i hjärnan styr mycket specifika områden i kroppen. Dr Penfield noterade att lokaliseringen av de motoriska områdena i hjärnan var likartad hos alla hans patienter. Han skapade diagram över sina resultat, vilket gav oss den första funktionella kartan över de motoriska områdena i den mänskliga hjärnan . Dr Penfields funktionella kartor, kända som homunculus, används fortfarande idag.

Sedan 1930-talet har experimenten med hjärnstimulering förändrats. Studier med elektrisk stimulering har vissa nackdelar. Ett problem är att hjärnan kan skadas när en elektrod sätts in. Ett annat problem är att elektrisk stimulering aktiverar vävnad på ett mycket allmänt och icke-selektivt sätt (figur 1A). Det är som att använda en bulldozer när det räcker med en spade – bulldozern är effektiv, men den är inte särskilt exakt eller försiktig. År 2005 skapades en ny teknik för att möjliggöra mer exakt hjärnstimulering. Denna teknik kallas optogenetik.

Vad är optogenetik?

Optogenetik är en metod för att styra en neurons aktivitet med hjälp av ljus och genteknik. Genteknik är en process där forskare ändrar informationen i den genetiska koden (ritningarna) hos en levande varelse. I optogenetiska studier tar forskarna den genetiska koden för de neuroner som de vill studera och lägger till en ny bit kod till den. Den nya koden gör det möjligt för dessa neuroner att tillverka särskilda proteiner, så kallade opsins, som reagerar på ljus. Opsiner förekommer naturligt och upptäcktes först i alger, som använder dessa proteiner för att hjälpa dem att röra sig mot ljuset. Men hur kommer opsinet in i neuronen? Detta kräver några specialiserade laboratorietekniker. Låt oss titta på en mus som exempel. För att få in opsinet i neuronerna i en mus måste den genetiska koden för opsinet noggrant föras in i den genetiska koden för neuronerna i musen. Om detta görs på rätt sätt bör nu varje neuron i musen ha opsinet. Eftersom vi förstår mycket om musens genetiska kod kan vi välja var opsinet ska placeras. Vi kan sätta in koden i en viss typ av neuron eller på en viss plats i hjärnan. Vi kan välja exakt vilka neuroner vi vill styra.

I neurovetenskapen kallas den mest populära opsin för channelrhodopsin-2 (ChR2). Denna opsin kommer från grönalgen Chlamydomonas reinhardtii . ChR2 aktiveras av blått ljus, vilket innebär att den bara fungerar när blått ljus lyser på den och den reagerar inte på andra typer av ljus. När ChR2 sätts in i neuroner innebär det att neuronerna kan slås på med blått ljus. Neuronerna med ChR2 kommer bara att vara på så länge som det blå ljuset lyser på dem . Detta ger oss exakt kontroll över tidpunkten för neuronernas aktivitet. Normalt påverkas inte neuronerna av blått ljus (figur 1B), så endast de neuroner som har ChR2 kommer att påverkas av blått ljus (figur 1C).

Optogenetisk stimulering är mer specifik än elektrisk stimulering

Såsom det finns många vägar i en stad, finns det många vägar i hjärnan. Om vi vill veta hur punkt A ansluter till punkt B i en stad kan vi helt enkelt titta på alla vägar och rita en vägkarta. Detta är en typ av strukturell karta: den hjälper oss att förstå hur vägarna är uppbyggda. Men det finns vanligtvis många sätt att ta sig från punkt A till punkt B, så hur vet vi vilken väg som är den mest populära? För att ta reda på det måste vi titta på bilarna som kör på vägarna när de går från punkt A till punkt B. Detta är en funktionell karta: den hjälper oss att förstå hur vägarna används. I hjärnan är neuronerna som vägarna, och signalerna som går från neuron till neuron är som bilarna. Normalt sett är hjärnan mycket aktiv och det finns många bilar på vägarna hela tiden. Över hela hjärnans karta börjar och slutar bilarna sina resor vid olika tidpunkter. Eftersom det är så mycket aktivitet kan vi inte se några mönster eller förstå hur saker och ting hänger ihop. För att komma fram till mönstren skulle det vara användbart att kunna styra när och var bilarna börjar sin resa.

Föreställ dig att det finns bilar i varje uppfart i vår stad. Dessa bilar väntar på en signal för att få ge sig ut på vägarna (figur 2A). I en studie med elektrisk stimulering kan vi styra när bilarna börjar åka, men vi har inte mycket kontroll över vilka bilar som ska ge sig ut på vägarna. Med elektrisk stimulering är stimuleringen generell. Alla bilar i närheten av stimuleringen kommer att skickas ut på vägen. Detta innebär att det finns mycket aktivitet att följa (figur 2B). I en studie med optogenetisk stimulering kan vi välja exakt vilka bilar vi vill ska gå ut på vägen och när. Vi kan välja en grupp bilar efter plats (vi kan till exempel välja att alla bilar i ett kvarter ska gå ut på vägarna), eller vi kan välja efter biltyp (vi kan till exempel välja att endast lastbilar ska gå ut på vägarna) (figur 2C). Detta är selektiv stimulering. Bilarnas rörelse är mycket lättare att följa i det här fallet. Det berättar mer om hur specifika bilar fungerar på vägarna.

Hur används optogenetik för att kartlägga hjärnan?

Optogenetik kan användas på flera olika sätt för att kartlägga mushjärnan (granskad i Ref. ).

På samma sätt som vi kan zooma ut på en vägkarta över en stad för att se de större motorvägarna (figur 3A), eller zooma in på kartan för att se ett enskilt kvarter (figur 3B), kan vi också zooma in eller ut på hjärnan. Vi kan zooma ut från hjärnan för att se hur stora delar av hjärnan är sammankopplade och fungerar tillsammans (figur 3C). Denna helhetsbild är bra om vi är intresserade av hur information färdas över långa avstånd i hjärnan, eller vilka områden i hjärnan som är kopplade till varandra. Stora städer tenderar till exempel att ha fler vägar och motorvägar som passerar genom dem, eftersom många människor reser till och från dessa städer. Genom att använda optogenetik för att stimulera ett hjärnområde och registrera reaktionerna i andra hjärnområden kan vi ta reda på vilka områden i hjärnan som har mest trafik. Detta är viktigt för att förstå hur vissa beteenden uppstår, men kan också vara viktigt för att förstå vad som händer om hjärnan skadas i ett visst område (till exempel, om det sker en olycka på fjärde gatan, hur kommer trafiken att omdirigeras?).

Vi kan också zooma in i hjärnan för att se hur enskilda neuroner kopplas samman (figur 3D). Med hjälp av optogenetik kan vi undersöka hur neuronerna arbetar tillsammans, genom att använda ljus för att slå på vissa neuroner och registrera svaret från de andra neuronerna. Denna detaljerade vy är användbar för att förstå hur och när neuronerna kommunicerar med varandra. Detta kan vara mycket användbart för att undersöka sjukdomar som stör kommunikationen mellan neuronerna i ett visst område, vilket är vad som händer när någon får en stroke (läs mer om detta i nästa avsnitt).

Optogenetisk kartläggning skapar många möjligheter att undersöka hur hjärnan fungerar. I takt med att optogenetiska tekniker förbättras och fler opsins skapas eller upptäcks finns det möjlighet till ännu mer kontroll i studier av hjärnstimulering. Kanske kommer vi att kunna använda flera opsins för att kontrollera flera olika typer av neuroner samtidigt. Eftersom varje opsin reagerar på en viss typ av ljus skulle vi kunna använda olika ljus för att kontrollera olika typer av neuroner. Faktum är att vissa opsins verkar för att stänga av neuroner när rätt typ av ljus är närvarande.

I vårt exempel med kartläggning av bilar i staden skulle vi kunna använda flera signaler för att styra bilarnas rörelse. Vi skulle kunna låta en uppsättning bilar gå ut på vägen när vi ger en signal (till exempel blått ljus) och en annan uppsättning bilar gå ut på vägen när vi ger en annan signal (till exempel rött ljus). Med hjälp av den här installationen kan vi börja experimentera med dessa två uppsättningar bilar: Vad händer om bilarna med rött ljus går först? Vad händer om bilarna med blått ljus går först? Vad händer om de kör samtidigt? Detta skulle hjälpa oss att förstå hur dessa olika uppsättningar bilar interagerar med varandra.

Hur väljer en forskare då vilken teknik eller vilken opsin som ska användas? Svaret beror på vilken fråga forskaren vill utforska. I nästa avsnitt belyses några av de frågor som har undersökts med hjälp av optogenetik.

Nyligen gjorda upptäckter med hjälp av optogenetik

Hjärnforskare började använda optogenetik 2005 . Sedan dess har optogenetiska metoder använts för att studera hjärnan från många olika synvinklar – från kommunikationen mellan ett kluster av enskilda neuroner till interaktionerna mellan stora hjärnregioner (se Ref. ). Många andra studier har använt optogenetiska metoder för att undersöka olika ämnen och frågor. Några aktuella frågor är: Var finns rädsla i hjärnan? Hur beräknas risk och belöning? Hur lagras minnen? (se ref. ). Vi använde optogenetik i möss för att undersöka hur hjärnan förändras efter en stroke . En stroke inträffar när blodtillförseln till ett område i hjärnan störs eller minskar. Detta är farligt eftersom blodtillförseln transporterar syre och andra viktiga näringsämnen som hjärnan behöver för att överleva. Om något område i hjärnan får för lång tid utan syre kommer neuronerna i det området så småningom att dö. Detta orsakar problem för just det området i hjärnan och för alla andra hjärnområden som är kopplade till det. I vår studie ville vi undersöka hur en liten stroke i ett område av hjärnan påverkade många andra områden i hjärnan. Till att börja med använde vi ChR2 för att hjälpa oss att rita en funktionell karta över mushjärnan. Vi jämförde kartorna mellan djur med en stroke och djur utan stroke. Vi fann att kartorna förändrades med tiden. En vecka efter stroke var den totala hjärnaktiviteten mycket låg. Överraskande nog var aktiviteten låg även i ett område som låg långt bort från stroken. Åtta veckor efter stroke var den totala hjärnaktiviteten högre, men inte tillbaka till det normala. Av dessa uppgifter drog vi slutsatsen att även en liten stroke kan ha en stor effekt på hur hjärnan fungerar som helhet. Att förstå vad som händer med hjärnan efter en stroke kan hjälpa forskare att skapa bättre behandlingar för strokepatienter. Detta är bara ett exempel på hur användbar optogenetik kan vara för att undersöka frågor om hjärnan. Det är troligt att hjärnforskare kommer att fortsätta att använda optogenetik under många år framöver.

Glossar

Neuroner: Särskilda celler i hjärnan kommunicerar med varandra genom att sända och ta emot elektriska och kemiska signaler. Det finns miljarder neuroner i hjärnan, och de signaler som skickas mellan dessa celler ligger till grund för alla våra tankar och beteenden. Neuroner kallas ibland för nervceller.

Studie om elektrisk stimulering: En teknik för att aktivera neuroner eller nervbanor genom att sätta in en liten elektrod och skicka en elektrisk ström in i vävnaden. Detta orsakar förändringar i vävnadens elektriska aktivitet.

Neurovetenskap: En gren av vetenskapen som studerar hjärnan och nervsystemet.

Optogenetik: En teknik som använder en kombination av ljus och genteknik för att kontrollera aktiviteten i en cell.

Genteknik: En teknik som använder en kombination av ljus och genteknik för att kontrollera aktiviteten i en cell: Processen att ändra informationen i den genetiska koden (ritningarna) hos en levande varelse genom att lägga till eller ta bort information. Genteknik kallas ibland för genetisk modifiering.

Opsiner: Proteiner som reagerar på en viss typ av ljus (till exempel reagerar ChR2 endast på blått ljus). Inom neurovetenskapen används dessa proteiner för att kontrollera neuronernas aktivitet.

Channelrhod-Opsin-2 (ChR2): Ett opsin som reagerar specifikt på blått ljus. När ChR2 sätts in i neuroner kan blått ljus användas för att aktivera dessa neuroner. ChR2 är för närvarande det mest populära opsinet för optogenetiska studier.

Stroke: Normalt transporterar blodet syre och andra viktiga näringsämnen till hjärnan. När blodtillförseln störs eller minskar får hjärnan inte det den behöver för att fungera ordentligt. Detta kallas stroke och kan orsaka bestående problem och dysfunktion.

Intressekonfliktförklaring

Författarna förklarar att forskningen utfördes i avsaknad av kommersiella eller ekonomiska relationer som skulle kunna tolkas som en potentiell intressekonflikt.

Original Source Article

Lim, D. H., LeDue, J., Mohajerani, M. H., Vanni, M. P. och Murphy, T. H. 2013. Optogenetiska metoder för funktionell kartläggning av mushjärnan. Front. Neurosci. 7:54. doi:10.3389/fnins.2013.00054

Kolb, B., Whishaw, I. Q. och Teskey, G. C. 2016. En introduktion till hjärna och beteende. 5th ed. New York, NY: Worth.

Penfield, W., and Edwin, B. 1937. Somatisk motorisk och sensorisk representation i människans hjärnbark som studerats genom elektrisk stimulering. 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. Channelrhodopsin-2, en direkt ljusstyrd katjonselektiv 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. och Deisseroth, K. 2005. Genetiskt riktad optisk kontroll av neuronal aktivitet på millisekundtidskala. Nat. Neurosci. 8:1263-8. doi:10.1038/nn1525

Lim, D. H., LeDue, J., Mohajerani, M. H., Vanni, M. P. och Murphy, T. H. 2013. Optogenetiska metoder för funktionell kartläggning av mushjärnan. Front. Neurosci. 7:54. doi:10.3389/fnins.2013.00054

Deisseroth, K. 2015. Optogenetik: 10 år av mikrobiella opsins inom neurovetenskapen. Nat. Neurosci. 18(9):1213-25. doi:10.1038/nn.4091

Lim, D. H., LeDue, J., Mohajerani, M. H. och Murphy, T. H. 2014. Optogenetisk kartläggning efter stroke avslöjar nätverksomfattande skalning av funktionella förbindelser och heterogen återhämtning av peri-infarkten. J. Neurosci. 34(49):16455–66. doi:10.1523/JNEUROSCI.3384-14.2014