Nu stiller forskerne skarpt på hjernen igen
more_vert
close
close

Vores nyhedsbreve

close
Når du tilmelder dig nyhedsbrevet, accepterer du både vores brugerbetingelser og at Mediehuset Ingeniøren og IDA group ind i mellem kontakter dig angående events, analyser, nyheder, tilbud etc. via telefon, SMS og e-mail. I nyhedsbreve og mails fra Mediehuset Ingeniøren kan findes markedsføring fra samarbejdspartnere.

Nu stiller forskerne skarpt på hjernen igen

Det kan ikke have undgået den videnskabeligt interesserede læsers opmærksomhed, at hjernen er et meget omtalt organ, der har nemt ved at finde overskrifter og forskningsbevillinger. I 1990’erne talte man sågar om ‘hjernens årti’, men ud over en række bedre diagnoseværktøjer og farverige fMRI-, PET-, og CT-hjernescanningsbilleder blev det aldrig til de helt store åbenbaringer.

I stedet blev den genetiske kode udvalgt som budbringer for en dybere forståelse af den menneskelige tilværelse. Men nu da arbejdet er færdigt, og genomet har afsløret en forbavsende og ganske uigennemtrængelig kompleksitet, er turen igen kommet til neuronerne.

Alene inden for de seneste tre måneder har hjerneforskere taget to store stik hjem med henholdsvis en bevilling på en halv milliard euro fra EU-Kommissionen til det såkaldte ‘Human Brain Project’, der vil lave en computersimulation af hjernen, samt en bevilling på tre milliarder dollars fra Barack Obamas regering til det såkaldte ‘Brain Activity Map Project’, som i løbet af de næste ti år skal kortlægge aktiviteten af hver eneste neuron i hjernen, hvoraf der er cirka 85 milliarder.

På trods af megen snak i blogger-krogene om, at disse megaprojekter er mere politisk fjerpragt end videnskabelig fornuft, er der en vis grund til at være optimistisk. Årsagen er den, at der i de seneste 5-10 år er sket væsentlige fremskridt i teknologier, der ikke blot kan scanne, men også aktivere og hæmme hjerneceller.

Det giver mulighed for at interagere med de enkelte neuroner og kortlægge aktivitetsmønstrene i hidtil usete detaljer. Dette vil helt sikkert føre til bedre behandlingsmuligheder i det lange løb, men om det vil bidrage til en mere fundamental forståelse af os selv, står selvfølgelig stadig hen i det uvisse.

Lyskontakt til neuroner

De nye teknikker går under så eksotiske betegnelser som optogenetik, lysskivemikroskopi, to-foton-calcium-fluorescens-scanning og automatiseret patchclamping, og de kombinerer viden fra fagområder som optik, genetik og elektrofysiologi. Seks fremtrædende forskere inden for optogenetikken modtager 2. maj 2013 årets udgave af den store danske pris, Grete Lundbecks Europæiske Hjerneforskningspris, som er doteret til en million euro og dermed er verdens største på området.

Optogenetikken er revolutionerende i sin præcision. Ved at gøre neuroner lysfølsomme kan man tænde og slukke for dem enkeltvis, hvilket betyder, at man kan ændre på aktiviteten i specifikke områder af hjernen og f.eks. få en mus til at gå i cirkler eller hoppe op og ned, uden at den egentlig ved, hvorfor den gør det. Teknikken kræver, at man genmodificerer neuronerne ved at sprøjte en virus ind i hjernen, som så splejser lysfølsomme proteiner ind i hjernecellerne. Dernæst kræver den, at man stikker en elektrode ind i hjernen, så man kan lyse på de modificerede neuroner. Det er ikke noget, man umiddelbart har lyst til at gøre på mennesker, og forskerne har derfor indtil videre holdt sig til at anvende teknikken på mus og aber.

Sidste år udgav hjerneforskeren Misha Ahrens og kolleger fra Harvard University en artikel i fagbladet Nature, hvori de rapporterede om en nyudviklet teknik, der kan filme det neuronale netværk i en larve på celleniveau. Teknikken hedder to-foton-calcium-mikroskopi og går ud på at måle mængden af frie calcium-ioner i en nervecelle, hvilket kan bruges som et mål for hjerneaktiviteten. Ahrens modificerede generne på zebrafiskelarver, så de indeholdt en calcium-indikator i form af et farvestof, der begynder at fluorescere når calcium bindes i cellerne.

En video fra hjernen

I et paper fra 2013 i fagbladet Nature bruger Misha Ahrens og Philipp Keller fra Howard Hughes Medical Institute i Virginia, USA, også en udvidet variant af den såkaldte lysskivemikroskopi (light sheet fluorescence microscopy). Teknikken var egentlig opfundet af Carl Zeiss-fysikeren Henry Siedentopf i 1903, men den blev først for alvor brugbar for biologer, efter at biofysikeren Arnie H. Voie i 1993 fandt ud af, at man kan kigge ind i det indre af et marsvins øresnegl uden at ødelægge den ved først at dyppe den i det fluorescerende farvestof rhodamin og så belyse den med tynde skiver af laserlys, der reflekteres ud igen, hvilket så kan måles og bruges til at rekonstruere en 3D-model af øresneglen.

Med et langt mere avanceret mikroskop og bedre teknikker, end Voie havde til rådighed, kunne Ahrens og Keller tage højtopløste billeder af føromtalte genetisk modificerede zebralarve hvert 30. millisekund med en eksponeringstid på 5 millisekunder og på den måde lave en video, hvor man kan se, hvordan neuronernes aktivitet ændrer sig, alt efter hvilke visuelle stimuli larven udsættes for:

På den fascinerende video ser man, hvordan zebrafiskelarvens cirka 100.000 hjerneceller laver et konstant fyrværkeri af elektrisk aktivitet, og man kan bl.a. opdage, at de synkrone udladninger primært foregår i den mellemste og bageste del af hjernen, hvorimod de asynkrone, dvs. mere uafhængige, aktiviteter ligger i den forreste del af hjernen. Forskerne kunne også identificere to store kredsløb, som ser ud til at være vigtige for evnen til at svømme. Et af kredsløbene er koblet til rygsøjlen og det andet til begge sider af den bageste del af hjernen, hvor de oscillerer i modfase, tyve sekunder ad gangen.

En fjerde lovende teknologi er automatiseringen af det såkaldte ‘patch-clamping’. Kun en håndfuld højtspecialiserede eksperter er i dag i stand til at bruge metoden i sin analoge form, hvor man med mikroskop, elektrode og pipette åbner en nervecelle for at måle aktiviteten i en enkel ionkanal på membranen. Ed Boyden fra MIT, en af modtagerne af Grete Lundbecks Europæiske Hjerneforskningspris, forsøger lige nu at bygge robotter, der kan gøre dette automatisk. Hvis man ved hjælp af automatisering kunne aflæse de ind- og udgående signaler fra flere neuroner samtidig, ville det hjælpe forskerne med at finde ud af, hvilke neuroner der taler med hinanden, og hvordan de indbyrdes afgør, hvilken aktivitet der skal hæmmes, og hvilken der skal fremmes.

På længere sigt er det håbet, at nogle af metoderne kan kombineres til effektive og ikke-invasive måle- og manipulationsværktøjer til hjernen. De repræsenterer derfor potentielle skridt i retning af at virkeliggøre drømmen om at om ikke ‘forstå hjernen’ så i hvert fald kunne behandle nogle af de mere alvorlige hjernesygdomme såsom Parkinsons, Alzheimers og epilepsi. Hundreder af laboratorier over hele verden er nu i gang med at bruge de nye teknikker, og i løbet af foråret starter der også et dansk forskningsprojekt på Institut for Neurovidenskab og Farmakologi ved Københavns Universitet. Her skal professor Ulrik Gether og hans team bruge optogenetikken på nerveceller hos mus til at udvikle nye forskningsmetoder, der kan forbedre forståelsen af stoffet dopamins betydning for ADHD-patienters adfærd.

‘Intet mindre end vanvid’

Men der findes også en lang række kritikere – ikke af hjerneforskningen som sådan, men af, at det hele tiden skal være større og størst. De frygter, at alt for stort anlagte projekter som EU’s Human Brain Map-projekt og USA’s Brain Activity Map-projekt er de forkerte kanaler til at føre forskningen frem. Biolog Michael Eisen, der har gjort sig bemærket som en ledende open access-fortaler, mener for eksempel, at man hellere burde diversificere pengene på mange små projekter i stedet for et stort prestigeprojekt, der har tendens til at producere megen varm luft.

Erfaringer fra ‘Big Biology’-projekter, som for eksempel Encode, viser, at den slags tager pengene fra den individuelle opdagertrang og flytter dem til planvidenskabelige modeller. Det kan være, at den slags giver mening, når man har en afgrænset målsætning om at sekventere det menneskelige dna. Men når det handler om så uklare målsætninger som at kortlægge cellernes indbydes vekselvirkninger, er det ifølge Eisens ord ‘intet mindre end vanvid’.

Andre kritikere, som for eksempel videnskabsjournalisten John Horgan, mener, at projektet heller ikke giver mening, så længe man ikke kender til den ‘neuronale kode’, hvormed han mener de regler eller algoritmer, der transformerer nervecellernes aktivitet til forestillinger, erindringer, følelser og beslutninger. Også UC San Diego-professor Ralph J. Greenspan, som er en af deltagerne i Brain Activity Maps-projektet, har i New York Times indrømmet, at ‘det var meget nemt at definere, hvad genomprojektet skulle munde ud i. I dette her tilfælde har vi et lidt sværere og mere fascinerende spørgsmål om, hvad hjernens aktivitetsmønstre egentlig er, og hvordan de får ting til at ske’.

Det er klart, at et færdigt hjernekort over menneskets nerveceller og en evne til at kunne filme aktiviteten ikke nødvendigvis medfører, at man vil kunne finde entydige årsags-virkningsrelationer mellem en sansepåvirkning og en tanke eller en følelse. Fra genomet ved vi, at kendskabet til vores dna ikke automatisk fører til en forståelse af, hvad koden egentlig koder for hvorfor og hvordan. Hjernen er langt mere kompliceret end genomet. En påstand om, at vi endelig kan se vores inderste selv, når vi står foran et flimmer af 85 milliarder neuroner, vil blot få os til at undres endnu mere. j

Referencer:
Ahrens, M. B. & Keller, P. J. (2013). Whole-brain functional imaging at cellular resolution using light-sheet microscopy. Nat. Methods, doi:10.1038/NMETH.2434
Ahrens, M. B., et al. (2012). Brain-wide neuronal dynamics during motor adaptation in zebrafish. Nature, 485, 471-477. doi:10.1038/nature11057
Nagel G, Ollig D, Fuhrmann M, Kateriya S, Musti AM, Bamberg E, Hegemann P. Channelrhodopsin-1: a light-gated proton channel in green algae. Science. 2002;296:2395–2398. doi:10.1126/science.1072068.
Kodandaramaiah SB, Franzesi GT, Chow BY, Boyden ES, Forest CR, Automated whole-cell patch-clamp electrophysiology of neurons in vivo, Nat. Methods. 2012 Jun; 9(6):585-7. doi:10.1038/nmeth.1993

Kommentarer (1)