Jakter på hukommelsens hemmeligheter

Hjerneforskere har funnet nye sammenhenger mellom molekyler, elektriske signaler og atferd. Oppdagelsen kaster nytt lys over hva som skjer i hjernen når vi husker og kan føre til bedre medisinsk behandling av hukommelsessvikt, Alzheimers sykdom og visse former for epilepsi.

HUKOMMELSESTEST: Forskningsgruppen til professor Johan Storm sammenlikner hukommelsen til friske og genmanipulerte mus og rotter ved å studere hvordan de finner frem til en usynlig liten plattform i et sirkelrundt basseng. Hetterotten B004 på bildet hadde hukommelsen i orden. Han visste hvor han skulle lete og fant frem på kjappe sju sekunder. Mus og rotter uten hukommelse svømmer rundt og rundt på måfå som om de ikke har lært noen ting. Foto: Ola Sæther.

Forskere ved Universitetet i Oslo har undersøkt hva som skjer i hjernen når man skal lære å finne frem i nye omgivelser. De har samtidig studert hva som gjør oss i stand til å lagre den nye kunnskapen og hente den frem igjen fra hukommelsen.

Målinger av hjerneaktiviteten til drosjesjåfører i London har tidligere vist at aktiviteten i hukommelsessenteret Hippocampus økte kraftig når sjåførene ble bedt om å tenke på den raskeste kjøreveien mellom A og B. Hippocampus er det området i hjernen som er helt avgjørende for romlig hukommelse, både hos mennesker og dyr.

Da et annet forskningsteam gjentok den samme type målinger på forsøkspersoner som skulle finne frem i en virtuell labyrint, økte aktiviteten i Hippocampus atter en gang. Men ikke nok med det. Forskerne la også merke til at Hippocampus laget elektriske vibrasjoner med en frekvens på om lag sju svingninger i sekundet. Slike svingninger kalles for Theta-bølger. De samme bølgene fant forskerne hos lærende mus og rotter.

– Det ser ut til at Theta-bølgene er nødvendige for at disse hjernecellene skal gjøre jobben sin. Vi har nå holdepunkter for at Theta-bølgene danner grunnlaget for koding av romlig informasjon. Det har lenge vært gåtefullt hvordan disse bølgene oppstår og hvilke funksjoner de har. Men man kom et langt skritt videre da det viste seg at hjernecellene i Hippocampus har en iboende tendens til å svinge med akkurat denne frekvensen, forteller professor Johan Storm ved Institutt for medisinske basalfag og Senter for molekylærbiologi og nevrovitenskap ved Universitetet i Oslo.

Resultatene til forskningsgruppen hans, som nylig ble publisert i det internasjonale tidsskriftet Nature Neuroscience, slår fast at det er mulig å slå av denne hukommelsen hvis man hindrer hjernecellene i å lage Theta-bølger.

Såfremt tilfeldighetene ikke har spilt forskerne et puss, har Storm og medarbeiderne hans etter all sannsynlighet identifisert en av de molekylære byggesteinene i hukommelsen.

Supercomputer

Hjerneforskning er et møysommelig arbeid. For hjernen er det mest komplekse organet i kroppen, med hovedoppgave å bearbeide informasjon med myriader av elektriske signaler i 100 milliarder nerveceller.

Hver enkelt nervecelle fungerer som en supercomputer som driver databehandling via tusenvis av ørsmå kanaler i den syltynne hinnen som omgir cellen. Kanalene er rørformete molekyler som slipper gjennom ladde atomer. Kanalene blir derfor kalt for ione-kanaler. Nervecellene er utstyrt med mangfoldige typer slike kanaler. Hver av dem har sin helt spesielle funksjon.

– Ione-kanalene produserer de elektriske signalene som danner det fysiske grunnlaget for alle våre tanker, følelser, erindringer og drømmer. De er så å si ”sjelens molekyler”. Mange av disse kanaltypene har eksistert i naturen i mange hundre millioner år og fins også hos snegler og insekter. Men det er først nå vi har verktøy til å studere disse molekylene og finne ut hva de gjør, sier Storm.

Kapasiteten til ione-kanalene er enorm. En enkelt kanal kan frakte opptil 100 millioner atomer i sekundet. Til tross for den svimlende hastigheten, blir hvert atom ”målt” av ione-kanalen før det slippes igjennom slik at bare en type atomer kan passere. Brorparten av ione-kanalene slipper bare igjennom ladde kaliumatomer.

Det er her den viktige oppdagelsen til forskningsgruppen kommer inn i bildet.

Doktorgradsstudentene Hua Hu og Koen Vervaeke kunne vise at en helt spesiell type av disse kanalene, som forskerne kaller for ”M-kanaler”, slipper igjennom ladde kaliumatomer akkurat så raskt at det oppstår Theta-bølger. For det viser seg at cellene i Hippocampus er særlig følsomme for signaler fra andre hjerneceller når signalene kommer med en frekvens på sju svingninger i sekundet.

For å regne ut hvordan de ulike molekylene og strømningene i ione-kanalene samvirket med hverandre, ble observasjonene satt inn i en matematisk modell. Forskerne kunne da slå fast at både eksperimentene og den matematiske modellen gav akkurat de samme svarene på hvorfor nervecellene har denne iboende tendensen til å danne Theta-bølger.

Fjernet hukommelsen

Forskerne hadde mistanke om at hukommelsen ville forsvinne hvis de klarte å skru av de elektriske signalene. Eksperimenter med genmanipulerte mus gav dem svarene de lette etter. I samarbeid med en forskningsgruppe i Hamburg ble det gjort genmanipuleringer på mus slik at de spesielle kaliumkanalene i hjernecellene ble tettet igjen. Likevel så musene helt normale ut. De spiste, vokste og trivdes som normalt.

Men da hukommelsen ble testet, viste det seg at noe manglet. Selv om musene lenge hadde trent på å finne frem til et spesielt sted i labyrinten, var de i motsetning til normale mus, praktisk talt ute av stand til å huske hvor stedet var når de ble testet noen dager senere.

– Da vi undersøkte cellene i Hippocampus, var vi naturlig nok svært spente. Hua Hu fant at de genmanipulerte cellene hadde mistet sin naturlige tendens til å svinge med frekvensen til Theta-bølgene. Samtidig så vi at ionestrømmen gjennom M-kanalene var forsvunnet. Dessuten hadde musene mistet sin normale evne til å lære å finne frem i rommet, forklarer Storm.

Ved å tette igjen kaliumkanalene fant forskerne altså en klar sammenheng: Den romlige hukommelsen forsvant når Theta-bølgene ble stengt av.

For å sjekke de elektriske strømmene og spenningene i hjernecellene etter at atferden var testet, ble musehjernen skåret i tynne flak og lagt i kunstig hjernevæske slik at hjernecellene kunne leve i ytterligere ti timer. Ved å stikke tynne glassrør inn i hjernecellene og måle de ørsmå elektriske strømmene og spenningene som ione-kanalene lager, kunne forskerne studere hjernecellens mekanismer i detalj.

Våte forsøk

Musene fikk testet hukommelsen i et sirkelrundt basseng med melkehvitt vann. I bassenget var det en liten plattform rett under vannoverflaten som musene ikke så. Ved prøving og feiling og ved å orientere seg etter lamper, møbler og andre synlige ting i rommet, lærte normale mus seg ganske raskt å finne frem til plattformen. For hver gang de prøvde, gikk det raskere.

Derimot klarte ikke de genmanipulerte musene å lære seg hvor plattformen var. Selv om de tilfeldigvis hadde funnet plattformen mange ganger tidligere, svømte de fortsatt rundt på måfå, som om de ikke hadde lært noe.

Normale mus med hukommelsen i orden lette på rett sted, selv om plattformen var fjernet.

En datamaskin med video fulgte musene i bassenget og avtegnet svømmeruten, slik at forskerne kunne sammenlikne rutevalgene.

Stipendiat og psykolog Olve Moldestad gjennomfører nå de samme forsøkene på hetterotter. Han forteller at godt trente rotter med hukommelsen i orden, vanligvis klarer oppgaven på 15 til 30 sekunder. Men den dagen han demonstrerte forsøket for Apollon, klarte en av rottene å finne frem på kjappe sju sekunder.

Nye medisinske muligheter

De nye forskningsresultatene kan ifølge Johan Storm bidra til å legge grunnlaget for effektiv behandling av sykdommer som det ikke finnes noen god behandling for i dag, slik som visse typer epilepsi og hukommelsessvikt.

Kaliumkanalene er også uhyre viktige for å hindre epileptiske anfall, slik at nervesignalene ikke skal løpe løpsk og lage en ”elektrisk storm” i hjernen.

Forsøkene viste at genmanipulerte mus fikk epileptiske anfall når de spesielle M-kanalene ble blokkert i kraftig grad. Dette svarer til en type arvelig epilepsi hos barn med mutasjoner i de såkalte M-kanalene. En delvis blokade førte til hukommelsessvikt.

– For å kartlegge Alzheimers sykdom og andre årsaker til hukommelsessvikt, er det viktig å forstå hvordan systemet virker normalt. Vi har nå satt nytt lys på en del av hukommelsesmaskineriet. Men systemet er uhyre komplekst, så det er altfor tidlig å si om oppdagelsene våre har noen direkte årsakssammenheng med Alzheimers sykdom.

Selv om det er langt frem før forskerne har et fullstendig bilde av hva som skjer ved læring og hukommelse, sier professor Johan Storm at resultatene deres styrker hypotesen om at disse ione-kanalene er med på å danne grunnlaget for hukommelsen vår.

– Et stort puslespill må fortsatt løses for å forstå hvordan hukommelsen virker, men denne forskningen gir et eksempel på at det er mulig å kartlegge årsaksforbindelser fra gener og proteinmolekyler, via bestemte elektriske signaler i hjernecellene, til høyere hjernefunksjoner og atferd hos pattedyr og mennesker, forteller professor Johan Storm, som nå er i gang med å jakte på hemmelighetene til andre ione-kanaler i hjernecellene.

Emneord: Matematikk og naturvitenskap, Basale biofag, Cellebiologi, Informasjons- og kommunikasjonsvitenskap, Matematisk modellering, Simulering, visualisering, signalbehandling, bildeanalyse, Medisinske fag, Basale medisinske, odontologiske og veterinærmedisinske fag, Molekylærmedisin, Klinisk medisinske fag, Nevrologi, Kjemi Av Yngve Vogt
Publisert 1. feb. 2012 12:00
Legg til kommentar

Logg inn for å kommentere

Ikke UiO- eller Feide-bruker?
Opprett en WebID-bruker for å kommentere