Nya sätt att spana in i hjärnan
Avancerade metoder för att avbilda hjärnan ger forskarna nya möjligheter att förstå hur olika delar kommunicerar med varandra, hela vägen ner på cellnivå. Förhoppningen är att i framtiden kunna styra olika processer i hjärnan, exempelvis frisläppandet av signalämnen.
Under förra året var hjärnan i starkt fokus och då främst genom olika ansatser till att kartlägga och förstå dess funktion. I Europa vill hjärnforskare skapa en slags datormodell av hjärnan i det EU-stödda Human Brain Project. I USA pågår ett annat stort hjärnprojekt, det så kallade Human Connectome Project. Här vill forskarna skapa en slags funktionell atlas över hjärnan. Denna skapas med hjälp av magnetresonansavbildning som läser av hjärnorna på mer än tusen unga och friska försökspersoner medan de ligger inuti kameran och utför olika övningar, allt från avancerade minnestester till att böja på tårna. Här handlar det om att samla information om hur flödet av vattenmolekyler i hjärnan ser ut, vilket avspeglar blodflödet, för att på så vis skapa kartan över hur nervceller reagerar vid en viss situation. Målet är att skapa en helgjuten bild av hur hjärnans olika delar kommunicerar med varandra, vilket ligger bakom ordet ”connectome”.
Ibland kan det dock vara en enskild hjärna som är intressant att detaljstudera, exempelvis hjärnan hos en patient som har haft en viss hjärnsjukdom, eller en genetiskt modifierad mushjärna där det förändrade genuttryckets resultat kan avläsas i form av ovanlig hjärnarkitektur. Traditionellt har en sådan avbildning skett genom att hjärnan, eller ett litet vävnadsprov från den, snittas i tunna skivor som sedan behandlas med exempelvis infärgade antikroppar som binder till och då även färgmarkerar det man vill undersöka. Med hjälp av avancerade beräkningsprogram kan sedan alla snitten pusslas ihop till en tredimensionell bild.
Men med hjälp av en helt ny teknik går det nu i stället att avbilda hela hjärnan på en gång. Den revolutionerande metoden har utvecklats vid Karl Deisseroths laboratorium vid Stanford University i USA.
När tidskriften Science presenterade vad redaktionen tyckte var 2013 års forskningsgenombrott hamnade denna nya avbildningsteknik på den eftertraktade tio i topp-listan. Det fiffiga är att hela hjärnan görs genomskinlig. Det kan låta lite som kejsarens nya kläder att prisa något som inte syns, men tekniken - som forskarnas kallar Clarity - är mycket sinnrik.
- Med tekniken går det att studera den intakta hjärnan i tre dimensioner och då se strukturella mönster, säger Karl Deisseroth.
Knepet är att i preparat ta bort fettet i cellernas membran som annars hindrar sikten. För att alla enskilda celler ska bibehålla sina inbördes positioner skapas först ett slags nätverk av akrylamid och därefter löses fettet upp med hjälp av ett slags diskmedel. Resultatet blir en helt genomskinlig hjärna där forskarna sedan kan märka in just de celltyper de vill studera.
Med Clarity går det att studera hela mushjärnor och följa nervcellernas sträckning - från de yttre lagren av hjärnbarken och hela vägen in till djupt liggande strukturer, såsom thalamus.
Forskargruppen har även kunnat studera individuella nervfibrer i mänskliga hjärnor i bevarade humana preparat. I vävnad från en avliden autistisk pojkes hjärnbark fann forskarna ett udda mönster, där nervcellernas utlöpare - deras axon - satt ihop på ett sätt som liknade stegpinnar.
- Så ser det inte ut i normal vävnad och vi vet inte hur vi ska tolka detta. Men denna typ av kunskap hade varit extremt svår att få fram med konventionella metoder, säger Karl Deisseroth.
Han är själv psykiater och intresserad av att bättre förstå uppkomsten av psykiatriska sjukdomar.
Har ni funnit liknande förändringar hos patienter med andra komplexa sjukdomar, som schizofreni?
- Inte än, men vi jobbar på det.
Karl Deisseroth verkar huvudsakligen i USA, men är sedan i julas även knuten till Karolinska Institutet, som adjungerad professor vid Institutionen för neurovetenskap. Där arbetar docent Dinos Meletis, även han engagerad i hur nya avbildningsmetoder kan generera kunskap om hjärnan. Hans forskargrupp har utvecklat en teknik för att kartlägga de nervceller i hjärnan som tillverkar signalämnet serotonin.
- Vi kan nu för första gången exakt kvantifiera både antalet celler, exakt var i hjärnan de finns, hur deras axon går till serotoninsystemet, och även visualisera de enskilda nervcellernas morfologi i tre dimensioner. Så det är rätt häftigt, säger han.
Ytterst kortfattat går tekniken ut på att med hjälp av ett modifierat rabiesvirus märka in de nervceller i hjärnan som tillverkar serotonin. I en cell som på detta vis blivit infekterad kan virus därefter korsa synapsen för att då komma till den cell som den inmärkta cellen står i kontakt med. Då går det att se vilken cell som den inmärkta cellen får signaler från och i förlängningen kartlägga hela cellnätverk.
På liknande vis har forskargruppen även kunnat följa hur dopamintillverkade celler får sina signaler. Detta görs i genetiskt modifierade möss, där varje musstam har en speciell celltyp inmärkt. I dag har gruppen tillgång till ett tjugotal olika stammar.
I tidigare arbeten där forskare försökt följa celler på detta vis har man kunnat märka in 500 celler. Här handlar det i stället om 73 000 celler som har märkts in och vars funktion, celltyp och position lagts in i en tredimensionell modell av mushjärnan. Det är en elegant metod som ger forskare ett helt nytt sätt att studera hjärnan.
- Vid depression är det inte en serotoninproducerande cell som plötsligt tillverkar mindre, utan den gör det för att den får felaktiga signaler. För första gången kan vi nu visa varifrån en cell får sin input, säger Dinos Meletis
De nätverk av olika celltyper de finner läggs allt eftersom ut på gruppens hemsida för andra forskare att ta del av.
- Tanken är att det ska bli lite som Google maps, att man kan zooma in på det område man är intresserad av och stegvis ta sig ner till cellnivå. Det här är bara början på en helt ny förståelse för hur signalvägarna ser ut, säger han.
Arbetet som beskriver metodiken är accepterat för publicering. Här framgår att gruppen har funnit en ökad komplexitet, både vad gäller signalvägar och antalet inblandade celltyper. Ett annat fynd är att en del av hjärnan kallad basala ganglierna och som klassiskt ansetts ”styra dopamin” faktiskt också både styr och styrs av serotoninsystemet.
- Det är intressant eftersom basala ganglierna är inblandade i allt, från rörelseproblem vid Parkinson, till schizofreni, depression och tvångssyndrom, säger Dinos Meletis.
Själv vill han förstå hur serotoninsystemet fungerar vid depression och ångest, men även dess koppling till hjärnans belöningssystem och beroende.
- Först gäller det att hitta de celler som är aktiva, sedan identifiera väsentliga receptorer och därefter med hjälp av optogenetik testa i djurmodeller vad en upp- eller nedreglering innebär för beteendet, säger han.
Detta anser han är ett mer rationellt angreppssätt än den screening som är det gängse i dag och som innebär att läkemedelsföretagen testar stora bibliotek av substanser.
- Det finns ett otroligt behov av verksamma läkemedel inom psykiatrin. Det är min övertygelse att det här är en bättre väg att så småningom nå dit än att bara hälla på en massa olika molekyler på cellkulturer och hoppas på det bästa, säger Dinos Meletis.