Hjernen kontrollerer alt, hvad vi gør: lige fra de mest basale processer, såsom at trække vejret og blinke, til mere avancerede handlinger, såsom at danse og at løse krydsogtværs.

Den består af et yderst komplekst netværk af celler og kommunikationskabler kaldet aksoner, som sender information mellem forskellige dele af hjernen og kroppen.

Når sygdomme i hjernen, for eksempel multipel sklerose og Alzheimers, angriber dette netværk, bliver vigtige hjernefunktioner svækket og nedbrudt, såsom evnen til at tale, bevæge sig og huske. 

Før vi kan kurere sådanne sygdomme, bliver vi nødt til at forstå, præcis hvordan de angriber hjernevævet. Dette inkluderer en undersøgelse af, hvordan aksonerne (kommunikationskablerne) påvirkes.

Aksonerne har i over et århundrede været beskrevet som en række af tætpakkede lige cylindere.

Men i vores forskning opdagede vi, at beskrivelsen af aksonerne som cylinderformede er helt forkert, og det har drastiske konsekvenser for måden, vi undersøger - og i sidste ende udvikler behandlinger til - disse sygdomme.

Hjernen og dens kommunikationskabler er super fleksible

Ligesom med vores muskler kan stimulering af hjernen forbedre dens arbejdsevner.

Hjernen er i stand til at reorganisere sin struktur, funktion og sågar sine forbindelser.

At hjernen er så fleksibel, er med til at gøre den modstandsdygtig over for nogle sygdomme og skader, fordi den er i stand til at minimere skadens indflydelse.

Ved at tage 3D-røntgenbilleder i ultrahøj opløsning af sundt hjernevæv kunne vi vise, at aksonernes struktur er helt anderledes, end hvad man tidligere har troet, og at hjernens fleksibiliteten ses helt ned på niveau med aksonerne.  

Faktisk kan man forestille sig aksonerne som blød, elastisk/strækbar spaghetti i en spaghetti med kødsovs-ret. De klæber sig sammen i bundter, men bliver skubbet og strukket/omformet blandt de andre strukturer i hjernevævet, såsom cellelegemer og blodårer.

Desuden har aksonerne, modsat hvad der tidligere blev hævdet, varierende diametre, og ikke en enkel, fikseret størrelse. Det understøttes af andre studier, hvor der er brugt en anderledes 3D- billeddannelsesteknik ved navn elektronmikroskopi. 

Vi ved, at hastigheden, hvormed signalerne rejser på kryds og tværs af forbindelser i hjernen, afhænger af aksonernes diameter. Den nyligt opdagede fleksibilitet i aksonernes form og diameter kan derfor have en betydning for signalernes hastighed, men vi ved endnu ikke i hvor høj grad.

Når sygdomme angriber hjernens netværk

Når forskellige sygdomme angriber, sætter hjernen sit eget sundhedssystem i gang. Dette kan for eksempel betyde en tilstrømning af hjælpeceller, som ‘rejser’ til den beskadigede region fra forskellige dele af hjernen – ligesom når ambulancer bliver sendt ud til trafikuheld. 

For at nå til skadestedet skal disse celler bevæge sig langs og imellem de tætpakkede aksoner. Ved at gøre det ender de med at skubbe til og omforme/strække aksonerne i forbifarten.

Det er muligt, at aksonernes fleksibilitet gør det muligt for hjælpecellerne at nå frem og arbejde på det beskadigede væv på en mere effektiv måde.

På andre 3D-røntgenbilleder, som vi arbejder med lige nu, kan vi faktisk se, hvordan hjælpecellerne samler sig rundt om de beskadigede hjerneforbindelser. 

Billeddannelse af hjernens netværk

Billederne blev taget på The European Synchrotron Radiation Facility i Grenoble, som er verdens førende inden for røntgen.

En synkrotron producerer højenergi-røntgenstråling, som er langt mere intens end strålingen fra almindelige røntgenskannere, der bruges til afbildning af for eksempel brækkede ben.

Hvert af disse 3D-røntgenbilleder indeholder en enorm mængde data – svarende til mængden af data, som skal streames for at se en 16-timers film.

Efter at have analyseret disse billeder rekonstruerede vi aksonerne i 3D. 3D-rekonstruktionen viste os, hvordan aksonerne ændrer form og bøjer sig rundt om celler, blodkar og endda hinanden. 

Men der er dog én stor ulempe ved metoden: 3D-røntgen-synkrotron-billeddannelse kan ikke benyttes på mennesker, men er begrænset til små vævsprøver på mindre end 1 millimeter. Derfor kan metoden ikke benyttes til at diagnosticere sygdomme hos patienter. 

Heldigvis kan magnetisk resonans skanning  (MR-skanning) bruges til at undersøge den levende hjerne.

Store aksoner med forskellig diameter (se farveskalaen) i et 3D-billede af hjernevæv fra en død abehjerne. (Foto: Andersson et al.)

Den rette MR-skanning

Der er dog markante forskelle på teknikkerne.

For det første er 3D-røngtenbillederne opnået med lys ved så høj energiintensitet, at det er farligt, hvorimod MR-billeder opnås med magnetiske felter, som ikke har nogen kendte konsekvenser for helbredet.

For det andet er 3D-røngtenbillederne opfanget i meget høj nanoskala-opløsning og viser aksoner og celler enkeltvis og i detaljer, mens opløsningen af MR-billeder er i millimeter-skalaen og ikke kan vise disse strukturer.

Med en særlig type MR-skanning, som kaldes diffusions-MR, kan vi påvise de samme detaljer i en MR-skanning som dem, vi kan se direkte på 3D-røngtenbillederne, til trods for den dårligere billedopløsning.

Diffusions-MR bruger magnetiske felter til at spore vandmolekylers bevægelser inden i aksoner og celler. Disse vandmolekylers bevægelse kan fortælle os noget om størrelse og organisering af aksoner i forskellige områder af hjernen. 

Men hvordan kan vi finde disse detaljer på MR-billeder uden at være i stand til rent faktisk at se dem?

For at kunne gøre dette bruger vi et sæt af matematiske ligninger, der beskriver, hvordan vi forventer, at hjernevævsmiljøet ser ud. Det gør vi for til at bygge et virtuelt mikroskopisk billede af vævet.

Dette virtuelle billede har dog hidtil ikke altid stemt overens med, hvad vi kan se i mikroskopet, og kan derfor ikke benyttes som et pålideligt diagnostisk værktøj.

Det kan 3D-røntgenbillederne i ultrahøj opløsning hjælpe os med.

Til venstre: Celler (blå) skubber til aksonerne og ændrer deres rute. I midten: Klat-lignende vakuoler (grønne), med ukendt formål, blev også fundet i vævet og påvirkede aksonernes diameter. Til højre: Aksoner, som bevæger sig i forskellige retninger (vist med de grønne/gule farver) i et andet område af abehjernen. (Billeder: Andersson et al.)

Vejen til præcis og tidlig diagnosticering af hjernesygdomme

En af nutidens største udfordringer med billeddannelser er at blive i stand til på et meget tidligt stadie at kunne se, hvordan forskellige sygdomme angriber patienters hjernevæv.

Hjernens utrolige fleksibilitet og evne til at reparere sig selv betyder, at nogle sygdomme kan gemme sig i hjernen, hvorfor der kan gå lang tid, før patienten oplever symptomer.

Det er en potentiel mulighed med MR-skanning tidligt at opdage tegn på sygdommen, men første skridt er at få det skabte virtuelle billede til at matche hjernens faktiske anatomi.  

Hvis vi nu benytter den nye viden, vi fik fra 3D-røntgenbillederne om aksonernes spaghetti-lignende former, kan vi justere de benyttede matematiske ligninger, som beskriver hjernevævsmiljøet i diffusions-MR-skanning.

Dermed får vi et mere præcist virtuelt mikroskopisk billede af hjernen, der gør det lettere at se, hvad der rent faktisk sker i hjernen. 

Dette vil betyde, at læger vil kunne nå frem til mere præcise – og forhåbentligt også tidligere – diagnoser. 

Derudover kan metoden give os ny viden om, hvordan sygdomme angriber hjernevæv over tid. Den viden kan potentielt bidrage til udviklingen af nye behandlingsmetoder, da det vil være lettere for os at følge med i, hvor effektiv den enkelte behandling er. 

Eftersom det virtuelle mikroskopiske billede, som dannes, er unikt for hver patient, er det også muligt at kunne udvikle en behandlingsplan, der er skræddersyet til den enkelte patient - og dermed bedre.

Forskningen blev udført som en del af det af Region Hovedstaden støttede MAX4Imagers-projekt, som har samlet forskere fra DTU, Københavns Universitet, det fælleseuropæiske acceleratoranlæg i Grenoble, The European Synchrotron Radiation Facility, Rigshospitalet og Hvidovre Hospital.

Projektet er støttet fra Region Hovedstadens Forskningsfond til Sundhedsforskning (A5657).