Forskere fra Aarhus- og Københavns Universitet har brugt computermodeller og matematiske simulationer til at komme et skridt nærmere forståelsen af, hvad der sker i hjernen når vi sover, og når vi er vågne.
Det nye danske forskningsresultat viser i den sammenhæng, at små ændringer i koncentrationen af forskellige salte i væsken omkring hjernens nerveceller er medvirkende til at vække hjernen fra sin søvn.
Samtidig viser forskningsresultatet, at nervecellerne opfører sig fuldstændigt kaotisk, når vi er vågne – i modsætning til når vi sover, hvor hjernecellerne opfører sig meget rytmisk og forudsigeligt.
\ Læs mere
Opdagelsen kan muligvis på sigt komme patienter med neurodegenerative sygdomme, som eksempelvis Alzheimers eller Parkinsons, til gavn.
»Mange neurodegenerative sygdomme er karakteriseret ved netop dårlig søvn,« fortæller ph.d.-studerende Rune Rasmussen fra DANDRITE på Institut for Biomedicin ved Aarhus Universitet.
»På baggrund af vores opdagelse kan man derfor spekulere i, at ubalance i koncentrationer af salte omkring nervecellerne er en medvirkende faktor til søvnproblemerne i forbindelse med disse sygdomme. Er ubalancen det, kan man måske med tiden lave medicin, som modvirker den og derved virker mod sygdommene og give patienterne en bedre søvn.«
\ Historien kort
- Forskere kortlægger, hvad der sker i hjernen, når vi sover.
- Opdagelsen kan måske komme patienter med Alzheimers til gavn.
- Resultater fra computermodel skal eftervises i forsøgspersoner.
Det nye forskningsresultat, der er lavet i samarbejde med ph.d.-studerende Mathias Luidor Heltberg og professor Mogens Høgh Jensen, begge fra Niels Bohr Institutet på Københavns Universitet, er for nylig offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Cell Systems.
Vigtig viden om hjernen
Det nye studie er medvirkende til, at forskere bedre kan forstå hjernen på alle niveauer.
Det drejer sig både om de store netværks- og systemniveauer, hvor alle nervecellerne arbejder sammen for at udføre en given opgave, og på det molekylære niveau i relation til de enkelte nerveceller.
Det fortæller Troels Wesenberg Kjær, der er professor ved Københavns Universitet og specialansvarlig overlæge ved Neurologisk Afdeling ved Region Sjælland.
»Det er i den sammenhæng helt nødvendigt med sådan nogle modeller, som udfordrer vores viden om hjernens funktion,« siger Troels Wesenberg Kjær, der ikke har noget med det nye studie at gøre.
\ Læs mere
Troels Wesenberg Kjær mener dog også, at resultaterne nødvendigvis skal eftervises i dyreforsøg, før han føler sig overbevist om fundet.
»De kan ikke bare tænke sig til det som fysikere. Som biolog bliver jeg også nødt til også at se det eftervist i et biologisk system,« siger Troels Wesenberg Kjær.
Ubalance i hjernens saltbalance vækker måske patienter med Alzheimers
Rune Rasmussen er sammen med sine kollegaer netop i gang med at planlægge nye forsøg, hvor de vil forsøge at genskabe deres resultater fra computermodellen i forsøgsdyr.
Målet er at bekræfte, at saltkoncentrationerne kontrollerer nervecellernes aktivitet og vækker forsøgsdyrene, sådan som deres computermodel viser.
»Det vil være en meget elegant måde for hjernen at gøre det på, fordi koncentrationerne kan finjusteres i den raske hjerne ved hjælp af aktiviteten af forskellige cellepumper, og det kan styres i hele hjernen samtidig,« siger Rune Rasmussen.
\ Læs mere
Rune Rasmussen forestiller sig, at personer med forskellige neurodegenerative lidelser måske kæmper med at opretholde balancen i saltkoncentrationerne omkring nervecellerne, så der hele tiden sker små udsving.
Er det tilfældet, kan de små utilsigtede udsving få nervecellerne til at vågne op – selv på tidspunkter, hvor de ikke skal.
Det kan være årsagen til, at personer med eksempelvis Alzheimers sover så dårligt, som mange gør.
Medicin kan målrettes proteiner, der transporterer salte
Viser det sig, at forskernes formodninger holder stik, kan det bane vejen for bedre medicin til folk med søvnproblemer.
Mere specifikt vil man muligvis kunne lave medicin, der genetablerer den balance i saltkoncentrationerne, som er kendetegnet ved en god søvn.
Rune Rasmussen forestiller sig, at sådan medicin kan målrettes de proteiner, der transporterer de forskellige salte ind og ud af cellerne.
»Hjernen er et meget komplekst system, som man ikke bare lige kan ændre på. Men kan vi eventuelt finde de proteiner, som regulerer saltbalancen, kan vi måske også påvirke deres aktivitet til enten at øge eller sænke koncentrationerne af nogle af saltene. Det er selvfølgelig lidt mere kompliceret end som så, men i den ideelle verden var det sådan noget, man kunne gøre,« siger Rune Rasmussen.
Hjerneceller bruger salte til at kommunikere med hinanden
Tager vi et spadestik dybere i det nye forskningsresultat, omhandler det de saltkoncentrationer i og uden for nervecellerne, som cellerne benytter til at kommunikere med hinanden.
Det drejer sig blandt andet om natrium-, calcium-, kalium- og magnesiumsalte, som er helt afgørende for, at nervecellerne kan have deres aktivitet.
Hidtil har man dog ikke vidst, om ændringer i koncentrationen af saltene kan være drivende for den vågne aktivitet eller blot et biprodukt.
Forsøg på mus har vist, at koncentrationerne ændrer sig en smule under søvn, men forskere har ikke kunnet slå fast, om saltkoncentrationerne ændrer sig, fordi nervecellerne sover, eller om nervecellerne sover, fordi saltkoncentrationerne ændrer sig.
Det nye forskningsresultat peger som et af de første studier på den sidste af de to muligheder.
Blandt andet kan forskerne se, at når de i deres computermodel skruer op for koncentrationen af kaliumsalte i væsken omkring nervecellerne, vågner nervecellerne op.
»Man har haft svært ved at bevise, om saltkoncentrationerne har en direkte indvirkning på, om nervecellerne sover eller ej. Det har de ifølge vores resultater, og det er et af vores mest interessante fund,« siger Rune Rasmussen.
Hjernens aktivitet bliver kaotisk
Samtidig viser det nye forskningsresultat også, at hvis saltkoncentrationen stiger uden for cellerne, går hjernen over i et helt andet stadie, end når vi sover, og dette stadie kan bedst beskrives matematisk.
Nervecellernes aktivitet bliver simpelthen kaotisk, hvilket vil sige, at de opfører sig fuldstændigt uforudsigeligt. De kan være inaktive i 20 sekunder og derefter aktive i 5 sekunder, inaktive i 2 sekunder og så videre, uden at forskerne på nogen måde kan forudsige, hvordan de vil opføre sig over tid.
Forskere har set noget lignende i forsøg på dyr, hvor dyrene har forskellig hjerneaktivitet, alt efter om de sover, er vågne, men passive, eller vågne og aktive.
\ Sådan opfører hjernen sig, når vi sover
Når vi sover i det såkaldte ’slow-wave’ søvnstadie, er hjernens nervecellers aktivitet regulær.
Det vil sige, at når forskere måler på hjernens aktivitet med overfladeelektroder, ser de et mønster af aktivitet, som gentager sig regelmæssigt.
Rune Rasmussen fortæller, at dette stadie formentlig gør hjernen i stand til at reagere på omgivelserne ved at være plastisk og parat til at reagere på en bred vifte af forskellige stimuli.
»Når nervecellerne udviser denne kaotiske aktivitet, kan det muligvis give nervecellerne et større repertoire af aktivitetsmønstre, som den kan gøre brug af, når hjernen er vågen. Stadiet er formentlig vigtigt, i forhold til hvordan vi reagerer på omverden,« siger han.
Forskerne har nu indgået et samarbejde med en anden hjerneforsker, så de kan sammenkoble deres computersimulation med eksperimentelle data fra den virkelige verden.
\ Læs mere
\ Sådan gjorde forskerne
I studiet har forskerne lavet en computermodel, der indeholder alle de parametre, som påvirker nervecellernes aktivitet.
Det drejer sig om alt fra koncentrationen af de forskellige salte til aktiviteten af de forskellige pumper og kanaler. Informationer om de forskellige parametres indflydelse har de fundet i den videnskabelige litteratur.
Fordelen ved computermodellen er, at forskerne i modsætning til den virkelige verden kan låse nogle effekter fast og udelukkende se på, hvad der sker, når de skruer på én enkelt parameter af gangen, eksempelvis når kaliumkoncentrationen stiger.
På den måde kunne forskerne se, hvordan saltkoncentrationerne har en direkte effekt på nervecellernes aktivitet, og hvordan en ændring i saltkoncentrationerne i væsken omkring hjernecellerne leder til, at hjernecellernes aktivitet overgår fra det stadie, som ses under søvn, til det stadie, som findes i vågen tilstand.
