Hjernen balancerer konstant på line
Svaret på hvorfor har drillet neuroforskere i mere end to årtier.
hjernen neuron balance

Selvom vi i dag ved meget om hjernen, så mangler vi stadig at forstå mange aspekter af, hvordan hjernen holder sig på den stabile line mellem orden og kaos. (Foto: Shutterstock)

Computerens regnekraft tog først rigtig fart i 1990’erne, hvor den blev introduceret som et nyt redskab til at forstå hjernens mysterier.

Da hjernen består af neuroner forbundet til hinanden, og som kommunikerer sammen via små elektriske strømme i et stort netværk, var det oplagt nu at studere dette samspil ved hjælp af computersimulationer.

Men da neuroforskerne begyndte at simulere hjernenetværket, opdagede de et nyt mysterium i hjernen:

Det var meget vanskeligt at opretholde en stabil aktivitet, som minder om den, der finder sted i rigtige hjerner.

Enten døde aktiviteten hurtigt ud, eller også gik den amok som en eksplosion.

Disse to tilstande kan sammenlignes med de to modsatte tilstande, som en rigtig hjerne kan komme i, nemlig koma på den ene side og epileptiske anfald på den anden.

Da disse to ekstreme tilstande heldigvis er forholdsvis sjældne i vores hjerner, var det næste naturlige spørgsmål, som optog hjerneforskerne, hvordan aktivitet i hjernenetværk kan være i stabile tilstande, som ikke er ekstreme. 

Spørgsmålet har drillet neuroforskere i mere end to årtier.

Nerveceller aktiverer hinanden som en 'lavine'

Jo mere man tænker over det, jo mere besynderligt er det.

Dette kan illustreres ved en simpel model, kaldet 'Lavinemodellen' (the avalanche model).

Lavinemodellen

Modellen blev oprindeligt udviklet af Per Bak, men tidligere versioner var beskrevet af blandt andre Theodore Harris i forbindelse med studier af forgreningsprocesser inden for fysikken.

Den blev fornylig studeret eksperimentelt i forbindelse med hjernen af neuroforskeren Dietmar Plenz fra National Institutes of Health i USA.

Modellen går ud på at forstå, hvordan begrænsede grupper af nerveceller aktiverer hinanden i en kaskade, altså, en slags 'lavine' af elektrisk aktivitet.

Hvis man forestiller sig, at aktiviteten fra en nervecelle aktiverer en anden nervecelle, som aktiverer en trejde, og så videre, så vil signalerne udbrede sig som dominobrikker.

Men en nervecelle aktiverer ofte flere celler samtidig, hvilket svarer til, at een dominobrik vælter to andre brikker, som hver også vælter to andre dominobrikker og så videre.

Dette sætter en ukontrolleret kaskade i gang, hvor aktiviteten af 1 nervecelle aktiverer 2 andre, som aktiverer 4, som aktiverer 8 som aktiverer 16, og så videre.

Sådan en proces kaldes eksponentiel vækst, og den vil på kort tid omfatte alle hjernens nerveceller.

Ud over at overaktivere alle områder, hvilket vil give epileptiske kramper og rystelser, så vil nervecellerne hurtigt blive udmattede og dø. 

Celleaktiviteten er en hårfin balancegang

Så der må altså være en grad af dæmpning af kaskaden af aktivitet.

Man kan forestille sig, at der for hvert trin i kaskaden også er nogle dovne celler, som ikke sender signal videre, hvilket vil dæmpe aktiviteten.

Men hvis dæmpningen er for stor, altså, hvis der er for mange dovne celler, risikerer man, at aktiviteten dør helt ud.

Stabiliteten af udbredelsen er altså kritisk afhængig af, hvad forholdet er mellem vækst og dæmpning.

Hvis væksten er for stor, får vi en eksplosiv stigning i antallet af aktiverede celler. Hvis dæmpningen er for stor, bliver aktiviteten hurtigt dæmpet ned til ingenting.

Hvordan graden af vækst præcis modsvares af graden af dæmpning – altså hvordan hjernen går stabilt på line mellem total stilhed på den ene side og detonation på den anden – er stadig et mysterium. 

Ikke desto mindre er man de seneste år kommet tættere på forståelsen af, hvordan hjernen opretholder stabil aktivitet.

Book et gratis foredrag om hjerneforskning

Artiklens forfatter, Rune W. Berg, er med i 'Bestil en Forsker'-ordningen – en del af Forskningens Døgn – og kan til og med 3. april bookes gratis til at holde et foredrag mellem 20.-26. april. Det tilbud gælder også for de øvrige forskere i ordningen. 

Foredragets titel er 'Hjerneforskningen i dag: Hvor er vi, og hvad er de største udfordringer?' og kan bookes her.

Der findes to hovedtyper af nerveceller

Der findes to hovedtyper af nerveceller:

  1. De fremmende (excitatoriske), som accelerer aktiviteten
  2. De hæmmende (inhibitoriske), som bremser aktiviteten 

Disse modsatrettede funktioner er ikke tilfældige.

Det viser sig nemlig, at når aktiviteten af de fremmende neuroner stiger, så træder de hæmmende neuroner straks til for at dæmpe aktiviteten – enten proaktivt eller via feedback mekanismer, således at aktiviteten aldrig løber løbsk.

Denne type mekanisme er det seneste årti blevet dokumenteret eksperimentelt i mange afkroge af centralnervesystemet og går nu under navnet 'balanceret excitation /inhibition.'

Det næste naturlige spørgsmål er, hvordan disse netværk er opbygget.

Nogle forskere peger på, at neurologiske sygdomme kan have forskellige symptomer afhængigt af, hvor i hjernens kredsløb ubalancen huserer. (Foto: Shutterstock)

Simpel arkitektur gemmer på et komplekst netværk

Teoretisk neuroforskning viser, at balancerede netværk faktisk har en forholdsvist simpel arkitektur.

Den vigtigste betingelse for at opnå balanceret aktivitet er, at der er feedback og feed-forward blandt både fremmende og hæmmende celler til hinanden og sig selv.

Eller sagt på en anden måde: Kravet til netværkets arkitektur er, at de fremmende kommunikerer med både andre fremmende celler og andre hæmmende celler samtidig på kryds og tværs. 

Men disse arkitektoniske byggesten er ikke i sig selv tilstrækkelige til at opnå stabile tilstande – blandt andet skal antallet og styrken af forbindelserne finjusteres.

Neuroforskeren Michael Greenberg fra Harvard Medical School har studeret, hvordan de nerveforbindelser justeres, således at aktiviteten holdes i skak.

Det viser sig, at der er mange cellulære processer, som justerer netværket via regulering af genetiske programmer.

Forbindelserne til nerveceller reguleres konstant

Gener er et stort bibliotek, som findes i alle kroppens celler, og som har til formål at reagere på ændringer i miljøet.

Et eksempel er, når vores hud får sol, og hudcellerne reagerer ved at producere melanin – det mørke pigment, som beskytter og gør huden brun.

På samme måde har nerveceller genetiske programmer, som regulerer styrken af de hæmmende forbindelser i forhold til de fremmende.

Programmet bliver naturligvis ikke startet af sollys, men i stedet enten høj elektrisk aktivitet eller de medfølgende ændringerne i koncentrationen af ioner i nervecellen.

Når der er for meget aktivitet i cellen, så op- eller nedreguleres forbindelserne, således at cellen stimuleres mindre.

Sådanne effekter har vist sig at være specielt vigtige i hjernebarken, hvor der er op mod fem fremmende celler for hver hæmmende celle.

Genetiske programmer påvirker hjerneaktiviteten

Neuroforskeren Massimo Scanziani fra University of California, San Diego har opdaget at mindretallet af hæmmende holder de fremmende celler i skak ved, som en blæksprutte, at have sine arme ud til mange fremmende celler samtidig og justere grebet på hver af dem individuelt. 

Professor Greenberg mener, der er tusindvis af genetiske programmer involveret i sådanne reguleringer af de cellulære forbindelser.

Dette åbner muligheden for sårbarhed for gen-defekter, som manifesterer sig i neurologiske sygdomme.

Mistanken falder på sygdomme som autisme, epilepsi, skizofreni og specielt i RETTs syndrom er der blevet dokumenteret en ubalance mellem mængden af fremmende og hæmmende celler, som følge af en mutation på genet ved navn MeCP2.

ForskerZonen

Denne artikel er en del af ForskerZonen, som er stedet, hvor forskerne selv kommer direkte til orde. Her skriver de om deres forskning og forskningsfelt, bringer relevant viden ind i den offentlige debat og formidler til et bredt publikum.

ForskerZonen er støttet af Lundbeckfonden.

Endvidere er genet kaldet Ube3a vigtigt for regulering af formationen af de fremmende kontakter i samspil med den elektriske aktivitet, og mutationer i genet giver anledning til Angelman syndromet, som også er en neurologisk sygdom.

Skizofreni kan være en manifestation af ustabile sansekredsløb

Ubalancen er højst sandsynligt begrænset til dele af hjernen – hvis det omfattede hele hjernen, ville den slet ikke kunne fungere.

På den måde vil forskellige neurologiske sygdomme have forskellige symptomer afhængigt af, hvor i hjernens kredsløb ubalancen huserer.

For eksempel kunne sygdommen skizofreni være en manifestation af, at sansekredsløb i hjernen, altså de områder som behandler sanseindtryk, har et ustabilt forhold mellem fremmende og hæmmende celler.

Hvis der ikke er nok hæmmende celler til at holde de fremmende i skak, kan der spontant opstå aktivitet, selv når der ikke kommer sanseinput.

Dette kunne være hallucinationer i stil med at høre stemmer eller se syner, og disse falske indtryk vil resten af hjernen tro er rigtige sanseindtryk og integrere dem på lige fod med de øvrige rigtige sanseinput og tankeprocesser.

På trods af disse fremskridt i vores indsigt mangler vi stadig at forstå mange aspekter af, hvordan hjernen formår at holde sig stabilt på den snævre line af orden og kontrol.

Vi mangler også at forstå, hvordan disse kredsløb – når stabiliteten er opnået – formår at sanse omverdenen og udføre motoriske handlinger, for ikke at nævne tænke, føle og være 'os'. 

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.