Hvorfor er hjernen krøllet? SDU-forskere peger på vigtigt gen

Hvorfor er hjernens yderste lag - hjernebarken - egentlig krøllet?

Det har forskere fra Syddansk Universitet afdækket en del af svaret på i et studie, hvor de har undersøgt den genetiske årsag til, hvorfor hjernebarken begynder at folde i fostre. I hvert fald i dyr, hvis hjerner ligner menneskehjerner.

Det kan man læse i en ny videnskabelig artikel udgivet i tidsskriftet Science Advances.

Forskerne har analyseret hjerner på fritter (Mustela putorius furo), der har en hjerne, der folder som vores, og som har vigtige gener til fælles med os.

De har manipuleret hjernerne ved at tilføje en overdosis af et protein, de mente var vigtigt for hjernens udvikling. Det førte til misdannelser, som kan have forbindelse til lidelser som autisme og epilepsi, ifølge tidligere forskning.

»Det giver os både et bedre grundlag for at forstå de her lidelser,« siger Vijay Tiwari, professor i genom-biologi på Institut for Molekylær Medicin, Syddansk Universitet, og hovedforfatter til den videnskabelige artikel.

Først og fremmest er studiet dog grundforskning, der kaster lys over »de komplekse mekanismer, der står bag udformningen af ét af vores vigtigste organer,« som Vijay Tiwari udtrykker det.

Hvad ved vi egentlig om, hvorfor hjernen har folder?

Før vi dykker ned i det nye fund, skal du vide, at der er meget, vi ikke forstår om hjernen, men forskere har nogle gode bud på, hvorfor den er så krøllet.

En årsag kan være, at folderne mindsker afstanden mellem forskellige dele af hjernebarken, som har fordel af at være tættere på hinanden.

Man kan se det sådan her: Hvis hjernebarken er et landskab, og folderne er klipper og dale, så kræver det meget energi at gå ned ad en klippe, ned i dalen og op ad nabo-klippen.

Men hvis klipperne ligger tæt nok, kan man springe fra én til en anden, hvilket ikke kræver så meget og er hurtigere.

Der lader også til at være en forbindelse mellem kognitiv funktion, og hvor stor en overflade hjernebarken har.

Dét betyder, at en foldet hjernebark er en snedig og effektiv måde at klemme mere hjerne-overflade ind i et kranie, der jo har begrænset plads.

»Man skal op på en vis hjernestørrelse i pattedyr, før hjernebarken begynder at folde, og dyr med folder har generelt større kognitiv funktion,« påpeger Martin Rath, professor i eksperimentel neuroanatomi på Institut for Neurovidenskab, Københavns Universitet, der har læst studiet for Videnskab.dk.

Folde-forskning hidtil hindret af mangel på godt forsøgsdyr

Dét er også grunden til, at forskerne har brugt fritter og ikke, for eksempel, laboratoriemus i det nye studie.

»Mus er jo nogle af de mest populære forsøgsdyr i videnskab, men når det kommer til hjerne-folder, har de simpelthen ikke nogen,« påpeger Vijay Tiwari.

Musehjerner er små og ret glatte, så studier af hjernens folder har været forhindret af, at man ikke altid har adgang til et passende forsøgsdyr.

Men de seneste år er fritten blevet en vigtig model, fordi den er et større pattedyr, der har folder i hjernen og samtidig minder om os genetisk.

Fandt ‘kort’ over hjerne-folder og et folde-styrende protein

Forskerne tog prøver fra de dele af fritte-fostres hjerner, der ville danne folder i fremtiden.

De kortlagde derefter delenes aktive gener og deres såkaldte epigenetiske landskab - det vil sige mekanismer, der påvirker, hvordan generne kommer til udtryk. Et eksempel på epigenetik kan være proteiner, der formår at tænde og slukke for gener - se mere i faktaboksen.

Da forskerne så på, hvilke gener der var aktiveret i folde-områderne, dannede generne et mønster, nærmest som en arbejdstegning eller et kort over, hvor folderne skal være. Og det mønster lå fast allerede meget tidligt i fosterudviklingen.

Det her ‘kort’ styrer signalveje, der bestemmer, hvilken celletype celler skal blive til, og på den måde bestemmer generne, hvor i hjernen der skal dannes folder.

Udover genernes egen indflydelse bliver visse gener, der er vigtige for celleudvikling og foldedannelse, også påvirket af kemien i det epigenetiske landskab.

En af de påvirkende mekanismer er et protein kaldet transskriptionsfaktor Cux2, der bliver dannet fra et gen, der også hedder Cux2. Proteinet tænder og slukker for andre gener under hjernens udvikling.

For at undersøge mekanismen nærmere lavede forskerne et eksperiment, hvor de gav fritte-fostres hjerner en ekstra mængde af proteinet Cux2, og det viste sig at føre til misdannelser i folderne.

»Og både Cux2 og de gener, det påvirker, findes også i mennesker, så der er god grund til at tro, at det peger på en vigtig faktor for foldningen. Måske endda et nyt mål for behandling af neurologiske lidelser,« forklarer Vijay Tiwari.

Studiet henviser også til meget anden forskning, der har vist andre vigtige gener for foldningen, og diskuterer, hvordan Cux2 passer ind med dem.

»Det kan virke som en lille brik i et større puslespil, men det tager også flere år at teste udførligt for det enkelte gen, som de har gjort her,« påpeger Martin Rath.

Indsigt i indviklet hjerne og håb for lidelses-ramte

Hjernen er én af de helt store fronter for moderne videnskab, for organet er super-indviklet og samtidig nærmest altafgørende for vores tilværelse.

Derfor er Vijay Tiwari heller ikke et sekund i tvivl, når man spørger ham om vigtigheden i hans forskerholds arbejde:

»For os forskere er det selvfølgelig interessant i sig selv at lære det komplekse genetiske grundlag for, hvordan din og min hjerne udvikler sig,« påpeger han.

Samtidig håber han også, at det overblik, de har skabt over gen-aktivering under hjernens udvikling, især i henhold til Cux2's effekt på strukturen, kan bane vejen for forskning i behandling af lidelser, der forårsages af fejl i folderne.

»Det tilbyder lidt håb for de mange mennesker, der er berørt af disse lidelser,« mener Vijay Tiwari.

Selvom det ville være en overdrivelse at pege direkte på en sygdom, som studiet vil hjælpe med, kan man heller ikke sige, at det ikke kan få betydning.

»Det her er god grundforskning, og hvis vi ikke havde den her dybere viden, ville vi have meget sværere ved at nå frem til noget, vi kunne bruge mere praktisk,« siger Martin Rath.