Det sker i hjernen, når vi skaber minder
Et nyt forskningscenter ved Aarhus Universitet studerer de kemiske forbindelser, der lagrer vores minder i hjernen. På sigt kan det måske bidrage til at løse Alzheimers gåder.
hukommelse hjerne minder

Det er vores hjernes kemiske forbindelser, 'hukommelsens molekyler', der danner fundamentet for, at vi kan huske, hvad vi har oplevet. (Foto: Shutterstock)

»Hvor var du anden mandag i september sidste år?« 

Hvis du er som de fleste, kan du ikke svare uden en kalender.

Hvis man derimod spørger: »Hvor var du 11. september 2001?«, vil mange kunne huske denne dag i detaljer.

For eksempel kan jeg selv huske, at jeg havde kemi i sidste time på gymnasiet, og at jeg senere var til fodboldtræning. 

Vores hukommelse kan lagre information i flere årtier, men langt fra al information bliver gemt.

Oplevelser bliver lagret, hvis de er usædvanlige eller vækker stærke følelser. Og de kan trække hverdagsagtige erindringer med sig, som for eksempel fodboldtræningen efter terrorangrebet i New York.

Vi ved, at vores hukommelse sidder i hjernen. Men hvad gør hjernen i stand til at lagre information?

Historien kort
  • Vores hukommelse sidder i hjernen og fungerer via såkaldte synaptiske forbindelser mellem vores hjerneceller.
  • Et nyt forskningscenter ved Aarhus Universitet, PROMEMO, skal udføre grundforskning, der kan kaste lys over hjernens grundlæggende hukommelsesmekanismer. 
  • På sigt kan den slags grundforskning måske være med til at forebygge sygdomme som Alzheimer og skizofreni.

Hjernen bruger kemi, ikke magi!

Der er ikke umiddelbart noget magisk ved hjernen. Den består af samme typer molekyler som resten af kroppen.

Det er hjernens såkaldte plasticitet, der gør, at den kan lagre information: Hjernens struktur formes af input fra omgivelserne og vores tanker.

I modsætning til de fleste andre fysiologiske processer kan disse ændringer vare et helt liv.

Hjernens plasticitet opstår ud fra den måde, hjernecellerne taler med hinanden: 

  • Cellerne er forbundet af såkaldte synapser, hvor en celle sender signaler til en anden.
  • Synapsen bliver stærkere eller svagere, afhængigt af om den bliver brugt eller ej.
  • Synapser kan også forsvinde helt, eller nye kan dannes.

Vores oplevelser forårsager dermed synaptiske signaler, der efterlader et varigt spor i vores hjerne. Dette er fundamentet for hukommelse.

Synaptisk kommunikation foregår altså ved, at en synapse udsender et kemisk signal, som bliver modtaget af den anden celle.

Varige ændringer skyldes en biokemisk proces

Spørgsmålet er så, hvordan dette midlertidige signal bliver omsat til en varig ændring?

Årtiers forskning har vist, at dette primært er en biokemisk proces:

Synapsen kan både stimuleres eller blokeres af kemikalier, der påvirker proteinerne i synapsen.

Blokering kender vi for eksempel fra stoffet ketamin, som hæmmer et protein, der modtager synaptiske signaler. Det er derfor, ketamin kan bruges som bedøvelse, da det inducerer bevidstløshed i den rette dosis.

Hvordan ved man, om en mus kan huske?

På lang sigt vil vi gerne forstå menneskelig hukommelse, men som molekylærbiolog er det ofte en fordel at arbejde med forsøgsdyr. Derfor er det nødvendigt at kunne teste, hvad eksempelvis en mus kan huske.

Man kan desværre ikke udspørge en mus direkte. I stedet designer man forsøg, hvor musens opførsel afslører, hvad den kan huske.

Disse forsøg benytter sig af musens evne til at tilpasse sin opførsel til tidligere oplevelser:

Mus søger tilbage til steder, hvor de får mad og undgår steder, hvor de bliver skræmt. Dermed kan man 'måle' musens hukommelse ved at se, hvor ofte den søger tilbage til de 'rigtige' steder.  

Man har brugt den type eksperimenter til at undersøge, hvilke proteiner der er involveret i hukommelse.

Hvis musen ikke længere kan huske, hvor maden var, når man blokerer et protein, er proteinet sandsynligvis involveret i hukommelsen.

Man kan altså teste en mus' hukommelse ved at følge dens adfærd.

Musen skal finde hullet

Nedenstående eksempel viser en 'Barnes maze', som er en rund platform med huller ved kanten. Der er kun en udgang i et af hullerne.

Først får musen lov til at undersøge opstillingen. Næste dag måler man, hvor lang tid det tager musen at finde det rigtige hul.

En almindelig mus løber direkte til det rette hul som vist med det røde spor, der følger musens bevægelser.

En mus, der ikke kan huske farer, undersøger platformen i lang tid, før den finder det rigtige hul.

barnes mace paths hukommelsens molekyler

Her har to mus bevæget sig (røde/gule spor) i en Barnes path maze, der er designet til at måle musenes hukommelse. (Figur: tilpasset fra Wikimedia Commons)

Jagten på hukommelsens molekyler

Sidste år startede grundforskningscenteret PROMEMO ved Aarhus Universitet med det formål at studere proteiner involveret i hukommelse.

Her vil vi blandt andet undersøge, hvilke nye proteiner der dannes, når en erindring skabes.

Det er svært at studere, da en given oplevelse kun påvirker en lille del af hjernens celler: At finde de rigtige celler er som at finde en forsvundet kammerat foran Roskilde Festivals Orange Scene.

Vi har et trick, som vil gøre det muligt at lokalisere de celler, der er involveret i en erindring: Optogenetik.

Med optogenetik kan man aktivere specifikke hjerneceller i for eksempel en rotte med en laser.

Book et gratis foredrag om hukommelsens molekyler

Magnus Kjærgaard 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: ’Hukommelsens molekyler’. Book ham her

Vi ved præcis, hvor i hjernen erindringen skabes

En af partnerne i PROMEMO har, før han kom til Danmark, vist, at man kan skabe falske erindringer i en rotte.

Man kan altså få en rotte til at huske noget, som den ikke har oplevet. På samme måde kan man også slette hukommelsen igen.

Dette system gør, at vi ved præcis, hvor i hjernen erindringen skabes. Det giver os en stor fordel i forhold til at finde nye proteiner, men også i forhold til at studere ændringer i synapsernes struktur.

Teknologi på Aarhus Universitet kan revolutionere feltet

Indtil for ganske nyligt ville det have været umuligt at se enkelte molekyler i for eksempel en synapse.

Der er dog for nyligt sket en mindre revolution inden for elektronmikroskopi, der gør det muligt at studere væv med atomar opløsning.

På Aarhus Universitet har vi for nyligt fået etableret en state-of-the-art elektronmikroskopi-facilitet.

Ved at kombinere optogenetikken med elektronmikroskopi, vil vi forhåbentligt kunne se de ændringer i hjerneproteinerne, der følger med dannelsen af en erindring.

Hjernens proteiner spiller central rolle

Hjernens proteiner er helt centrale i denne proces.

Det virker måske underligt, da vi i vores hverdag mest møder proteiner som en del af vores kost.

Proteiner er dog meget mere end bare mad. Proteiner er kroppens nanomaskiner og er involveret i stort set alle biologiske processer.

Proteiner kan deltage i så mange forskellige processer, fordi de har såkaldte 'emergente' egenskaber. Det vil sige egenskaber, der ikke kan forklares fra deres enkelte komponenter.

Emergente egenskaber dukker først op, når elementerne bliver kombineret.

Proteiner er naturens LEGO

For proteiner kommer de emergente egenskaber fra deres struktur.

Proteiner består af lange kæder af aminosyrer, der danner en specifik struktur bestemt af rækkefølgen af aminosyrer.

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.

Aminosyrerne minder om LEGO-klodser:

Man kan bygge mange forskellige modeller af de samme klodser ved at kombinere dem på forskellige måder. Dermed kan man bygge næsten alt i LEGO, og man bygge mange forskellige nanomaskiner af aminosyrer.

Et eksempel på et protein, der er vigtigt for hukommelsen, er enzymet med det kryptiske navn CaMKII.

CaMKII bliver aktiveret, når en synapse bliver stimuleret.

Før CaMKII bliver aktiveret, forbliver det i den inaktive tilstand.

Når CaMKII først er aktivt, forbliver det aktivt i meget lang tid.

Aktivering af CaMKII er derfor en af mekanismerne, hvorved stimulering af synapsen forårsager en blivende ændring.

hukommelsens molekyler camkii

Molekylær model af enzymet CaMKIIs struktur i den inaktive tilstand. 12 ens enheder samles i en symmetrisk struktur. Når CaMKII bliver aktiveret, forbliver det aktivt, fordi de 12 enheder kan genaktivere hinanden. (Figur: Magnus Kjærgaard)

Grundforskning: Fra erkendelse til anvendelse

PROMEMO er et grundforskningscenter. Definitionen af grundforskning er, at det primære mål er forståelse og ikke umiddelbar anvendelse.

Dog viser erfaringen, at nye grundvidenskabelige erkendelser ofte fører praktisk anvendelse med sig.

Men anvendelsesmulighederne er ofte svære at forudsige på forhånd.

Vigtigt skridt mod at udvikle demensbehandling

Tabet af hukommelse er en vigtig del af demens-sygdomme som Alzheimer. Ved at forstå de grundlæggende mekanismer for hukommelsen kan man måske mindske symptomerne ved demens.

Hjernen er et utroligt komplekst system, og som andre komplekse systemer er der mange ting, der kan gå galt - for eksempel psykiatriske sygdomme.

De genetiske forandringer, der øger risikoen for psykiatriske sygdomme som for eksempel skizofreni, er ofte knyttet til ændringer i proteiner, der styrer kommunikation i synapserne.

Psykiatriske sygdomme skyldes nok delvis molekylære ændringer, der gør, at hjernens kommunikationssystemer opfører sig usædvanligt.

Forståelse af disse systemer ned til mindste detalje er derfor et vigtigt skridt imod at udvikle fremtidens behandlinger.

Videnskab.dk's manifest

5 spørgsmål, du bør stille dig selv, når du læser om forskning


Ugens Podcast

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