Forskere hædres for opdagelser, der kan forklare, hvordan hjernen er i stand til at ændre sig gennem hele livet

Hjernen har en utrolig evne til at forme og omforme sig gennem hele tilværelsen.

I takt med at vi vokser op, registrerer hjernen de erfaringer, vi gør os, så vi kan lære af vores omverden. Det er sådan vi lærer alt fra at cykle og tale.

Hjernens egenskab til at omforme sig kaldes for neuroplasticitet.

Nu er tre forskere blevet honoreret med verdens største hjerneforskningspris for deres undersøgelser af netop de bittesmå mekanismer bag neuroplasticitet.

Vindernes opdagelser har revolutioneret hjerneforskningen, for hvis vi skal forstå, hvordan hjernen fungerer og omformer sig, er vi nødt til at forstå de allermindste led af hjernens infrastruktur, siger en dansk forsker i protein-biokemi.

»Vi kan godt se, hvordan celler fungerer og udvikler sig i mikroskoper, men bag ved den mekanisme ligger et meget komplekst samspil af, hvordan molekyler fungerer og opbygger celler. Det er den kobling til at forstå, hvordan celler er baseret på molekylære funktioner, som forskerne har kastet meget vigtigt lys på,« siger Poul Nissen, professor og gruppeleder af DANDRITE – Danish Research Institute of Translational Neuroscience ved Institut for Molekylærbiologi og Genetik på Aarhus Universitet.

Opdagelserne bidrager med fornyet indsigt i, hvorfor vi får neuroudviklingsforstyrrelser som autisme og neurodegenerative sygdomme som Alzheimer, og kan i fremtiden danne grundlag for bedre forebyggelse og behandling, udtaler forskerne i en pressemeddelelse fra Lundbeckfonden.

Poul Nissen er enig:

»Lægemidler virker jo netop ved at påvirker de her biomolekyler, så større indsigt i de biomelylære mekanismer er essentielt for at udvikle nye og bedre lægemidler. Her er vi på revolutionerende vis kommet et stort skridt videre i forståelsen af, hvordan molekylære netværk danner baggrund for neurovidenskab, og det har kæmpe betydning for, hvordan vi kan anvende den information,« lyder det.

Hvordan opstår neuroplasticitet?

Noget af det, der gør Brain Prize-vindernes jagt på at forstå, hvordan neuroplasticitet fungerer, så betydningsfuld, er, at hjernens celler er langt mere gådefulde end kroppens øvrige celler.

»Udfordringen i neurobiologi og psykiatri er, at vi kigger meget mere indirekte på patient-væv end i for eksempel kræftforskning. Hvis du har en leversygdom, kan du tage en biopsi, men hvis du har en hjernesygdom, kan du ikke sådan lige tage en prøve ud af folks hjerne. Defor er vi meget mere afhængige af en sofistikeret forståelse af molekylernes grundprincipper,« siger Poul Nissen, der selv forsker i, hvordan molekylerne, der danner grundlag for kontakten mellem nerveceller, fungerer.

For at forstå, hvad det er for nogle opdagelser, årets Brain Prize-vindere har gjort, kræver det netop en indføring i, hvordan hjernens enorme vejnet af nerveceller sender kommunikation mellem forskellige hjerneregioner.

Det er nemlig den kommunikation, der skaber neuroplasticitet – hjernens evne til at forme og omforme sig. Lad os springe ud i forklaringen: vores hjerner kommunikerer via milliarder af nerveceller, der binder hjernens regioner sammen.

Når nerveceller i et bestemt område kommunikerer heftigt med hinanden, sender de såkaldte neurotransmitter-molekyler afsted på vejnettet.

Der er øget aktivitet i en hjerneregion, hvis vi er i gang med at lære en ny færdighed. Det kunne for eksempel være, hvis vi er i gang med at tilegne os et nyt sprog.

Du kan forestille dig neurotransmitterne som bittesmå højhastighedsbiler, der suser afsted på vejnettet for at nå fra en nervecelle til en anden. Når der er særligt tæt trafik i et område, styrker det forbindelserne mellem nervecellerne.

De styrkede forbindelser sker lige der, hvor den mikroskopiske højhastighedsbil passerer fra den ene nervecelle til den næste. Og det er netop der, neuroplasticiteten skabes.

Når vejnettet mellem nerveceller styrkes i et bestemt område, gør det nemlig neurotransmitterne endnu bedre til at passere her.

I dit dagligdags liv betyder det, at din hjernes kapacitet til at lære sprog bliver større, hvis du lærer et nyt sprog, fordi nervecellerne omformer sig i sprogområdet.

Du kan høre meget mere om, hvilken rolle neuroplasticitet spiller i dette afsnit af Videnskab.dk’s hjernepodcast Brainstorm.

Gammel teori har givet forskere hovedpine

Nu kommer vi til vinderne af prisen!

Et spørgsmål om nervecellernes kommunikation har længe undret hjerneforskere, siger en af årets vindere, Erin Schuman fra Tyskland, på et virtuelt pressemøde, som Brainstorm – Videnskab.dk’s hjerneredaktion – har overværet:

Nervecellerne kan ikke danne forbindelser uden en konstant forsyning af protein. Men hvordan kan proteinet nå hurtigt nok frem til den kløft mellem nerveceller, hvor forbindelsen dannes?

Det modtager to af årets vindere, Christine Holt fra Storbritannien og Erin Schuman, prisen for at give et svar på.

Spørgsmålet har længe fået forskere til at klø sig i nakken, fordi der har hersket en teori om, at protein udelukkende dannes i cellekernen, som sidder i toppen af nervecellen. Og den teori har medført lidt af et forklaringsproblem, fortæller de.

Protein skulle ud på en uoverskuelig rejse

Teorien har været svær at få til at passe, fordi en nervecelle er sådan indrettet, at den runde cellekrop med kernen i toppen har en lang nervetråd fastgjort i bunden, der hedder et akson – det er det føromtalte vejnet mellem celler – og det akson kan være ekstremt langt.

Aksonet munder ud i en masse forgreninger med en vækststruktur for enden, der på dansk kan kaldes en ‘vækstkegle’. Når vores hjerne udvikler sig, mens vi er små, lader vækstkeglen aksonet finde vej gennem hjernen, så det kan vokse ud mod tråde fra andre nerveceller og skabe de rigtige forbindelser.

»Hvis de her forbindelser ikke etableres eller de udvikler sig forkert, kan resultatet være alvorlige neurologiske problemer såsom blindhed eller autisme. På samme måde, hvis forbindelserne ikke bliver vedligeholdt senere i livet, sådan som det er tilfældet med flere neurodegenerative sygdomme såsom ALS, kan vigtige neurologiske funktioner gå tabt,« siger Christine Holt, der er professor ved Department of Physiology, Development and Neuroscience på Cambridge Universitet i Storbritannien.

Det er netop herude, hvor trådene fra forskellige nerveceller næsten rør hinanden, der hele tiden er brug for protein. Et akson kan dog være op til en meter langt, så det stakkels protein skulle rejse utroligt langt på meget kort tid for at nå fra cellekernen til den synaptiske kløft, inden det falder hen, fortæller Christine Holt.

Den problematik fik Christine Holt og Erin Schuman til at tænke: ‘Måske foretager proteinet slet ikke den rejse?’

Opdagede vigtig mekanisme i proteindannelse

For at teste det gjorde Christine Holt noget, der lyder ret simpelt: Hun skar ‘vækstkeglen’ af aksonet, og kunne derefter gøre store øjne.

»Vækstkeglen navigerer ved at bruge forskellige tegn i miljøet, ligesom du og jeg læser vejskilte på en landevej. Du kan skære den af aksonet, men den reagerer stadig på tegn i omgivelserne,« siger Christine Holt i pressebriefingen.

Sammen med sit forskerhold har hun fundet tegn på, at vækstkeglen kan handle selvstændigt, fordi den indeholder såkaldt mRNA – et molekyle, der er helt særligt, fordi det er det eneste, der kan danne protein. Det har også vist sig, at forskellige ‘vejskilte’ i hjernen trigger mRNA’et i vækstkeglen til at lave protein, så aksonet kan vokse i den rigtige retning, når hjernen udvikler sig, lyder det.

Men det er ikke kun aksoner, der indeholder små proteinfabrikker.

I den modsatte ende af nervecellens anatomi end den, hvor aksonet skyder frem, udspringer et forgrenet rodnet af tynde nervetråde, der hedder dendritter. Det er dem, aksonet rækker ud mod, når det skal sende et signal, og som modtager signalet og overfører det til sin egen cellekerne.

Her har Erin Schuman og hendes kollegaer afsløret, at dendritterne – ligesom aksoner – indeholder mRNA, der bliver omdannet til protein, fortæller Erin Schuman på pressemødet.

Med andre ord: Hun mener altså at have fundet skjulte proteinfabrikker for enden af vejen ved kløften over til aksonet fra en anden nervecelle.

Opdagede ukendt gen

Den tredje vinder af årets Brain Prize er Michael Greenberg fra USA.

Han har påvist, at de tidligere nævnte neurotransmittere – bilerne på vejen – bliver fanget af dendrit-rodnettet i modtager-nervecellen, aktiverer det et gen, som han sammen med sin forskergruppe har opdaget, fortæller han.

Det er det såkaldte FOS-gen, der skaber nye proteiner i modtager-cellens kerne, og de skaber store ændringer i nervecellen.

Her er ikke tale om den kortvarige ændringer af hjernens forbindelser, som Erin Schuman og Christine Holt hver især har undersøgt, men om langvarige ændringer af hjernens forbindelser, der holder i uger, måneder og år, lyder det.

»De her ændringer er grundlaget for læring og adfærd livet igennem, og kan sandsynligvis forklare vores evne til at huske ting fra vores barndom, når vi er 80-100. De påvirker også vores kapacitet til at lære at navigere i et nyt miljø,« siger Michael Greenberg, der er professor ved Harvard Medical School i Boston, USA, under pressebriefingen.

Går mekanismerne bag den langvarige hjerneplasticitet i stykker, kan det føre til forskellige udviklingsforstyrrelser såsom Alzheimer og Parkinson’s, tilføjer han.

Hvornår kan du få gavn af opdagelserne i din hverdag?

Nu har du, kære læser, kørt rundt på hovedvejene i hjernens komplekse vejnet, og som du måske har fornemmet, beskriver denne type forskning bittesmå elementer bag grundlæggende mekanismer i hjernen. Vi taler altså om det, forskere kalder ‘grundforskning’.

Og der kan gå mange år, før grundforskning som den, der har vundet dette års Brain Prize, kan føre til nye behandlinger af for eksempel sygdomme som Alzheimer og Parkinson’s, men de tre vindere svarer dog optimistisk på, hvornår forskningen kan føre til bedre behandling og forebyggelse af neurodegenerative sygdomme, da Brainstorm spørger ind til det på pressemødet.

»Når det gælder om at føre forskningen ud i livet, har hjerneforskere gjort opdagelser, som nu sandsynligvis gør det muligt at se fremskridt, der leder til behandling og forebyggende indgreb i det næste årti – på samme måde, som vi har set store udviklinger i kræftbehandling for kræft de sidste 20 år,« siger Michael Greenberg.

De to andre forskere stemmer i. Vi kan ikke udvikle behandlinger i morgen, og det er svært at forudsige præcis hvornår, for en enkelt opdagelse kan ændre alt, men vi ved mere om hjernens forunderlige vejnet end nogensinde før, lyder det.

Poul Nissen griner lidt, da Brainstorm spørger ham, om tidsrammen er realistisk – men han er ikke afvisende:

»Det er jo altid den tidsramme, vi forskere taler i. Når vi siger, at noget kan lade sig gøre om 10 år, mener vi, at det konceptuelt godt kan lade sig gøre, men det er selvfølgelig svært at sige med sikkerhed,« siger han.

Nye avancerede modeller til at undersøge hjernens celler er dog i rivende udvikling – blandt andet arbejder hjerneforskere flere steder i Danmark og udlandet med at studere hjerneceller i 3D-printede minihjerner i stedet for i mus eller petriskåle.

Den slags tiltag kan sætte fuld fart på forskningen, og der er ingen tvivl om, at hjerneforskningen går nogle spændende år i møde, mener han.