Samma sorts nervceller kan ha helt olika kopplingsscheman hos råttor och möss, eftersom möss kan sakna så kallade gap junctions – molekylära kanaler som förbinder cellerna med varandra. Den oväntade upptäckten ger forskarna en ny modell för att studera betydelsen av dessa kanalförbindelser i hjärnan.
Hjärnan består av nervceller (neuron) som är kopplade till varandra i nätverk. Eftersom hjärnan arbetar med bearbetning och överföring av information, är det viktigt att förstå hur kopplingarna mellan neuronen fungerar och på vilket sätt de avgör hur cellerna ska samspela. Kunskapen om spelreglerna är nödvändig för att förstå hur den friska och sjuka hjärnan fungerar.
Styr överlevnadsfunktioner
Forskargruppen vid Karolinska institutet studerade en grupp neuron i hypothalamus, den del av hjärnan som styr grundläggande överlevnadsfunktioner som aptit, fortplantning och aggression. Dessa så kallade TIDA-neuron (tuberoinfundibulära dopamin-neuron) signalerar genom dopamin och styr frisättningen av hormoner från hypofysen.
TIDA-cellerna i råttor har även så kallade robusta oscillationer (rytmiska svängningar) i sin elektriska aktivitet. Oscillationerna är perfekt synkroniserade mellan neuronen, så att när en våg börjar i en cell så börjar den exakt samtidigt även i alla andra TIDA-neuron. De har också alltid exakt samma frekvens, oavsett om den uppmäts i olika neuron eller till och med i olika djur.
Saknar kanalförbindelser mellan cellerna
Helt oväntat upptäckte forskarna att TIDA-cellerna i råtta och mus betedde sig annorlunda. Till skillnad från råttans, var mössens oscillationer oregelbundna, snabbare och varierade kraftigt i frekvens från djur till djur, och från cell till cell. Orsaken visade sig vara att mössens TIDA-celler helt saknade så kallade gap junctions, ett slags proteinrör som är vanligt förekommande i centrala nervsystemet hos däggdjur (inklusive människa) och som fungerar som molekylära kanaler mellan cellerna. Råttans TIDA-celler var däremot förbundna genom mycket starka sådana kanalförbindelser.
– Ofta antar vi att hjärnan är likadant uppbyggd hos relativt närbesläktade arter som råtta och mus, men i det här fallet har de fått fundamentalt olika kopplingsscheman i likartade grupper av nervceller, säger Christian Broberger, senior forskare vid institutionen för neurovetenskap, Karolinska Institutet, som lett studien.
Påverkar många av hjärnans funktioner
Kanalförbindelserna fungerar parallellt med de mer klassiska nervcellskopplingarna i form av synapser i hjärnan. Den aktuella upptäckten ger forskarna en ny modell för att studera betydelsen av kanalförbindelser eftersom samma sorts nervceller hos gnagare nu kan studeras med och utan gap junctions. Tidigare metoder har haft begränsningar då exempelvis de kemiska substanser som använts för att blockera kanalförbindelserna interagerar med många andra proteiner. Med den nya modellen har forskarna kunnat visa att kanalförbindelserna inte bara är viktiga för att synkronisera celler i en och samma oscillation, utan även avgör vilken frekvens oscillationen ska hålla.
– Upptäckten är viktig eftersom oscillationer i nervcellsaktivitet är mycket vanligt i många olika delar av hjärnan och bidrar till sömn, minne, tolkning av synintryck och reglering av hormonfrisättning, men även ses vid sjukdomar som epilepsi och Parkinsons sjukdom, säger Christian Broberger.
Studien finansierades av ERC-startanslag, Vetenskapsrådet, Strategiska forskningsprogrammet i diabetes på KI, Hjärnfonden, Novo Nordisk Fonden och Karolinska Institutets stiftelser och fonder.
Publikation
Network Oscillation Rules Imposed by Species-Specific Electrical Coupling
Stefanos Stagkourakis, Carolina Thörn Pérez, Arash Hellysaz, Rachida Ammari och Christian Broberger
eLife, online 3 maj 2018, doi: 10.7554/eLife.33144
