De fant «nettingstrømpene» som beskytter langvarige minner i hjernen

Det har lenge vært kjent at hjernen lagrer minner i form av fysiske forandringer i synapsene, som er betegnelsen på koblingspunktene mellom hjerneceller. Hvis hjernen bestemmer seg for å lagre et minne, blir koblinger i et helt nettverk av hjerneceller styrket på en måte som er spesifikt for hvert enkelt minne. Disse endringene kan være så stabile at eldre mennesker kan ha minner om ting som skjedde for opptil 80-90 år siden.

Nå har forskere ved Centre for Integrative Neuroplasticity (CINPLA) ved Universitetet i Oslo, som de første i verden, vist at også strukturer utenfor hjernecellene og synapsene har noe med hukommelsen å gjøre. Den siste av tre vitenskapelige artikler om emnet ble nylig publisert i det svært anerkjente tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences, og den har vakt stor oppsikt.

Forskerne undersøkte sukkerholdige proteinstrukturer – proteoglykaner – som danner et nett rundt nerveceller i noen områder i hjernen hos rotter. Disse nettene stabiliserer kontaktpunktene til andre hjerneceller, altså de punktene hvor minnene lagres.

– Vi kaller disse «nettingstrømpene» for perinevrale nett på fagspråket, fordi det er snakk om et nett som ligger utenpå hjernecellene eller nevronene. Vi har nå påvist at langtidsminnene blir ødelagt når disse nettene brytes ned, forteller førsteamanuensis Marianne Fyhn, som leder CINPLA.

Eureka-øyeblikket

Forskergruppens Eureka-øyeblikk kom i mars 2015, da den daværende mastergradsstudenten Elise Holter Thompson gikk gjennom videoer av to grupper rotter som hadde gjennomgått en hukommelsestest og studerte deres adferd.

– Den oppgaven var egentlig litt kjedelig, men plutselig oppdaget jeg noe veldig rart. Jeg måtte spole videoene tilbake og se på dem flere ganger for å bli sikker, og så ropte jeg på Kristian Lensjø og Mattis Wigestrand. De så også på videoene flere ganger, og så var vi enige i at vi hadde funnet noe kult, forteller Thompson – som nå er stipendiat.

– Forhistorien var at vi hadde lært rottene å assosiere et lysblink med en ubehagelig hendelse. Denne typen læring skaper svært robuste og varige minner. Etter læringen ble rottene delt inn i to grupper: én hvor de perinevrale nettene ble fjernet, mens den andre gruppen utgjorde en kontrollgruppe og hadde intakte nett. Og det vi oppdaget i 2015, var at de to gruppene oppførte seg veldig forskjellig, forteller Lensjø til Titan.uio.no.

– Rottene som hadde intakte perinevrale nett reagerte momentant da lyssignalet kom på, fordi de husket at blinket varslet om noe ubehagelig. Men rottene som manglet «nettingstrømper» rundt hjernecellene, lot seg ikke affisere av lyset – det så ut som om de hadde glemt det de hadde lært, forteller Mattis Wigestrand, som har sin bakgrunn fra forskningsgrupper i USA som er ledende på denne typen adferdsoppgaver.

– Det å sette opp en adferdsoppgave som tester akkurat det vi ønsker, etter så lang tid som en måned, er svært utfordrende. Da var det ekstra gøy når vi fikk det til, sier Wigestrand.

Ideen kom fra en nobelprisvinner

– Men hvordan kom dere på ideen om å fjerne perinevrale «nettingstrømper» i en rottehjerne, og hvordan gjør man det?

– Vi fikk ideen da vi leste en artikkel av den amerikanske biokjemikerenRoger Tsien, som fikk nobelprisen i kjemi i 2008. I artikkelen antydet han at disse strukturene utenpå hjernecellene potensielt kunne spille en rolle for langtidslagringen av minner, fordi disse molekylene er langt mer stabile enn stoffene som finnes inne i nervecellene. Det fikk vi lyst til å undersøke, svarer førsteamanuensis Torkel Hafting.

– Jeg ble introdusert for Tsien på et møte i San Diego i mars 2016. Da viste jeg ham resultatene av at vi hadde testet ideen hans, og han syntes det var kjempegøy. Dessverre døde han bare få måneder senere, tilføyer Fyhn.

Marianne Fyhn forteller at teknikken med å fjerne perinevrale nett ble utviklet av andre forskere. Spesielt én av den norske gruppens samarbeidspartnere, James Fawcett og hans italienske kollegaer, har vært viktig for å undersøke hvordan nettene begrenser hjerneplastisitet. De har blant annet fokusert på ryggmargsskader hos rotter. Det vanlige etter slike skader er at stoffer som kjemisk ligner veldig på de perinevrale nettene, danner et slags arrvev for å begrense området som er skadet, men det fører igjen til at nervecellene ikke klarer å vokse forbi skadestedet.

– De britiske forskerne fant ut at det gikk an å fjerne disse molekylene ved å injisere et enzym – chondroitinase – som klipper i stykker de lange sukkermolekylene som binder sammen molekylene i nettene. Da går nettene i oppløsning, og nervecellenes utløpere kan begynne å vokse gjennom skadestedet igjen. Forskerne kom ganske langt i retning av å utvikle en slik behandling for mennesker med ryggmargsskader, men den farmasøytiske industrien var dessverre ikke villig til å ta denne forskningen gjennom kliniske forsøk, forteller Fyhn.

Gamle hjerner ble som unge igjen

Eureka-øyeblikket i mars 2015 innledet en lang serie med kontrollforsøk og nærmere undersøkelser, som bekreftet at «nettingstrømpene» virkelig påvirker langtidslagringen av minner.

– Men de mer kortvarige minnene blir ikke påvirket. Et nytt minne trenger ikke slike stabiliserende strukturer, samtidig som nye minner er avhengige av andre hjerneområder enn dem vi studerte her, forteller Kristian K. Lensjø.

Forskerne i CINPLA-gruppen studerer rotter fordi deres hjerne er ganske likt bygget opp som vår egen, slik at ny kunnskap om rottenes hjerner også kan fortelle noe om hvordan menneskehjernen virker. Marianne Fyhn forteller at de tilsynelatende hullene i «nettingstrømpene» egentlig er åpninger som gir plass for synapsene, det vil si for kontaktpunktene mellom cellekroppen og nervetrådene som kommer fra andre hjerneceller.

– Hos både rotter og mennesker er det slik at unge individer lærer fort, og den unge hjernen har lite utviklede perinevrale nett. Men ved en viss alder etableres disse nettene, trolig for å beskytte de tingene som er innlært. Ulempen er at det blir mer krevende å lære nye ting, forteller Lensjø.

Hjernen beholder heldigvis en viss evne til å lære også etter at nettene er på plass. Hjernecellene produserer nemlig enzymer som er i stand til å påvirke strukturen til de perinevrale nettene.

– Når hjernen skal lagre et nytt og sterkt minne, må synapsen bli litt større, og da må hjernen bruke sitt eget enzym for å «klippe» et litt større hull i nettingstrømpen, forteller Torkel Hafting.

Forskergruppens første artikkel om de perinevrale nettene ble publisert i februar 2017 og viste at injeksjon av chondroitinase i hjernen hos voksne rotter førte til at hjernene ble nesten som unge igjen. Hjernecellene som vanligvis er omsluttet av perinevrale nett, oppførte seg ikke helt som de skal i en voksen hjerne, men til gjengjeld ble rottene flinkere til å lære nye ting.

Nettene er ujevnt fordelt

Den neste artikkelen ble publisert i mai 2017 og viste at de perinevrale nettene er ujevnt fordelt i hjernen. Nettene er mest utbredt i store deler av hjernebarken, som også er «lagringsplass» for de langvarige minnene. I den lille strukturen som heter hippocampus, derimot, er de perinevrale nettene lite utbredt.

– Det rimer godt med at hippocampus er en struktur som hele tiden bearbeider og setter sammen nye inntrykk til minner, men den er nok ikke ansvarlig for å lagre minner over svært lang tid, kommenterer Fyhn.

Den tredje artikkelen ble altså publisert i romjula i 2017 og avslørte det virkelig store funnet: At «nettingstrømpene» rundt nerveceller i hjernebarken er avgjørende for stabiliseringen av langtidsminner.

– Vi fjernet altså en struktur på utsiden av nervecellene som egentlig ikke hadde noe med selve nervesignalene å gjøre. Derfor ble vi overrasket over å se hvor sterk effekten var i de første eksperimentene, sier Mattis Wigestrand.

Linker til Alzheimers og schizofreni

Forskerne i CINPLA-gruppen håper at ny kunnskap om hjernens virkemåte vil gjøre at vi på sikt kan forstå hjernelidelser – og på lang sikt skal åpne nye muligheter for behandling av for eksempel Alzheimers sykdom og andre lidelser. De perinevrale nettene har dessuten en kobling til schizofreni, og denne koblingen er forskerne allerede i ferd med å se nærmere på.

– Det er vist at hjerner fra pasienter med schizofreni har unormalt utviklede perinevrale nett. Schizofreni er jo en lidelse som ofte oppstår sent i ungdomsårene, nettopp når de perinevrale nettene begynner å etableres. Men vi skal huske på at dette er funn som er basert på obduksjoner av mennesker som ofte har vært tungt medisinert i mange år, og det kan opplagt ha påvirket funnene, forteller Fyhn.

– Det som derimot er mer interessant, er at disse nettene er mest utbredt rundt den typen hjerneceller som er ansvarlig for en spesiell type høyfrekvente hjernebølger som blir unormale nettopp hos folk med schizofreni, tilføyer hun.

I et stort prosjekt kalt DigiBrain skal forskergruppen, sammen med grupper på Oslo universitetssykehus og andre samarbeidspartnere, studere årsaker til forskjeller i hjernebølgeaktivitet mellom schizofrenipasienter og friske kontroller - med målinger i dyr. Ved å kombinere innsikt i gener, pasientmålinger, dyreforsøk og matematisk modellering skal de prøve å avdekke sykdomsmekanismer.

De perinevrale nettene ser også ut til å ha en link til Alzheimers sykdom. Plakkdannelsen som er typisk i hjernen hos mennesker med Alzheimers sykdom, er i dyremodeller nemlig knyttet til en oppregulering av nett rundt plakkene. Nylig publisert forskning har vist at fjerning av nettene i mus med slike plakkdannelser har positiv påvirkning på hukommelsen.

– Det kan være et blindspor, for det er mye som tyder på at plakkdannelsene ikke er en årsak til Alzheimers sykdom. Men det er likevel grunn til å tro at nettene kan være involvert i negative endringer i funksjonen til nervecellene, tilføyer Fyhn.

Overrasket over hvor mye hjerneforskerne vet

Anders Malthe-Sørenssen er professor i fysikk og etablerte CINPLA sammen med Fyhn i 2014. Mens han tidligere gjorde banebrytende arbeid innen geofysikk, bruker han nå sin erfaring fra beregningsorientert fysikk til å studere hjernen i dette tverrfaglige forskningsmiljøet.

– Da jeg kom inn i dette miljøet, ble jeg overrasket over hvor mye hjerneforskerne allerede visste – for eksempel om hvordan hjernecellene kommuniserer ved hjelp av elektriske signaler. Men det er fortsatt langt igjen til vi har en god forståelse av de molekylære mekanismene som foregår inne i hjernecellene. Og det som kanskje er en enda større utfordring, er å forstå hvordan de enorme nettverkene av hjerneceller fungerer, forteller Malthe-Sørenssen.

Flere store prosjekter

CINPLA-forskerne i samarbeid med andre grupper har også flere andre store forskningsprosjekter gående, blant annet Toppforsk-prosjektet BrainMatrix - som er støttet av Norges forskningsråd. Prosjektet er banebrytende ved at fysikere og matematikere går tungt inn for å undersøke hjernen, sammen med de som gjør eksperimenter. I prosjektet skal de undersøke nærmere hvordan nettene i hjernen faktisk fungerer og reguleres, fra de molekylære mekanismene og helt opp til læring og hukommelsesprosesser.

Sammen med professor Gaute Einevoll er de også godt i gang med det forskningsråd-støttede FRIPRO-prosjektet Computing BRAin Signals (COBRA). Selv om de fleste hjerneforskere, både i Norge og utlandet, har bakgrunn innen biologi, medisin eller psykologi, er det forbausende mange fysikere som hevder seg helt i toppen innen hjerneforskning og andre grener av livsvitenskap.

I COBRA-prosjektet skal Gaute Einevoll, Anders Malthe-Sørenssen og Marianne Fyhn bygge en digitalisert modell av en bitteliten del av en musehjerne og simulere en spesifikk aktivitet i et nettverk av hjerneceller i dette området. Deretter skal de beregne hvilke EEG-signaler den aktiviteten gir opphav til på utsiden av hjernen. Hensikten med dette er å kunne forstå mer av hva man egentlig måler med EEG i klinikken.

Forskning på mentale lidelser

Hjerneforskerne ved UiO har også et fjerde prosjekt, nemlig Digibrain. Der samarbeider Marianne Fyhn og IBV-kollegene med professor Ole Andreassen og Norsk Senter for forskning på mentale lidelser (NorMent), som har store kunnskaper om sykdommer som schizofreni og bipolar lidelse.

– De nye funnene våre er viktige skritt på veien mot å forstå hvordan hjernen virker, men det er viktig å huske på at vi hittil bare har beskrevet et nytt fenomen. Det neste skrittet blir å lete etter de molekylære mekanismene som ligger til grunn for det vi har oppdaget, i tillegg til at vi har store forhåpninger til arbeidet som går ut på å modellere prosessene i større deler av hjernen, oppsummerer Marianne Fyhn.

.....

Vitenskapelige artikler:

E.H. Thompson, K.K. Lensjø, M.B. Brænne Wigestrand, A. Malthe-Sørenssen, T. Hafting and M. Fyhn: Removal of perineuronal nets disrupts recall of a remote fear memory. PNAS, December 26, 2017.

K.K. Lensjø, A.C. Christensen, S. Tennøe, M. Fyhn and T. Hafting: Differential Expression and Cell-Type Specificity of Perineuronal Nets in Hippocampus, Medial Entorhinal Cortex, and Visual Cortex Examined in the Rat and Mouse. eNeuro 25 May 2017.

K.K. Lensjø, M.E. Lepperød, G. Dick, T. Hafting and M. Fyhn: Removal of Perineuronal Nets Unlocks Juvenile Plasticity Through Network Mechanisms of Decreased Inhibition and Increased Gamma Activity. Journal of Neuroscience, 1 February 2017.