Heilsa

Óþekktar lendur heilans kortlagðar

Hundruð vísindamanna hafa nú kortlagt stór heilasvæði sem áður hafa lítið verið könnuð. Þetta hefur meðal annars skilað óvæntum uppgötvunum í sumum afkimum heilans – og þessi nýja vitneskja kynni líka innan tíðar að auðvelda milljörðum mannfólks tilveruna.

BIRT: 10/12/2024

Það vakti bæði undrun og hrifningu í vísindaheiminum þegar bandarískum vísindamönnum tókst fyrr á árinu 2024 að kortleggja í smáatriðum einn rúmmillimetra af mannsheila.

 

Þetta kostaði mikla vinnu og niðurstöðurnar voru sláandi en jafnframt sýna þær fram á hve lítið við vitum um heilann. Í heild er heilinn meira en milljón sinnum stærri en þessi eini rúmmillimetri.

 

Það er sem sagt ennþá langt þangað til við fáum nákvæmt kort af heilanum í heild.

 

Þessi þekkingarskortur er mjög hamlandi fyrir þá milljarða jarðarbúa sem þjást af sjúkdómum eða þroskatruflunum í heila. Líf og lífsgæði þessa fólks byggjast að stórum hluta á meðferð og því betur sem vísindamenn þekkja heilann því betri verður meðferðin.

 

En það vill svo heppilega til að gríðarstórt fjölþjóðlegt rannsóknarverkefni, „The BRAIN Initiative“ er komið vel á veg og fyllir út æ stærri svæði sem á heilakortinu hafa hingað til verið ókannað land.

 

Á vegum þessa verkefnis hafa vísindamenn nú þegar kynnt fjölmargar óvæntar niðurstöður.

 

Þar á meðal eru skýringar á frumþroska heilans en þær leiða í ljós ástæður þess að sumir heilar þróast til óvæntra átta.

 

Heilinn er margvíslegur

Það var þáverandi Bandaríkjaforseti, Barak Obama sem hleypti verkefninu „The BRAIN Initiative“ af stokkunum árið 2013. Ætlunin var að vísindamenn þvers og kruss um Bandaríkin og samstarfsmenn þeirra í öðrum löndum næðu að kortleggja netverk heilans og öðlast skilning á hegðun einstakra heilafrumna, bæði í heilbrigðum og sjúkum.

 

Eftir meira en tíu ára rannsóknavinnu eru niðurstöður nú að streyma í hús.

 

Vinnan felst einkum í því að greina eiginleika einstakra heilafrumna og flokka mismunandi gerðir þeirra.

 

Í meginatriðum skiptast frumurnar í fjóra aðalflokka: taugafrumur, stjarnfrumur, fágriplur og örtróð en undirflokkar skipta þúsundum og gegna mismunandi hlutverkum.

4 aðalflokkar heilafrumna

Vísindamenn hafa fundið meira en 3.000 mismunandi gerðir frumna í heilanum en langflestar þeirra falla undir einhvern af fjórum aðalflokkum.

Taugafrumur senda skilaboð - Um 50% allra frumna í heilanum.

Taugafrumur mynda rafboð sem berast um taugaendana og berast þaðan til annarrar taugafrumu. Boðin tryggja samskipti milli mismunandi heilastöðva.

Stjarnfrumur taka til í heilanum - Um 30% allra frumna í heilanum.

Stjarnfrumur fylgjast með efnaumhverfinu í heilanum og stýra blóðflæði, hreinsa til og gera við smáskaða. Stjarnfrumur geta líka hraðað boðskiptum.

Fágriplur auka hraða boðanna - Um 15% allra frumna í heilanum.

Á fágriplum eru taugaendar sem umlykja og vernda taugafrumurnar með fituefninu mýelíni. Þar með er tryggt að boðin berist sem hraðast.

Örtróð verndar heilann - Um 5% allra heilafrumna.

Örtróðfrumur virka sem ónæmisfrumur og gegna lykilhlutverki við að uppgötva og ráða niðurlögum sjúkdómsvaldandi örvera. Stjarnfrumur geta líka fjarlægt skaddaðar heilafrumur.

Taugafrumurnar eru vafalaust mest þekktar og vísindamenn þekkja nú a.m.k. þúsund gerðir af þeim. Taugafrumurnar eiga það sameiginlegt að bera rafboð um heilann og skiptast á upplýsingum um svonefnd taugamót. Þær eru engu að síður afar mismunandi.

 

Sumar bera upplýsingar frá skynfærum inn í heilann en aðrar bera boð út í líkamann. Sumar kveikja á nálægum taugafrumum en aðrar slökkva á þeim. Sumar bregðast við tilteknum boðefnum en aðrar nýta önnur boðefni. Þannig gegnir hver einstök heilafruma tilteknu hlutverki.

Japanskir vísindamenn hafa uppgötvað breytingar í boðefni hjá börnum og ungmennum sem orðið hafa fyrir einelti.

Umhverfis taugafrumurnar eru hinar megingerðirnar þrjár en þær skiptast líka í þúsundir undirflokka sem m.a. verja taugafrumurnar gegn eiturefnum og örverum, sjá þeim fyrir súrefni og næringu og tryggja hámarkshraða taugaboðanna.

 

Þessar frumur eru þó ekki aðeins taugafrumunum til aðstoðar. Í sumum tilvikum stjórna þær beinlínis virkni taugafrumnanna.

 

Ný gerð stjarnfrumna sem uppgötvaðist árið 2023, losar t.d. boðefnið glutamat sem getur gangsett rafboð í taugafrumum. Þessi nýuppgötvaða gerð reyndist eiga þátt í bæði minni og námi, auk þess að vernda gegn sjúkdómum á borð við parkinson og flogaveiki.

 

Í starfi sínu reyna BRAIN-vísindamennirnir ekki aðeins að kortleggja heilann af ítrustu nákvæmni og þá dugar þeim ekki að hafa yfirsýn yfir þá mörg hundruð milljarða frumna sem þar eru, heldur þurfa þeir líka að greina hlutverk einstakra frumna og til þess verks hafa vísindamennirnir þróað alveg nýja aðferð.

 

Frumurnar litamerktar

Eiginleiki og atferli frumu stjórnast af erfðaefni hennar. Það er því ein helsta aðferð BRAIN-verkefnisins að rannsaka hvaða gen eru virk í heilafrumunum.

 

Vísindamennirnir beita aðferð sem kallast einfrumu-RNA-raðgreining og aðferðin hefur verið þróuð og fínstillt eftir því sem verkefninu vindur fram. RNA er eins konar náttúrulegt afrit af virkum genum og með þessari aðferð má því sjá hvaða gen fruman notar.

Heilafrumur grandskoðaðar þúsundum saman

Í verkefninu „The BRAIN Initiative“ er hlutverk hverrar heilafrumu skoðað af nákvæmni. Þetta er gerlegt með nýrri tækni.

1. Frumukjarnar heilans fangaðir í dropa

Heilafrumur eru aðskildar og himnan sprengd. Með þeytivindingu og síun nást 45.000 heilir frumukjarnar sem hver um sig er fangaður í fitudropa.

2. Virk gen aðgreind Í kjörnum frumna

RNA í frumukjarna er afrit af virkum genum í DNA og er raðgreint til að ákvarða hvaða gen séu afrituð. Þannig er unnt að greina hvaða gen eru virk í hverri frumu.

3. Genin afhjúpa tilgang frumunnar

Frumukjarnarnir eru flokkaðir eftir því hvaða gen eru virk. Gerðir heilafrumna falla í mismunandi flokka og þau gen sem eru virk í tiltekinni frumugerð sýna hvert hlutverk frumnanna er.

Árið 2023 birtu nokkrir verkefnishópar niðurstöður rannsókna þar sem þeir höfðu beitt aðferðinni við að kortleggja músarheila af áður óséðri nákvæmni. Að samanlögðu höfðu verið rannsakaðar 32 milljónir heilafrumna – um helmingur frumna í músarheila – og þeim skipt niður í mörg þúsund flokka eftir því hvaða gen reyndust virk.

 

Með aðferðinni reyndist líka unnt að fá mismunandi frumugerðir til að lýsa í mismunandi litum. Þar með gátu vísindamennirnir tekið sneiðmyndir músarheila og fengið litmyndir af því hvernig mismunandi frumugerðir röðuðust saman í einstökum hlutum heilans.

Í nýrri rannsókn tókst að skapa nákvæmt heilakort músa þar sem hver frumugerð fékk sérstakan lit.

Á grundvelli svo nákvæms heilakorts mátti svo greina hvernig hinar fjölmörgu frumugerðir tengjast saman og hafa samskipti. Þannig náði rannsóknin að skapa langtum betri innsýn í heilastarfsemi en vísindamenn höfðu áður.

 

Því fer þó fjarri að BRAIN-verkefnið einskorðist við músarheila. Fjölmargar rannsóknir hafa snúist um að kortleggja mannsheila og niðurstöðurnar hafa sýnt mikilvæga atburði í þroska heilans, atburði sem geta haft gríðarleg áhrif á líf okkar.

 

RNA afhjúpar frumstig einhverfu

Fyrr á árinu 2024 kortlögðu vísindamenn hjá Harvard og Google einn rúmmillimetra af mannsheilavef. Rannsóknin var styrkt af BRAIN-verkefninu og vakti gríðarlega athygli en er þó ekki áhugaverðasti afrakstur verkefnisins. Þessi rannsókn snerist um það eitt að skapa þrívíddarmynd af heilavefnum en hún afhjúpaði ekkert um hlutverk einstakra frumna, virkni þeirra né þróun.

 

Slík þekking hefur náðst í öðrum rannsóknum verkefnisins.

 

Árið 2023 rannsökuðu vísindamenn hjá Icahn-læknadeildinni við Mount Sinai-sjúkrahúsið í New York 12 heila úr látnu fólki, allt frá fósturstigi til fullorðinsaldurs. Eins og margir aðrir vísindamenn BRAIN-verkefnisins gerðu var hér litið á RNA einstakra heilafrumna.

150 milljón taugatengingar fundust í einum rúmmillimetra af mannsheila.

Í þessari rannsókn beindist áhuginn einkum að ýmsum genum sem tengjast þroskatruflunum í heila, svo sem einhverfu, ADHD, OCD (áráttu- og þráhyggjusjúkdómur) og skítsófreníu sem gjarnan hefur verið nefnd geðklofi á íslensku. Niðurstöðurnar komu um margt á óvart.

 

Greiningarnar sýndu svart á hvítu hvar og hvenær sjúkdómarnir byrja að spíra; m.a. gátu vísindamennirnir séð að gen sem tengjast ADHD og einhverfu voru afar virk á fósturstigi. Þróun þessara sjúkdóma hefst sem sagt strax í móðurkviði.

 

Aðrar niðurstöður sýndu að stjarnfrumur gegna mikilvægu hlutverki í þróun OCD en fágriplur tengjast kvíða og taugafrumur tengjast lystarstoli.

Í fyrsta sinn hafa verið mældar breytingar í heilanum sem eru undanfari þunglyndis og einkenna þess. Skoskir vísindamenn telja að með þessu verði hægt að spá fyrir um sjúkdóminn.

Í enn einni rannsókn á vegum BRAIN-verkefnisins einbeittu sérfræðingar hjá læknadeild Marylandháskóla í Baltimore sér að einhverfu. Sömu aðferð var beitt – vísindamennirnir skoðuðu RNA – en nú beindu þeir athyglinni að því hvernig bólguástand í heilanum hefur áhrif á frumurnar.

 

Fyrri rannsóknir hafa bent til að bólgur hafi áhrif á þroska heilans en fyrst nú varð samhengið ljóst. Niðurstöður bandarísku vísindamannanna sýndu að bólgur hafa áhrif á virkni gena í tveimur undirgerðum taugafrumna (purkinje og golgi) í litla heilanum.

 

Þessar smávægilegu breytingar koma heilanum til að þróast í átt að einhverfu.

Einhverfa á sér mismunandi orsakir – ein þeirra er bólguástand í heila mjög snemma á ævinni.

Þessi nýja þekking á samhenginu milli genavirkni í heilafrumum og þróunar heilans koma að líkindum til með að gagnast við þróun nýrra lyfja sem koma að haldi fyrir fólk með þroskatruflanir eða geðsjúkdóma.

 

Nú verður nefnilega gerlegt að sérhanna meðferðarúrræði og beina þeim að tilteknum genum í tilteknum frumum á hárréttum tíma, þannig að árangur verði sem bestur.

 

Jafnframt gera þessar nýju upplýsingar kleift að uppgötva vandann mun fyrr, þannig að læknar geti gripið til varna og komið í veg fyrir t.d. þróun geðsjúkdóms.

 

BRAIN-verkefnið snýst sem sagt um fleira en það eitt að skapa nákvæmt heilakort. Niðurstöður rannsóknanna munu að líkindum leiða af sér þróun nákvæmrar tækni sem mögulega gæti komið milljörðum til hjálpar.

HÖFUNDUR: Gorm Palmgren

© Claus Lunau,© Shutterstock & Lotte Fredslund, © Eric Isselee/Shutterstock/Xiaowei Zhuang,© Alex and Maria photo/Shutterstock

Náttúran

Bakteríur örva ilminn af sumarregni

Maðurinn

Af hverju sjá sumir drauga en aðrir ekki?

Heilsa

10 matvæli með meira C-vítamín en appelsínur

Maðurinn

Þráhyggja tekur heilann í gíslingu

Alheimurinn

Stjörnufræðingar leita langt eftir svörum: Er líf í alheiminum?

Heilsa

Hvers vegna verður okkur kalt þegar hitinn hækkar?

Náttúran

Bakteríur grafa eftir gulli

Lifandi Saga

Barbarossa: Illskeyttur sjóræningi soldánsins fór ránshendi á Miðjarðarhafi

Maðurinn

Gleymdu erfðum og umhverfi: Persónuleikinn stafar af tilviljunum

Maðurinn

Af hverju hressumst við af koffeini?

Maðurinn

Ný tækni les hugsanir

Lifandi Saga

Bernska útilegunnar

ÁSKRIFT AÐ VÍSINDI.IS

Prófaðu í 14 daga ókeypis!

  • Fullur aðgangur að vefnum okkar með rúmlega 3000 skemmtilegum og spennandi greinum um allt milli himins og jarðar á sviði vísinda og sögu.
  • Lifandi vísindi/Lifandi saga í rafrænni útgáfu á vefnum,
  • Aðeins 1.790 krónur á mánuði.
  • Engin skuldbinding – Þú getur hætt hvenær sem er.

ÁSKRIFT AÐ TÍMARITINU

Þrjú tölublöð + gjöf: Skemmtilegur sjónauki
  • Þrjú næstu tölublöð Lifandi vísinda/Lifandi sögu – sent heim til þín – eins færðu lítinn og vandaðan sjónauka að gjöf.
  • Fullur aðgangur að vefnum okkar – visindi.is – með tæplega 3000 skemmtilegum og spennandi greinum um allt milli himins og jarðar á sviði vísinda og sögu.
  • Spennandi greinar og flottar myndir sem svala forvitni þinni.
  • Þú getur hætt eftir tilboðið en ef þú heldur áfram skuldbindur þú þig aðeins þrjú tölublöð í einu og þú getur sagt upp hvenær sem sem og klárar þá tímabilið sem er hafið.
  • Venjuleg áskrift – þrjú tölublöð – kostar aðeins 7.590 kr

Sjónauki og þriggja blaða áskrift – Alls 3.800 kr.

Lifandi vísindi

Lyf

Lifandi saga

Search

Ertu áskrifandi að tímaritinu?

Áskrifendur að tímaritinu geta fengið frían aðgang að vefnum hér.

Innskráning

Ertu áskrifandi að tímaritinu?

Áskrifendur að tímaritinu geta fengið frían aðgang að vefnum hér.

Viltu lesa greinina?

Fáðu aðgang að visindi.is

Ókeypis í 2 vikur!

Eftir það kostar eingöngu 1.790 kr. á mánuði og enginn uppsagnarfrestur.

Innifalið er aðgangur að öllum greinum á vefnum ásamt rafræna útgáfu af nýjustu tölublöðunum.

  • Fullur aðgangur að visindi.is
  • Frábærar myndir og myndbönd
  • Aðgengilegt í öllum snjalltækjum
  • Fullur aðgangur að gríðarlegu magni eldri greina
  • Nýjustu tölublöðin í rafrænu formi

Núverandi áskrifendur að tímaritinu fá að sjálfsögðu ókeypis aðgang að vefnum og þurfa bara að virkja aðgang sinn hér.

Ef þú ert þegar áskrifandi að visindi.is