Hjärnkretsar kopplade till vakenhet

Hur vaken, eller vaksam, du är under dagen kan påverka din förmåga att utföra dagliga uppgifter. Många saker kan förändra hur alert du känner dig, till exempel hur mycket sömn eller koffein du har fått. Att vara alltför vaken eller inte tillräckligt vaken kan också vara ett tecken på vissa psykiska tillstånd, som ångest, mani eller depression.

Vetenskapsmän har lärt sig mycket om hur hjärnan reglerar att sova eller vara vaken i allmänhet. Men man vet mindre om hur hjärnan reglerar förändringar i vakenhet under dagen.

För att undersöka vilka hjärnceller (neuroner) som reglerar vakenhet analyserade ett team under ledning av doktorerna Karl Deisseroth och Matthew Lovett-Barron vid Stanford University aktiviteten hos hjärnceller i zebrafiskar och möss samtidigt som man mätte deras reaktionstider. Forskningen stöddes delvis av NIH:s National Institute of Mental Health (NIMH) och National Institute on Drug Abuse (NIDA). Resultaten publicerades online i Cell den 2 november 2017.

Teamet skapade en teknik som kallas MultiMAP (Multiplexed-alignment of Molecular and Activity Phenotypes) för att spåra och identifiera de neuroner och kretsar som aktiveras under ett visst hjärntillstånd. Med hjälp av denna teknik spårade forskarna aktiviteten hos tiotusentals hjärnceller hos zebrafiskar medan fisken presenterades för ett stimulus som efterliknade ett annalkande rovdjur. De mätte vakenhet genom att mäta hur lång tid det tog för fisken att vifta med svansen som svar på det hotfulla stimuluset.

En molekylär analys identifierade flera olika celltyper som aktiverades när fisken var som mest vaken och lyhörd. Dessa inkluderade neuroner som frigör kemiska budbärare som förändrar aktiviteten hos andra hjärnceller. De bekräftade resultaten från tidigare studier och identifierade noradrenalinutsöndrande neuroner som aktiva vid vakenhet. Dessutom gjorde deras teknik det möjligt för dem att identifiera andra celltyper som inte tidigare visat sig vara involverade i vakenhet, inklusive acetylkolin-, serotonin-, dopamin- och peptidutsöndrande neuroner.

Forskarna letade efter dessa uppsättningar av hjärnceller i mushjärnan. De fann att det fanns liknande celltyper och kretsar som reglerar vakenhet hos möss. Aktivering av specifika kretsar med hjälp av optogenetik, som använder ljus för att aktivera eller hämma specifika neuroner, gjorde mössen mer alerta eller minskade deras reaktionstider.

”Vaksamhet som gått snett kännetecknar tillstånd som mani och de som ses vid posttraumatiskt stressyndrom och depression”, säger NIMH:s direktör Dr Joshua Gordon. ”Att få kännedom om de molekylära aktörerna i ett beteende – vilket det här nya verktyget lovar – kan en dag leda till kliniska interventioner som är inriktade på dysfunktionella tillstånd i hjärnan.”