Wallenberg Scholars

Nya filmtekniker ska avslöja hjärnans hemligheter

Varje sekund registrerar hjärnan miljardtals nya intryck. Oöverskådliga mängder information transporteras i nervbanorna. Nu utvecklas tekniker för att kunna filma hur nervcellerna i hjärnan kommunicerar och bygger upp nätverk. Målet är att kunna bidra med nya rön om uppkomsten av sjukdomar som Parkinsons och Alzheimers.

Rödlysande prov

Drivande i forskningsfältet är Andrew Ewing, en amerikansk forskare som har korsat Atlanten och blivit professor i analytisk kemi vid Göteborgs universitet och Chalmers tekniska högskola. Nu är han utnämnd till Wallenberg Scholar, det medföljande anslaget gör att han kan vässa forskningen ytterligare.


– Vi hoppas på forskningsresultat som kan hjälpa oss att bättre förstå inlärning och minne, men som även kan öka kunskapen om neurodegenerativa sjukdomar som Parkinsons och Alzheimers, säger Andrew Ewing.


Forskningen bedrivs vid ett nytt kompetenscentrum för kemisk avbildning, som är ett samarbete mellan Göteborgs universitet och Chalmers. Andrew Ewing visar upp laboratoriet som delvis ståtar med splitterny utrustning. Varje kvadratcentimeter av källarlokalen utnyttjas. Det är tekniktung forskning. Bland annat finns fem masspektrometrar, där man separerar molekyler från varandra och analyserar deras massa och laddning. Man kan studera den molekylära sammansättningen av olika områden av nervceller. Allt arbete sker på mikro- och nanonivå, och man hanterar delar av celler som är cirka hundra gånger mindre än ett hårstrå.

Filma enskilda celler

Hjärnan hos en vuxen person innehåller drygt 100 miljarder celler. Det kan verka omöjligt att försöka bringa reda i detta virrvarr. För att kunna göra de elektrokemiska analyserna måste forskarna först ta reda på var i hjärnan mätningarna ska utföras.

Bananflugor används i många forskningsprojekt som modellsystem.

Även i detta fall, där flugorna först läggs på is för att bedövas, innan man för över fluorescerande proteiner till deras hjärna genom att använda en teknik där genen för grönt självlysande protein fästs vid en gen som kodar för ett protein av intresse.

I fluorescensmikroskop kan forskarna sedan visualisera hjärnstrukturen och få kunskap om var mätningarna ska göras.
 En helt ny teknik handlar också om att placera 10 gånger 10 nanometerstora elektroder inom en yta på några mikrometer, för att avbilda den kemiska dynamiken i enstaka celler. Tanken är att successivt öka skalan.

– Hittills har vi uppnått 16 elektroder och jobbar nu mot de planerade 100. Drömmen är att i framtiden komma upp i 64 gånger 64 nanometerstora elektroder och därigenom få 4 096 mätpunkter. Då får vi en tillräckligt god upplösning för att med hjälp av teknik, som ofta används i videokameror, avbilda den elektrokemiska processen i enstaka celler och cellulära nätverk, säger Andrew Ewing.


När tekniken är mogen kommer den inte bara att kunna användas för grundläggande studier av enstaka celler. Den möjliggör även screeningexperiment för att undersöka sjukdomsmekanismer, neurologiska studier av hur inlärning och minne fungerar och undersökningar av effekterna av nya läkemedel på enstaka celler och i cellulära nätverk.

Förstå hjärnans kommunikation

Ett särskilt problem, som intresserar Andrew Ewing, är att förstå hur signalsubstanserna frisätts i hjärnan. Signalmolekylerna lagras i synapsen i små vesiklar, som sedan töms ut i synapsen och fastnar på mottagarproteiner på mottagarcellens sida. Vesiklarna kan innehålla flera olika sorters signalmolekyler.

– Vi vill spåra vesiklarna och kunna ta bilder av hur de fungerar. Hittills har vi inte kunnat uppnå tillräckligt god upplösning. Bland annat vill vi studera hur membranen fungerar, hur det går till när de släpper ut 30 till 40 procent av sitt innehåll och byter ut vissa lipider och proteiner. Det är ett väldigt energieffektivt och spännande system.

Forskarna frågar sig bland annat vad som händer med de lipider som byts ut och om lipiderna har förmågan att påverka vilka signalsubstanser som utväxlas. Kanske kan man till och med bildsätta hur ett korttidsminne förvandlas till ett långtidsminne, och vad som sker i hjärnans kemi när en drog förvandlas till ett beroende. Man undrar också om denna kunskap i sin tur skulle kunna göra det möjligt att kontrollera transporten av signalsubstanser, vilket kan resultera i nya läkemedel och bättre behandlingsmetoder i framtiden.

"Det var ett fantastiskt besked att få.
Jag brukar inte hjula i korridoren, men den här gången gjorde jag det. Mig veterligt finns inget liknande forskningsanslag i världen, och det är mycket hedrande och roligt att få ett så fritt anslag från den främsta fristående forskningsfinansiären i Sverige."

Veterinär var drömyrket

Andrew Ewing växte upp i USA och drömde i high school om att bli veterinär. Han jobbade extra på en djurklinik med allt från att städa burar till att assistera vid operationer. Men i college fick han upp ögonen för kemi, som är ett väldigt spännande ämne så fort man har klarat av nybörjarstadiet, inflikar han. Universitetet lockade, där han började doktorera och redan som forskarstudent publicerade han 14 vetenskapliga artiklar.

– Då låg fokus på att förstå dopamin, och jag upptäckte en del nya saker, bland annat hur dopamin transporteras till membran i celler. Efter att min lillebror avled i leukemi 1996 övervägde jag att skifta bana och ägna mig åt cancerforskning, men besinnade mig. Jag intalade mig att det är bättre att fortsätta inom ett område som jag verkligen behärskar och brinner för, och det har jag inte ångrat.

Att förstå hjärnan har alltid varit en viktig drivkraft. Bredvid dotterns färgglada teckningar ovanför skrivbordet sitter ett anslag med texten "Vad är visionen?". Det är en uppfordrande fråga, som man aldrig får glömma bort som forskare, menar Andrew Ewing.


– Man måste ha djärva mål, och tänka på framtiden. Vad är visionen för min forskning, vad är det viktiga och varför håller jag på med det jag gör - det är frågor som man måste ställa sig med jämna mellanrum. Och även om arbetet i laboratoriet är värdefullt, så måste man också ta sig tid till att bara läsa och ägna sig åt ren tankemöda emellanåt. Det är grunden till framgångsrik forskning.

Text Nils Johan Tjärnlund
Bild Magnus Bergström