Astrocytter i søvn: hjernevask og minnefunksjon

Hvorfor alle skapninger sover er et av de største mysteriene i biologien. Vi i GliaLab tror at vi kan  komme nærmere dette store spørsmålet ved å studere astrocyttene – de stjerneformede gliacellene i hjernen – da disse har vist seg å spille viktige roller i søvn.

Bakgrunn

Til tross for at vi mennesker bruker en tredjedel av livet på å sove og at det har vært gjort mye forskning på søvn de siste 100 årene, vet vi forbausende lite om hvorfor vi faktisk sover. Mye tyder på at en rekke av kroppens funksjoner er avhengige av søvn, men akkurat hvordan og hvorfor det er slik er et ubesvart spørsmål. En type celle i hjernen – astrocyttene – har funksjoner som passer veldig godt med de ideene vi har om søvnens funksjon. ​​Astrocytter er kjent som hjernens vaktmestere, de er viktige for reparasjon og vedlikehold av hjernen. Blant annet kontrollerer astrocytter at væsken nervecellene bader i har den korrekte sammensetningen av salter og signalstoffer, som er en nødvendighet for at nervecellene kan fungere optimalt. Dette er funksjoner som vi tror søvn er viktig for – reparasjon, rekonstitusjon, vedlikehold og forberedelse for optimal funksjon når man er våken. Gliacellenes rolle i søvn har i liten grad har blitt utforsket, og vi ved GliaLab på Lettensenteret ved Universitetet i Oslo tror at man ved å studere astrocyttene kan komme nærmere et svar på dette store, viktige spørsmålet i biologien – “Hvorfor sover vi?”.

Problemstilling

Det er stadig flere holdepunkter for at astrocyttene spiller en viktig rolle i regulering av søvn og søvnrelaterte fysiologiske prosesser i hjernen, som for eksempel utskillelse av avfallsstoffer og minnekonsolidering. Vi har nylig publisert den første studien der vi viste hvordan astrocytter kommuniserer via kalsiumsignalering under søvn. Her fant vi at astrocyttene er svært viktige for dyp søvn. Vi ønsker å forske videre på disse problemstillingeneved å undersøke de molekylære mekanismene astrocyttene bruker for å regulere søvn og søvnrelaterte prosesser som utskilling av avfallsstoffer og minnekonsolidering i hippocampus.

  1. Utskilling av avfallsstoffer i hjernen. I motsetning til de andre organene i kroppen har ikke hjernen et lymfesystemet i tradisjonell forstand. I stedet har den et unikt “glymfatisk” system som benytter seg av perivaskulære tunneler. Disse tunnelene formes av spesialiserte astrocytt-utløpere og muliggjør effektiv eliminering av vannløselige proteiner og avfallsstoffer. Dersom dette systemet blir hemmet kan det føre til akkumulasjon av giftige avfallsstoffer i hjernen, som man finner i nevrodegenerative sykdommer som Alzheimers sykdom og Parkinsons sykdom. Under søvn øker aktiviteten til det glymfatiske systemet betydelig, men hvordan dette reguleres og hvilke mekanismer som ligger til grunn er ukjent. Vi har i våre prosjekter observert at den vaskulære dynamikken i spesifikke søvnstadier ser ut til å være koblet til endringer i det perivaskulære rom, og vi tror dette kan være med på å forklare den økte utskillelsen av avfallsstoffer under søvn. Vår hypotese er at denne prosessen er regulert av astrocyttene.
  2. Astrocytter kommuniserer hovedsakelig via kalsiumsignaler som man vet kan føre til utslipp av signalstoffer fra astrocyttene som kan påvirke nervecellene. Videre er det kjent at astrocytter spiller en viktig rolle i minnefunksjon, men det er usikker akkurat hvordan. Sharp-Wave ripples (SWR) er elektrofysiologiske fenomen som oppstår i hippocampus knyttet til minnekonsolidering, og vår hypotese er at astrocyttene er aktive på disse tidspunktene og kan modulere minnekonsolideringsprosessen ved utslipp av signalstoffer.

Mål

Målet med dette prosjektet er å undersøke astrocyttenes rolle i søvnrelaterte fysiologiske prosesser i hjernen som utskilling av avfallsstoffer og minnekonsolidering. Dette vil kunne bidra til å øke vår kunnskap om søvnregulering og hvilke funksjoner søvn er viktig for, og også hjelpe oss med å bedre behandlingen av søvnsykdommer i fremtiden. I tillegg vil dette prosjektet også kunne bidra til å øke kunnskapen om fysiologiske mekanismer som er viktige for utvikling av nevrodegenerative sykdommer som Alzheimers sykdom og Parkinsons sykdom, og muligens fremtidige behandlingspunkter for å bremse av utviklingen av disse sykdommene. 

Metode og studentens arbeidsoppgaver

GliaLab er et laboratorium med høy kompetanse innenfor eksperimentell mikroskopi av levende mus. Teknikkene vi bruker går hovedsakelig ut på å studere hjernen hos mus under forskjellige atferdsstilstander ved å bruke fluorescerende mikroskopi. Våre metoder og protokoller er konstant under utvikling og er basert på den siste tilgjengelige teknologien og vitenskapelige publikasjoner innenfor forskningsfeltet. For det aktuelle eksperimentet vil vi bruke en kombinasjon av ulike teknikker som studenten vil involveres og få opplæring i:

  • In vivo-mikroskopi: Vi bruker tofoton-mikroskopi for å observere hjernefysiologi over tid: nervecelleaktivering, kalsiumsignalering hos astrocytter, blodgjennomstrømmning i større og mindre blodårer, væskeflyt i det perivaskulære rommett og kommunikasjon mellom astrocytter og nevroner.
  • Transgen musekoloni og rekombinant virustransduksjon: Kombinasjonen av genetisk modifisert virustranduksjon og produksjon av genetiske knock-out-mus muliggjør for at man kan studere de molekylære mekanismene bak funksjonen til individuelle proteiner, hormoner og reseptorer i hjernen. Blant annet planlegger vi å bruke et adenoassosiert virus til å indusere uttrykk av genetisk kodede kalsiumindikatorer, som brukes for å visualisere kalsiumsignaleringen i nevroner og astrocytter. Vi bruker også genmodifiserte musemodeller.
  • Kirurgi: Implantasjon av elektroder, kranievinduer, headbar og kanyler i forskjellige regioner på museskallen/hjernen.
  • In vivo-elektrofysiologi: Å måle EEG and local field potential (LFP) i forskjellige deler av hjernen (da særlig cortex og hippocampus), samt EMG for å måle muskulær aktivitet.
  • Søvnopptak and evaluering: Vi bruke flere forskjellige teknikker for å måle andel søvn, overgang mellom forskjellige søvnfaser og å studere dette opp mot andre samtidige fenomener i hjernen.
  • Atferd: Vi holder på å etablere en visuell og følbar ‘virtuell virkelighet’ for mus for å studere minnefunksjon hos mus.
  • Dataanalyser: koding og analysering i MATLAB.

Studentenes oppgaver vil være følgende innenfor de ulike prosjektene:

  • Utføre mikrokirugi på mus og være ansvarlig for oppfølging av musene med tanke på postoperativt forløp, helse, opptrening, osv.
  • Studenten vil lære: prinsipper for anestesi og administrasjon av smertestillende medikamenter.
  • Lære og kunne bruke enkle prinsipper for optisk avbildning og fluorescensmikroskopi.
  • Lære og kunne bruke enklere vitenskapelig dataanalyse og tolkning av resultater.
  • Utføre in vivo-mikroskopi ved å bruke to-foton mikroskopi
  • Trene mus: den hyggeligste og mest givende aktiviteten i laben vår!
  • Samle nydelige bilder av hjernen.
  • Skrive hans/hennes årlige forskningsrapport parallelt med et vitenskapelig manuskript.

Om forskningsmiljøet

Denne gruppen ledes av førsteamanuensis Rune Enger, og består av to postdoktorer, to forskere, en teknikker, en ingeniør, syv ph.d.-studenter, and tre forskerlinjestudenter. Hoveddelen av de som har tatt doktorgrad ved denne laben har vært forskerlinjestudenter før de startet på sin ph.d. (inkludert førsteamanuensis Rune Enger). Laben har en sosial, vennlig, aktiv, dynamisk og internasjonal atmosfære. Studentene vil få god oppfølging og veiledning gjennom hele prosjektet samtidig som de også får god trening i å være uavhengige forskere. Sammen med Rune Enger vil Laura Bojarskaite og Luca Bordoni bistå i veiledningen.

Teknikkene og utstyret som brukes i laben vår krever bred forståelse av prinsipper innenfor både nevrobiologi, kjemi, fysikk, programmering og ingeniørfag. Vi håper derfor at du liker å bli utfordret med en konstant strøm av ny kunnskap. Bli med i gruppen vår for å oppdage de spennende og utfordrende sidene av nevrobiologi!

Kontakt

Rune Enger

Emneord: Laboratorieprosjekt, Celler og molekyler, Hjerne og nervesystem
Publisert 21. sep. 2021 13:55 - Sist endret 21. sep. 2021 13:55