Forskere er blevet klogere på, hvordan hjernens celler omdanner motivation til energi og signalstoffer, så minder kan blive lagret i hukommelsen. Opdagelsen kan muligvis udnyttes til at lave medicin til personer med manglende eller nedsat evne til at huske eller til mennesker med ADHD.
En velfungerende hukommelse kræver motivation og energi.
Energien er nødvendig for at aktivere hjernecellerne, men motivation spiller også ind i ligningen. Eksempelvis husker personer med depression, humørsvingninger eller skizofreni dårligere, simpelthen fordi de ikke er så motiverede for det. Personer med disse lidelser er heller ikke særligt gode til at koncentrere sig.
Nu har forskere fra Københavns Universitet og andre kollegaer kortlagt den biokemiske kobling mellem energi, motivation og hukommelse.
Koblingen kan forbedre forståelsen af, hvordan hjernen lagrer minder i hukommelsen, og hvad der går galt, når den ikke gør det.
”Hjernen har brug for energi og motivation for at skabe en velfungerende hukommelse. I dette forskningsprojekt belyste vi, hvordan motivation bliver omdannet til energi i hjernen, og hvordan energi har en biokemisk effekt på hukommelsen,” forklarer professor Hajime Hirase fra Center for Translational Neuromedicine ved Københavns Universitet.
Forskningsresultatet er offentliggjort i Nature Communications.
Medicin kan forbedre hukommelse
Den nye opdagelse kan påvirke den fremtidige udvikling af medicin til at modvirke koncentrationsbesvær eller til behandling af personer med nedsat eller manglende evne til at huske.
Det kan være i tilfælde af ADHD, hvor mennesker har svært ved at lagre ny viden, eksempelvis i forbindelse med uddannelse eller arbejde.
En anden mulighed er, at forskere kan udvikle medicin, der helt generelt hjælper folk til at huske bedre.
”Jo mere vi ved om, hvordan energi bliver brugt til at lagre information i hjernen, des bedre kan vi forstå, hvordan vi medicinsk kan styrke hukommelsen,” siger Hajime Hirase.
Gliaceller orkestrerer hjernens hukommelse
Tre komponenter i hjernen afgør, hvor godt den fungerer: neuronerne, blod og den energi det tilfører samt gliacellerne.
Neuronerne er de elektrisk aktive dele af hjernen, mens blod forsyner hele hjernen med energien til at kunne fungere.
Gliacellerne spiller en stor rolle i at facilitere energimetabolisme i hele hjernen, og én af de nyeste teorier inden for dette felt er, at gliacellerne omdanner glukose til laktat, som neuronerne skal bruge for at fungere. Gliacellerne er på den måde broen mellem energien fra blodet og aktiviteten af neuronerne.
Derudover lagrer gliacellerne glukose som glykogen og repræsenterer dermed hjernens eneste cellulære energilager, som hurtigt kan mobiliseres ved behov. Hjernen har nemlig ikke et fedtvæv ligesom andre dele af kroppen.
”For fire år siden kunne vi som de første visualisere, hvor glykogen bliver lagret i gliacellerne, men det har hidtil været et mysterium, hvordan cellerne genaktiverer energilageret,” forklarer Hajime Hirase.
Adrenalin og noradrenalin omdanner glykogen til energi og hukommelse
Glykogen er ikke eksklusivt lokaliseret i hjernen, men findes i resten af kroppen. Eksempelvis bruger leveren adrenalin og glukagon til at starte omdannelse af glykogen til energi.
Hjernen har kun en smule adrenalin, men hjernen har sin egen slags adrenalin i form af noradrenalin, der ligesom adrenalin bliver aktiveret af udefrakommende stimuli, eksempelvis et chok.
I det nye studie har forskerne fra Københavns Universitet undersøgt, hvordan noradrenalin aktiverer gliacellerne, og hvordan årvågenhed påvirker aktiveringen af noradrenalin og dermed dannelsen af minder.
”Hukommelse kan blive kategoriseret som korttidshukommelse og langtidshukommelse. Processen i at omdanne korttidshukommelse til langtidshukommelse hedder hukommelseskonsolidering, og gliacellerne spiller en rolle i den,” forklarer Hajime Hirase.
Gav mus chok for at studere hukommelse
I studiet gav forskerne mus to forskellige slags chok: et luftpust i ansigtet eller et elektrisk stød i foden.
Inden forskerne gav musene et stød, udsendte de en kort bip-lyd.
Begge slags chok kan frigive noradrenalin i hjernen, men der er evolutionært større motivation for at huske bip-lyden, når det er koblet til det ubehagelige stød fremfor det milde luftpust i ansigtet.
Samtidig havde forskerne indsat et glasvindue i musenes kranier for at kunne følge gliacellernes aktivitet i hjernen ved hjælp af et to-foton-mikroskop.
”Vores rationale var, at det milde chok ikke i samme omfang som det voldsommere chok ville lagre sig i musenes hukommelse, og at der derfor ville være en forskel i noradrenalins aktivering af gliacellerne,” forklarer Hajime Hirase.
Biokemisk forskel i aktiveringen af noradrenalin
Forskningsresultatet viste ganske rigtigt, at stærkere stimuli resulterer i et højere aktivitetsniveau af noradrenalin i hjernen og dermed en mere udtalt aktivering af gliaceller.
Ydermere viste forsøget, at det tager musene tre forsøg, før de forbinder bip-lyden med det elektriske chok. Det bliver derefter lagret i musenes hukommelse, så bip-lyden alene er nok til at aktivere et stærkere respons.
Forskerne undersøgte også, hvordan noradrenalin aktiverer gliacellerne. Dette kan ske på to måder:
• ved at øge koncentrationen af calcium i gliacellerne; og
• ved at øge koncentrationen af signalstoffet cAMP i gliacellerne, som også er nødvendig for at omdanne glykogen til energi.
Resultatet af undersøgelsen viste, at pustet i ansigtet øgede niveauerne af noradrenalin i gliacellerne ved at øge calciumniveauerne, mens den større stigning i noradrenalin i forbindelse med det elektriske chok blev foranlediget af stigninger i både calciumniveauerne og cAMP-niveauerne.
cAMP har dermed tilsyneladende en vigtig rolle i hele den signalvej, som i sidste ende fører til hukommelseskonsolidering.
”Dette fænomen forbedrer forståelsen af, hvad der sker i hjernen, når vi danner minder. Det giver os også en bedre forståelse af, hvad der går galt, når vi ikke er i stand til at gøre det i forbindelse med hukommelsessvigt. Fremadrettet vil vi dykke dybere ned i at forstå denne mekanisme, så vi kan finde ud af, hvordan vi muligvis kan manipulere den,” siger Hajime Hirase.
”Distinct temporal integration of noradrenaline signaling by astrocytic second messengers during vigilance” er udgivet i Nature Communications. Hajime Hirase modtog i 2019 støtte fra Novo Nordisk Fonden til projektet ”Visualization of glycogen dynamics and identification of underlying mechanism in brain plasticity”.
