EN / DA
Krop og sind

Hjernens forskellige dele producerer ikke samme mængde energi

Forskere har kortlagt, hvor meget energi der produceres i to forskellige hjernedele, som hver især spiller vigtige roller i udviklingen af blandt andet Alzheimers, Huntingtons og Parkinsons sygdomme. Resultatet viser, at hjernedelene ikke producerer den samme mængde energi, og det kan være med til at give større indsigt i udviklingen af sygdommene.

Nerveceller skal bruge helt utrolige mængder energi for blandt andet at kunne kommunikere med hinanden. Når nervecellernes energiproduktion ikke kan følge med behovet, går nervecellerne til grunde, og det kan komme til udtryk i form af neurodegenerative sygdomme som Alzheimers, Parkinsons eller Huntingtons.

Nu viser ny dansk forskning, at forskellige hjernedele, som hver spiller deres specifikke rolle i udviklingen af de tre sygdomme, ikke producerer den samme mængde energi til trods for at hjernedelene indeholder den samme mængde molekylære energifabrikker i nervecellerne. Det betyder, at hver enkelt af disse energifabrikker skal arbejde hårdere i den ene del af hjernen end i den anden.

Opdagelsen kan være vigtig for at forstå sygdommene, og den er i hvert fald vigtig i forhold til forskning i hjernen generelt.

”Når vi nu ved, at forskellige dele af hjernen opfører sig forskelligt, er det vigtigt at have dette for øje, når man laver forsøg med eksempelvis musehjerner og drager nogle konklusioner omkring deres energiproduktion. Her er det øjensynligt ikke lige meget, hvilken del af hjernen man undersøger,” fortæller forskeren bag det nye studie, lektor Anne Nørremølle fra Institut for Cellulær og Molekylær Medicin ved Københavns Universitet.

Det nye forskningsresultat er for nylig offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Neuroscience.

Nerveceller bruger enorme mængder energi

Anne Nørremølles forskning sigter primært mod at forstå årsagerne til, at Huntingtons og andre neurodegenerative sygdomme rammer bestemte dele af hjernen.

Et vigtigt aspekt er at forstå, hvordan nerveceller fungerer på det molekylære niveau.

Nervecellernes vigtigste funktion er at sende signaler til hinanden i form af enten elektriske impulser eller neurotransmittere, så eksempelvis et smertesignal kan komme fra hånden til hjernen og tilbage igen (du fjerner hånden fra kogepladen, inden den futter helt af).

Netop disse signaler kræver enormt store mængder energi, hvilket også betyder, at spidserne af nervecellerne – synapserne, hvor signalerne går fra den ene nervecelle til den anden – er fyldt med mitokondrier. Mitokondrier er cellernes kraftværker, der laver energi i form af ATP.

Både produktionen, udskilningen og den efterfølgende opsamling af neurotransmittere koster energi, og uden energi til at køre disse processer beskadiges synapserne. Det kan føre til, at nervecellerne sygner hen. Når det sker, opstår de neurodegenerative sygdomme, og derfor interesserer Anne Nørremølle sig for netop synapsernes produktion af energi til at opretholde deres funktion.

”Der findes en hel gruppe af neurodegenerative sygdomme, hvor det ser ud til, at nervecellernes energiproduktion er mangelfuld, og at dette er med til at forklare udviklingen af sygdommene,” forklarer Anne Nørremølle.

To hjernedele ramt ved mange neurodegenerative sygdomme

I det nye forskningsarbejde ønskede Anne Nørremølle og sine kollegaer at finde ud af, om der er forskel i energiproduktionen i synapserne i de dele af hjernen, som typisk bliver ramt ved Parkinsons, Huntingtons og Alzheimers sygdomme.

De pågældende hjernedele er striatum, der sidder dybt inde i hjernen og som koordinerer mange af vores mere eller mindre bevidste adfærdsmønstre, samt den cerebrale cortex, som er den del af hjernen, vi bruger til at tænke små og store tanker.

Striatum og den cerebrale cortex bliver ramt på forskellige tidspunkter ved de forskellige sygdomme. Nogle gange bliver striatum ramt først og derefter den cerebrale cortex. Andre gange er det omvendt.

Forskere forstår endnu ikke helt, hvordan disse meget komplekse sygdomme udvikler sig, men de kan se, at ved eksempelvis de arvelige former af sygdommene, bliver der ofte igangsat en lavineeffekt, som ender med at påvirke mitokondriernes muligheder for at producere den energi, som nervecellerne skal bruge.

”Vi stillede derfor os selv spørgsmålet, om synapserne i disse to hjernedele opfører sig forskelligt og om det kan være med til at forklare nogle af de karakteristika, som vi ser ved sygdomsudvikling. Måske er en forskel forklaringen på, at den ene sygdom først sætter sit aftryk i striatum og derefter i den cerebrale cortex, mens en anden sygdom gør det omvendt,” siger Anne Nørremølle.

Skilte musehjerne fra hinanden

I forskningen har Anne Nørremølle med sine kollegaer undersøgt hjerner fra mus ved at splitte de forskellige dele ad og at undersøge henholdsvis striatum og den cerebrale cortex hver for sig. Derefter skilte de synapserne fra resten af cellerne ved at mose vævet forsigtigt.

I deres undersøgelser har de blandt andet undersøgt synapserne under et mikroskop, hvor de har farvet mitokondrierne grønne for at kunne fastslå, hvor mange mitokondrier de forskellige nerveceller i de forskellige dele af hjernen besidder.

Her kunne de se, at synapserne i nervecellerne i den cerebrale cortex indeholder cirka lige så mange mitokondrier som dem i striatum.

Efterfølgende har de undersøgt synapserne i en Agilent Seahorse maskine, der kan måle energiudviklingen i selv mikroskopiske prøver. Det gør maskinen blandt andet ved at måle på den mængde ilt, som mitokondrierne bruger, når de nedbryder næringsstoffer for at danne energistoffet ATP.

Den ene del af hjernen er mere sløset end den anden

Resultatet af undersøgelsen viste, at selvom synapserne i den cerebrale cortex ikke har flere mitokondrier, må de køre i højere omdrejninger, fordi de producerer mere energi end mitokondrierne i synapserne i striatum.

Undersøgelsen viste også, at mitokondrierne i synapserne i den cerebrale cortex er lidt mere sløsede og har et højere spild af protoner i processen, hvorimod mitokondrierne i synapserne i striatum er meget præcise og velregulerede i deres energiproduktion.

”Det er endnu for tidligt at konkludere, hvad det betyder, men vi spekulere i, at den hastighed, som synapserne producerer energi med, måske har en betydning, når nervecellerne skal modstå negativ påvirkning af den slags, der kan lede til beskadigelse af nervecellen og ultimativt føre til neurodegenerative sygdomme,” siger Anne Nørremølle.

Næste skridt i forskningen er lige på trapperne

Anne Nørremølle og kollegaerne er allerede i gang med næste skridt i at forske i betydningen af forskellen mellem synapsernes energiproduktion.

Blandt andet undersøger forskerne netop nu, præcis hvilken betydning opdagelsen har i den arvelige Huntingtons sygdom.

Forskerne er i gang med at lægge sidste hånd på en artikel om deres resultater fra et forsøg, hvor de har undersøgt energiproduktionen i de to hjernedele i en musemodel med Huntingtons sygdom.

”Formålet var at se, om vi kan se nogle forskelle i synapsernes produktion af energi mellem raske mus og syge mus, der kan forklare, hvorfor og hvordan helt bestemte nerveceller rammes i denne sygdom,” siger Anne Nørremølle.

Artiklen ”Functional Differences between Synaptic Mitochondria from the Striatum and the Cerebral Cortex” er udgivet i Neuroscience. Post. Doc Niels Henning Skotte Petersen fra Proteomics Program, The Novo Nordisk Foundation Centre for Protein Research på Københavns Universitet er medforfatter på artiklen.

Anne Nørremølle
Associate professor
Molecular genetics of inherited, neurodegenerative disorders, especially Huntington disease. Investigations of genetic and cellular factors influencing the pathological mechanism and disease progression. Basal DNA-techniques (PCR, DNA-sequencing, cloning etc.), basal RNA-techniques (p-PCR), protein analysis (western blotting), cell culture, in vitro expression (transfection, viral transduction), animal experiments. In the Nørremølle research group our goal is to understand the pathogenic mechanisms causing the cellular damage in inherited neurodegenerative disorders, with specific focus on Huntington disease. In this disease, despite a well-characterized disease-causing mutation, neither the physiological functions nor the mechanisms behind the pathological changes are known. Right now we concentrate on investigating the metabolic changes observed in both neuronal and non-neuronal cell types in Huntington disease cell and animal models. We study mitochondrial function and oxidative stress in order to understand the importance of these processes in the disease, and aiming to characterize new targets for future treatment strategies. In another line of research, we analyze the DNA sequence of the huntingtin gene region in Danish patients with Huntington disease, looking for DNA variants that modify the disease onset or progression. The rationale is that genes carrying these variants represent possible targets for treatment: modifying the modifiers. In addition to our work in Huntington disease research we participate in collaborations investigating other inherited neurodegenerative disorders.