Ny metode gør det endelig muligt at studere ilt i hjernen

Hjernen har brug for ilt.

Mere enkelt kan det ikke siges.

Får hjernen ikke ilt i blot et kort øjeblik, mister vi først bevidstheden. Sidenhen dør vi.

Selvom forskere har kendt til betydningen af ilt i hjernen i århundreder, har de faktisk ikke haft gode metoder til at måle ilt i hjernen, hvordan ilt fordeler sig i hjernen, og om nogle områder af hjernen ikke får nok ilt i forbindelse med sygdom.

Det har forskere dog gjort noget ved nu med udviklingen af en revolutionerende metode, som gør det muligt at nærstudere ilt i hjernen.

Metoden viser blandt andet, at inaktivitet leder til iltfattige lommer i hjernen, hvilket formentlig kan være med til at skubbe på udviklingen af neurodegenerative sygdomme som Alzheimers.

»Med denne metode kan vi også bedre studere, om lægemidler eller træning kan ilte de iltfattige områder i hjernen og modvirke sygdom. Det er utroligt spændende, at vi nu endelig kan studere ilt i hjernen,« forklarer en af forskerne bag udviklingen af metoden, hjerneforsker, professor og læge Maiken Nedergaard fra Københavns Universitet og University of Rochester, USA.

Forskningen er offentliggjort i Science.

Hidtidige metoder har været mangelfulde

Forskere har i mands minde haft en drøm om at kunne studere ilt i hjernen.

Der findes da også metoder, der kan give forskerne en lille smule af den indsigt, som de søger. Disse metoder er dog ikke uden mangler.

For eksempel kan forskere studere ilt i hjernen ved at påsætte en elektrode direkte på hjernen. Den metode ødelægger dog hjernevævet der, hvor elektroden bliver påsat, og desuden kan man kun studere ilt i et meget lille område af hjernen.

En anden metode involverer meget dyre mikroskoper og et giftigt fosfor-fluorescerende stof, som man kun kan få ind i hjernen ved at injicere det. Det beskadiger også hjernevævet, og ingen af metoderne giver indblik i, hvad der sker i hele hjernen.

»Det har gjort, at vi har meget lidt viden om, hvad basaliltniveauet i hjernen er, og hvordan koncentrationen af ilt i hjernen ændrer sig over tid eller forskellige steder i hjernen,« forklarer Maiken Nedergaard.

Enzymer fra ildfluer lyser op i hjernen

Den metode, som forskerne nu har udviklet, kommer omkring problemet på en helt ny måde.

For det første involverer metoden modificerede enzymer fra ildfluer.

Disse enzymer udsender fotoner (det vil sige, at de lyser), når de kommer i kontakt med ilt og et særligt substrat.

Når forskerne injicerer mus med enzymet og substratet, begynder de områder af musenes hjerner, der er iltrige, at lyse, mens de iltfattige områder forbliver i mørke.

For at forskerne kan studere fordelingen af ilt i hjernen, placerer de musene i et helt mørkt kammer.

Forskerne limer en metalplade på hovedet af musene, for at de kan holde deres kranier fast under et kamera, som tager billeder af lyset, mens det strømmer ud gennem kraniet.

Musene placerer forskerne på en bold, som bevæger sig under dem, ligesom hvis de løb eller gik. På den måde kan de studere forskelle i iltningen i hjernen ved aktivitet og inaktivitet.

»Det er en rigtig god metode til at visualisere ilt i hjernen. Sammenlignet med for eksempel fluorescerende proteiner er vores metode 10.000 gange mere sensitiv. Vi kan blandt andet se, at iltniveauet i hjernen ikke hele tiden er konstant,« siger Maiken Nedergaard.

Motion ilter hjernen

Med metoden har forskerne allerede nu fået stor indsigt i, hvad der sker med ilt i hjernen under givne betingelser.

For eksempel har de set, hvordan aktivitet stimulerer til god iltmætning af hele hjernen, mens inaktivitet leder til, at der opstår iltfattige lommer i hjernen.

Mangel på ilt er især skidt for hjernens neuroner, og forskerne har også en teoretisk forklaring på, hvad der sker i hjernen, når de iltfattige lommer opstår i forbindelse med inaktivitet.

Maiken Nedergaard forklarer, at biologien bag vores blodkar ikke er helt så genial, som vi måske tror.

For eksempel er de hvide blodceller meget store og kan have svært ved at komme gennem de allertyndeste af vores blodkar, for eksempel dem som sidder i hjernen.

Når vi ikke bevæger os, er blodtrykket lavt, og så kan de hvide blodceller komme til at blokere for blodkarrene i hjernen, hvilket leder til iltmangel.

Motion kan til gengæld øge blodtrykket og fjerne de blokerende hvide blodceller, så der igen kan komme ilt til hjernen.

I deres forsøg så forskerne, hvordan de iltfattige lommer i hjernen forsvandt, når de tvang musene til at bevæge fødderne på bolden.

»Vi viser for første gang, at fænomenet med de hvide blodceller, det hedder ”kapillær stalling”, er relateret til iltmangel i hjernen. Tidligere forskning har peget på, at kapillær stalling er associeret med det at blive gammel og det at få Alzheimers. Det er formentlig ret slemt, når det sker,« siger Maiken Nedergaard.

Hjernegymnastik ilter måske hjernen

Ifølge Maiken Nedergaard åbner metoden op for en helt ny æra i studier af hjernen.

For det første kan forskere nu studere, hvad der sker med ilt i hjernen i forbindelse med udvikling af for eksempel Alzheimers eller i forbindelse med traumatisk hjerneskade.

»Vi kan måle det i hele hjernen, og vi kan lede efter tegn på hjerneskade eller neurodegeneration meget tidligt i sygdomsudviklingen. Vi kan også se, om interventioner kan mindske skadelig iltmangel i hjernen, og hvad træning og medicin kan gøre,« forklarer Maiken Nedergaard.

Hun uddyber, at noget af det, som også bliver meget interessant at undersøge, er, hvordan hjernegymnastik påvirker iltningen af hjernen.

»Man plejer at sige, at professorer aldrig udvikler demens. Det bliver spændende at se, om det at holde hjernen i gang ved at løse komplekse opgaver har samme effekt som motion i forhold til at forebygge tilstedeværelsen af iltfattige lommer i hjernen og medfølgende sygdom,« siger Maiken Nedergaard.

Hun understreger dog også, at metoden kun kan benyttes på mus, idet menneskets kraniekasse er for tyk til, at fotonerne fra ildflueenzymerne kan trænge igennem.