För att snabbt kunna springa bort från en fara eller sakta smyga sig på ett bytesdjur är det livsviktigt att våra muskler utför rätt rörelse vid rätt tillfälle. Forskare vid Karolinska Institutet undersöker nu med hjälp av zebrafiskar i detalj hur det går till. Forskningen kan på sikt bidra till nya behandlingsmetoder vid ryggmärgsskada och neuromuskulära sjukdomar.
Projektanslag 2018
Decoding the logic of the neural circuits for motor actions
Huvudsökande:
Abdel El Manira, professor i neurovetenskap
Lärosäte:
Karolinska Institutet
Beviljat anslag:
16,2 miljoner kronor under fem år
Människors beteende bygger på rörelse. Sättet vi rör oss på måste hela tiden justeras efter sammanhanget, som kan kräva att vi rusar för att hinna i kapp bussen eller smyger ljudlöst i biblioteket.
Rörelser utförs av våra muskler, som styrs av signaler från hjärnan. Signalerna når musklerna via nervceller i ryggmärgen. Innan signalen om att utföra en rörelse skickas från hjärnan till musklerna krävs ett komplext informationsutbyte i nätverk av nervceller i hjärnan och i ryggmärgen. Hur dessa nätverk är uppbyggda är ett till stor del olöst biologiskt pussel, som nu undersöks i ett projekt med stöd från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse.
– Vi försöker förstå hur hjärnan omvandlar tankar till handlingar – hur vi bearbetar information från omgivningen för att utföra en rörelse som är anpassad till ett visst sammanhang, säger Abdel El Manira, som är professor i neurovetenskap vid Karolinska Institutet och den som leder projektet.
Tar akvariefiskar till hjälp
Forskningen utförs till största del på zebrafiskar. Dessa centimeterlånga akvariefiskar är populära inom neurobiologisk forskning, bland annat för att de är relativt lätta att manipulera genetiskt. I det här projektet studerar forskarna vuxna fiskar, vars muskler och nervceller är färdigutvecklade. Experimenten görs därför när fiskarna är sex till tolv veckor gamla.
På en datorskärm kopplad till ett mikroskop visar Abdel El Manira en zebrafisks hjärna. De olika strukturerna framträder med självlysande färger. I neongrönt syns fiskens 300-400 nervceller, neuroner, som går från hjärnan till ryggmärgen.
– Visst är det vackert att hjärnan kan styra så många beteenden med så få neuroner! Och fascinerade att det är så tillgängligt för oss att studera. Här ser man neuroner som styr flyktbeteende, de här är till för snabba rörelser och de här för långsamma, det har vi tagit reda på i våra experiment.
Förhoppningen är att kunskapen från försöken på zebrafiskar ska kunna överföras till andra djurarter som har likartad muskeluppbyggnad, exempelvis människor. Men hos människor och andra däggdjur är nervsystemet mer komplext och inte tillgängligt för analys på samma detaljerade nivå som hos zebrafiskar.
Mäter på enskilda nervceller
I sitt arbete använder gruppen bland annat en metod som kallas optogenetik. Det innebär att nervceller modifieras med en gen som producerar ett ljuskänsligt protein, och därigenom kan slås av eller på genom ljuspåverkan. På så sätt kan forskarna stimulera specifika neuron i hjärnan för att försöka se vilka muskler de kontrollerar.
Genom att fästa elektroder på enskilda nervceller och stimulera dem, försöker forskarna lista ut hur cellerna är kopplade till varandra. De tar också bort specifika nervceller för att se hur det påverkar fiskens beteenden, till exempel hur den simmar, och för att undersöka hur många nervceller av en viss typ som är nödvändiga för rörelsen.
– Med det här anslaget har vi kunnat förstärka våra tekniska plattformar. Nu kan vi ta oss an mer konceptuella olösta frågor i stället för att bara göra de mest uppenbara försöken.
Hittills har forskarna bland annat börjat förstå att det inte är ett nätverk som styr alla muskler hos zebrafiskarna, utan att det finns tre olika nätverk som styr de långsamma, respektive de medelsnabba och de snabba musklerna.
– I stället för att aktivera alla neuroner samtidigt för alla beteenden aktiveras bara de nödvändiga delarna. När det första nätverket har nått sin hastighetsgräns startar nästa, som en växellåda där man växlar upp till högre hastigheter.
För några år sedan visade Abdel El Maniras forskargrupp att nervcellerna som aktiverar muskelceller, så kallade motorneuron, inte bara är passiva kanaler för information från hjärnan. De kan även föra med sig information tillbaka till hjärnan. Fyndet publicerades i tidskriften Nature och undersöks nu vidare inom projektet. Forskarna försöker förstå om musklerna skickar tillbaka signaler som påverkar organisationen av de neuronala nätverken.
Ger kunskap om rörelse och sjukdom
Projektet ska ge ny grundläggande kunskap om uppbyggnaden av nätverken som styr våra rörelser. Insikterna om den normala funktionen ger också kunskap om vad som har hänt när nervsystemet är skadat, konstaterar Abdel El Manira.
– Våra resultat öppnar möjligheter för vidare forskning om exempelvis ryggmärgsskador och så kallade motorneuronsjukdomar, som ALS. De kan också bidra till utveckling av nya behandlingsmetoder för att återfå motoriken efter sådana sjukdomar.
Projektet löper under fem år. Då tror Abdel El Manira att de i stora drag vet hur nätverken i ryggmärgen är hopkopplade för att styra rörelsehastighet och flyktbeteende, och vilka delar av hjärnan som styr simning med olika hastigheter och flykt.
– Jag hoppas också att vi har börjat titta på om de här nätverken finns hos däggdjur. Vi har kommit igång snabbt, så det borde gå, säger han.
Text Sara Nilsson
Bild Magnus Bergström
