Marie Carlén är professor i neuronala nätverk vid Karolinska Institutet och Wallenberg Scholar. Hennes forskargrupp utforskar hur hjärnans främre del – den så kallade prefrontala barken eller prefrontalkortex – bidrar till våra högre mentala förmågor som uppmärksamhet, arbetsminne och problemlösning.

– Jag är intresserad av den här delen av hjärnan som tar emot information från i stort sett hela övriga hjärnan samt från våra sinnen.

Det är tydligt att prefrontalkortex spelar en avgörande roll för människans komplexa mentala förmågor. Vid skador och ingrepp som drabbar denna del av hjärnan går det ofta att se en påverkan på beslutsfattande, personlighet och kognitiva funktioner.

På senare år har forskare kartlagt hjärnan genom mappning av vilka genetiska typer av nervceller som finns och studier av var i vävnaden cellerna finns. Det har gett viktig kunskap om hjärnans struktur, men säger fortfarande inte så mycket om hur hjärnan fungerar i praktiken.

– Det är relativt lätt att manipulera en celltyp i prefrontalkortex och sedan få en förändring på till exempel beteenden som kräver uppmärksamhet, säger Marie Carlén.

Men frågan är vad resultaten verkligen berättar om hur den här delen av hjärnan fungerar. Därför vill Carlén ta reda på hur nätverket av nervceller i prefrontalkortex faktiskt utför sina uppgifter.

Nya kartor över aktivitet

Hjärnan är en elektrisk maskin där nervceller skickar en myriad av ultrasnabba elektriska pulser till varandra – och det är just detta flödande trafiksystem som behöver kartläggas.

– Jag vill studera den elektriska aktiviteten på nivån av enskilda nervceller och bygga kartor av aktivitetsmönstren i prefrontalkortex. Och framför allt så vill jag förstå principerna för hur mönstren ändras under kognitiva processer, som när vi är uppmärksamma, använder arbetsminnet eller fattar beslut, förklarar Marie Carlén.

En stor del av forskningen syftar till att etablera vilka elektriska mönster som är av betydelse och hur de relaterar till eller stödjer kognitiva processer.

I sina studier använder Carlén och hennes kollegor ultrasmala elektroder som kan registrera den elektriska aktiviteten från tusentals enskilda nervceller.

Forskare kan för närvarande registrera och mäta nervcellers aktivitet hos möss mer effektivt än hos andra djur. Det finns också tydliga etiska riktlinjer för att arbeta med möss i Sverige. På andra håll i världen studerar forskare även apor, och i sällsynta fall samlas det in data om hjärnaktivitet hos människor, men då från patienter som står under behandling och där denna information blir en bonus för forskningen om hjärnan.

– Jag behöver inte själv utföra alla undersökningar, utan kan även dra nytta av de data som kommer fram hos andra forskare.

Om forskarna lyckas förstå mönstret av elektrisk aktivitet i musens hjärna banar det väg för att göra jämförelser med andra arter. På sikt vill Marie Carlén kartlägga vad som är gemensamt för hjärnan hos däggdjur och vad som är unikt i mer avancerade hjärnor, som hos människan.

Jakten på signaturer för kognition

Forskarna tränar möss till att utföra uppgifter som kräver kognition, till exempel att reagera på att en speciell ton spelas genom att snurra på ett hjul med framtassarna eller slicka på ett munstycke som levererar vatten.

Vi vill studera hjärnan på ett nytt sätt. Nyfikenhetsdriven forskning leder ofta till de verkligt stora upptäckterna.

– Genom att samtidigt registrera den elektriska aktiviteten i prefrontalkortex kan vi etablera hur den elektriska aktiviteten ändras under inlärning av en uppgift, och ”se” lärande innan det ens märks på djurets beteende, säger Marie Carlén.

Det är en smått sensationell upptäckt. Nästa steg är att kartlägga nätverken och hjärnområden involverade i de kognitiva processerna och att etablera relationen mellan aktivitetsmönster och olika typer av nervceller.

Ny syn på hjärnan

Tidigare har forskare delat in hjärnan i olika områden med tydliga, separata funktioner. Men det är en förenklad syn som behöver uppdateras. Marie Carlén vill hellre se hjärnan som ett stort nätverk där olika delar samverkar.

– Verkligheten är så mycket mer komplex. Vi tror att kognitiva processer engagerar stora delar av hjärnan, med prefrontalkortex som en central hubb.

Forskargruppen tecknar nu en ny sorts karta över hur nervceller i hjärnan engageras i nätverk. Kartan som växer fram är baserad på elektrisk aktivitet och inte på hur hjärnans struktur ser ut i ett mikroskop.

– Det kan liknas vid att studera var folk talar samma språk, oberoende av landsgränser. Jag brukar som en jämförelse visa en karta över de många samiska språken i norra Skandinavien som går tvärs över gränserna, säger Marie Carlén.

En ny förståelse av hjärnans principer för tänkande och lärande kan få stor medicinsk betydelse. Eftersom kognition ofta är påverkat vid psykisk sjukdom finns förhoppningen att ett genombrott ska bana väg för nya behandlingsstrategier även för patienter som i dag saknar effektiv behandling.

– Om vi kan etablera de biologiska grunderna för kognition och högre mentala förmågor kan vi förhoppningsvis i förlängningen få en bättre förståelse för och behandling av psykiska sjukdomar, säger Marie Carlén.

Text Nils Johan Tjärnlund
Bild Magnus Bergström