Hösten 2024 öppnade ett nytt toppmodernt hjärnlaboratorium vid SciLifeLab och Karolinska Institutet (KI) i Solna, strax norr om Stockholm. Här studerar Stagkourakis och hans team vad som händer i hjärnan när djur reagerar instinktivt på yttre händelser.

Hans mål är att avslöja hur hjärnan styr naturliga överlevnadsbeteenden och att få en djupare förståelse för varför vissa upplevelser leder till att en del individer uppvisar extrema former av aggression, rädsla, hetsätning, sexmissbruk eller posttraumatiskt stressyndrom.

Forskargruppen hoppas få en klarare bild av de ingående mekanismerna, något som de tror så småningom kan bana väg för läkemedel som kan dämpa liknande extrema reaktioner.

Att studera instinkter är inte lätt: de delar av hjärnan som styr våra överlevnadsbeteenden, som hypotalamus, ligger djupt inne och är svåra att komma åt. Hypotalamus spelar en central roll i att initiera fysiologiska reaktioner på emotionella tillstånd som glädje och ilska.

Vill förstå komplexa system

– Vår traditionella syn på hjärnan utgår från att specifika funktioner utförs av specifika nervceller i specifika regioner. Men hur mycket kan vi egentligen förstå genom att bara fokusera på delar av hjärnan? Det kan leda vilse. Vi vill förstå hur hjärnan fungerar som ett komplext system, säger Stagkourakis.

Hjärnan är organiserad i små anatomiska kärnor, kluster av nervceller, som liknar öar, förbundna med invecklade kommunikationsvägar.

KI-forskarna fokuserar främst på att förstå hur nätverk och populationer av dessa nervceller, eller neuroner, fungerar.

Fram till nyligen var det omöjligt att registrera det som många inom hjärnforskningen kallar för ”den heliga graalen” – att registrera aktiviteten hos ett tillräckligt stort antal enskilda neuroner i stora delar av hjärnan vid olika beteenden.

Stagkourakis förklarar:

– Det är först under de senaste åren som vi har kunnat observera aktiviteten hos enskilda neuroner i ett stort antal hjärnregioner.

Mäter elektrisk spänning

Genombrottet har möjliggjorts via banbrytande teknik med vars hjälp forskare kan registrera elektrisk aktivitet från ett stort antal enskilda neuroner samtidigt. Under sin tid vid California Institute of Technology (2019–2024) arbetade Stagkourakis intensivt med bland annat prober, ett slags mätverktyg som kan mäta elektrisk spänning. Som Wallenberg Academy Fellow använder han nu dem i sitt laboratorium vid SciLifeLab.

Det är först under de senaste åren som vi har kunnat observera aktiviteten hos enskilda neuroner i ett stort antal hjärnregioner.

Proberna riktas mot möss och utnyttjar multipla sensorer, sensorarrayer, som kan detektera de små spänningsförändringar som uppstår när neuroner avger elektriska signaler, och som kallas aktionspotentialer. Dessa signaler kan i sin tur frisätta neurotransmittorer som noradrenalin, serotonin och histamin och är avgörande för hur hjärnan bearbetar information.

I sina experiment med möss kan KI-forskarna övervaka aktiviteten hos hundratals till tusentals neuroner samtidigt, även i djupa hjärnstrukturer. Det gör att de kan kartlägga hela hjärnans neurala dynamik med oöverträffad upplösning.

Manipulera beteenden

För att förstå vilka beteenden som är kopplade till specifika nervceller, manipulerar forskarna aktiviteten hos utvalda nervcellskluster när mössen visar olika överlevnadsbeteenden. Detta kallas ”perturbation” och utförs vanligtvis med hjälp av genmodifiering som gör celler ljuskänsliga, eller med hjälp av läkemedel.

Efter åtta månaders experiment kan nu Stagkourakis och hans medarbetares tidiga resultat kasta nytt ljus över hjärnans funktionella arkitektur. De har kartlagt hjärnans funktionella nätverksarkitektur – baserat på enskilda nervcellers aktivitet – vid överdrivna, extrema beteenden.

– Tidigare, när vi tittade på neuroners aktivitet på specifika platser i hjärnan och vid vissa beteenden, fann vi beteendespecifika neuronpopulationer, som vi informellt kallade aggressionsneuroner, parningsneuroner och föräldrabeteendeneuroner.

Den nya metoden belyser också tydligt en viktig egenskap hos enskilda neuroner som tidigare underskattats – att enskilda neuroner kan vara multifunktionella – de kan delta i flera beteenden beroende på kontexten, ett fenomen som kallas blandad selektivitet.

– De funktionella kartor över nervaktivitet som vi strävar efter att upptäcka kan vara den minsta nervformen av ett beteende, säger Stagkourakis.

Deras arbetshypotes är att aktiviteten som pågår tvärsöver hjärnan sannolikt inte är bakgrundsbrus. Nervcellernas aktivitet är metaboliskt kostsam, och evolutionen har bidragit till att hjärnan fungerar på ett energieffektivt sätt, tillägger Stagkourakis.

Han är entusiastisk över att ha startat sitt laboratorium vid SciLifeLab och Karolinska Institutet och hoppas kunna bidra till KI:s historia och pågående insatser för att skapa världsledande och inflytelserik neurovetenskap.

– Det har varit så spännande att dyka in i detta ämne från dag ett och att sätta upp försök och att göra observationer tvärsöver hjärnan!

Text Monica Kleja
Bild Magnus Bergström