Kaos i overgangen mellem sovende og vågen tilstand – Københavns Universitet

SCIENCE > Presse > Nyheder > 2017 > Kaos i overgangen mell...

13. december 2017

Kaos i overgangen mellem sovende og vågen tilstand

Hjerneforskning:

Nu har danske forskere fra bl.a. Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet undersøgt, hvordan man kan beskrive en af de mest markante stadieændringer i hjernen, nemlig overgangen mellem søvn og vågen. De har opdaget, at denne overgang kan beskrives som en kvalitativ og kvantitativ ændring i det dynamiske membranpotentiale mønster hos neuronerne, og at denne overgang hjælpes på vej af en ændring i koncentrationen af de ioner der findes i hjernens ekstracellulære miljø. Resultaterne er publiceret i det videnskabelige tidsskrift, Cell Systems (Cell Press).

Professor Mogens Høgh Jensen og Ph.D studerende Mathias Heltberg i det historiske auditorium A i Niels Bohr Institutet på Blegdamsvej.

Hjernens nerveceller (neuroner) udgør et uendeligt komplekst netværk, og forståelsen af deres samspil og koordination er en af videnskabens store udfordringer. Aktiviteten af hjernens neuroner afhænger af hvilket overordnet stadie vi befinder os i (dyb søvn, let søvn, stillesiddende vågen eller vågen og aktiv), og dette har stor betydning for hvordan sensoriske indtryk bearbejdes.

På baggrund af forskning i både mennesker og dyr, ved man allerede meget om karakteristika for neuronernes aktivitetsmønstre i disse veldefinerede stadier. Men hvorledes den enkelte neuron skifter fra et stadie til andet, og hvilke mekanismer som orkestrerer denne stadieændring, er fortsat ikke forstået tilstrækkeligt. Det komplekse spil, hvor ekstracellulære signaler påvirker neuronernes dynamik, er en meget vigtig brik i forståelsen af hvordan den menneskelige hjerne fungerer.

Nu har en dansk gruppe forskere på baggrund af matematiske udregninger og computersimuleringer observeret, hvordan tidligere rapporterede ændringer i ekstracellulære ion-koncentrationer kan påvirke overgange mellem sovende og vågen aktivitet i de enkelte neuroner.

Mønsteret ændres

”Vi tog udgangspunkt i de ekstracellulære ioner, der ændrer deres koncentration i sovende og vågne forsøgsdyr i eksperimentelle eksperimenter. Vores hypotese var, at denne ændring kunne bidrage til overgangen mellem de disse to overordnede stadier. Derfor blev vi meget begejstrede da computer simuleringerne viste, at de eksperimentelt observerede værdier, i samspil med et ion-permeabelt protein, var nok til at skabe en markant overgang i stil med den vi ser i levende organismer”, fortæller Rune Rasmussen, Ph.d.-studerende i neurovidenskab ved DANDRITE på Aarhus Universitet.

Det viste sig, at overgangen mellem søvn og vågen ikke bare gav statistiske ændringer, men repræsenterede en veldefineret ændring i det mønster, hvorved neuronerne sender elektriske impulser (såkaldte aktionspotentialer). Mens aktiviteten i de sovende neuroner var præget af matematisk veldefinerede svingninger eller grænsecykler, udviste de vågne neuroner ikke-lineær kaotisk dynamik. Og denne ændring giver et vigtigt redskab til at beskrive overgangen mellem tilstande i hjernen.

”Kaos er et veldefineret matematisk begreb, og det var derfor spændende da vi opdagede, at de ion-ændringer man ser i eksperimenter fører til kaotisk dynamik. Dette muliggør også en reel beskrivelse af en overgang, som vi alle kender rigtig godt, og giver mulighed for at kunne forstå, hvordan man kan afhjælpe både det at falde i søvn samt at vågne”, fortæller Mathias Heltberg, Ph.d.-studerende i Biokompleksitet på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet.

Artiklen udforsker, hvordan ioner kan styre neuronernes aktivitetsmønster og hvorledes dynamikken ændres ved en overgang til kaos (øverste graf). Denne overgang repræsenterer den hvad der sker når organismer går fra sovende til vågen tilstand, og kan potentielt give en ny vinkel på hvordan man kan definere søvn. Disse dynamikker kan også visualiseres i et tredimensionelt fase-plot (i midten), hvorved man kan lettere kan anskue forskelle mellem regulære svingninger og kaotisk dynamik.

Vigtigt indspark i betydningen af søvn

På trods af resultaterne pointerer forskerne dog, at der stadig er lang vej til en fuld beskrivelse af de enkelte neuroners aktivitet og en samlet tilstand i hjernen. Men resultaterne giver et nyt syn på overgangen, og giver anledning til nye ideer for at forstå rollen af søvn, og hvorledes hjernens biologi styrer søvnen.

”Det er interessant, fordi man antager normalt, at neuronerne under søvn kan få ro til at genopbygge forbindelser, og ikke udsættes for alt for meget stress. Vores beskrivelse underbygger denne hypotese, og giver muligheder for, at neuroner i søvn kan virke i takt med hinanden. Dette kan potentielt være et vigtigt element grundet det store komplekse netværk mellem neuronerne”, fortæller Mogens Høgh Jensen, professor i Biokompleksitet på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet.

Forskerne pointerer, at dét de har vist er, at man kan beskrive dynamikken under søvn og i vågen tilstand, og således adskille disse som en veldefineret overgang mellem forskellige typer af dynamisk opførsel. Dette kan have stor betydning for hvordan vi anser søvnens betydning, og hvordan samspillet mellem forskellige dele af hjernen fungerer under søvn.

Artiklen med titlen “Chaotic Dynamics Mediates Brain State Transitions, Driven by Changes in Extracellular Ion Concentrations” er netop publiceret online af Cell Systems (Cell Press) og udkommer med en forside illustration af kaotisk neuron dynamik den 27. december 2017.

Link til den videnskabelige artikel i Cell Systems >> Chaotic Dynamics Mediate Brain State Transitions, Driven by Changes in Extracellular Ion Concentrations


Mogens Høgh Jensen, Professor i Biokompleksitet på Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet, +45 3532-5371, mhjensen@nbi.ku.dk

Mathias Heltberg, Ph.d.-studerende i Biokompleksitet på Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet, +45 2619-1889, mathias.heltberg@nbi.ku.dk

Rune Rasmussen, Ph.d.-studerende i Neuroscience ved DANDRITE, Aarhus Universitet, +45 6133-7698, runerasmussen@dandrite.au.dk