Neuroscience Study avslöjar det kan vara en avbrytare för hjärnproblem

Hjärnan är ett precisionsinstrument. Funktionen beror på finkalibrerad elektrisk aktivitet som utlöser utsläpp av kemiska meddelanden mellan neuroner.

Men ibland är hjärnans noggranna balans knockad ur kontroll, som i epilepsi. Electroencephalography, eller EEG, visualiserar en hjärnans elektriska aktivitet och kan avslöja hur ett epileptiskt anfall avviker från det förutsägbara vågmönstret av typisk hjärnaktivitet.

Men medicin saknar fortfarande en lösning på epilepsi. Det finns begränsad möjlighet att förutsäga ett anfall, och inget sätt att ingripa, även när man kan förutsäga. Även om läkemedel är tillgängliga för personer som behandlar epilepsi, är de fyllda med biverkningar, och de fungerar inte för alla.

Att arbeta på ett problem i mitt neurovetenskapslaboratorium, när jag slutar föreställa mig hur skrämmande det kan vara att leva med en hjärna ur kontrollen på detta sätt motiverar det mig verkligen. Kunde det finnas ett sätt att gripa tillbaka kontrollen över dessa neuroner borta rogue? Jag har fokuserat på hur ett specifikt fack inom varje hjärncell kan hjälpa oss att göra just det.

En brytare för hjärnaktivitet

Ända sedan jag var en grundstudent har jag fascinerats med en del av neuron som kallas axonens initiala segment. Varje neuron innehåller detta lilla fack. Det är där en neuron "bestämmer" för att avfyra en elektrisk signal, skickar ett kemiskt meddelande till nästa cell.

Det finns specialiserade kopplingar här som kan utöva kraftfull kontroll; De kan åsidosätta cellens egna "beslut" om avfyring. Denna kontrollmekanism finns för att organisera eller mönstra hjärnaktivitet - ett krav på mycket av vårt beteende.

Till exempel, för att somna, måste din hjärnaktivitet svika ner i en långsam oscillation. Däremot kräver skarp koncentration på ett problem att mönstret hämtar, vilket ger en snabb oscillation. En oförmåga att producera och reglera dessa mönster av hjärnaktivitet har varit relaterad till många störningar i hjärnan.

När axonens initiala segment av talrika neuroner alla mottar en ljudsignal samtidigt, resulterar det i ett tråg i EEG-vågmönstret. Det betyder att det avviker från hjärnans aktivitet, något som under normala förhållanden skulle vara användbart när man flyttar mellan avslappnade vakna och sovande tillstånd.

Om forskare skulle kunna utnyttja kraften i dessa hämmande kopplingar, kan vi eventuellt återställa hjärnans aktivitetsmönster närhelst vi vill. Det kan vara ett sätt att bryta tillbaka kontrollen i en epileptisk hjärna.

Molekyler som förmedlar budskapet

För att börja förstå hur man reglerar den här kraften i axonets initiala segment, behövde mina kollegor och jag först förstå de molekylära partnerskapen vid dessa anslutningar. För att hämning ska vara effektiv vid axonets initiala segment måste det finnas rätt utrustning som är tillgänglig för att ta emot signalen. Vid hämning i hjärnan är denna utrustning GABA A-receptorn.

Med medarbetarna Hans Maric och Hermann Schindelin identifierade vi ett nära och exklusivt partnerskap mellan två proteiner - GABA A-receptorn a2-subenheten och kollybistinet. Att räkna ut det nära förhållandet mellan dessa två molekyler svarar på några öppna frågor om hur proteiner vid hämmande kontaktpunkter kan interagera. Vi visste att GABA A receptor α2-subenheten finns i axonens initiala segment, men forskare förstod inte hur det kommer dit eller hålls där. Collybistin kan vara nyckeln.

Så nu trodde vi att dessa två proteiner kunde arbeta tillsammans i axonets initiala segment. För att ta det vidare, ville min postdoktor mentor Stephen Moss och jag förstå vilka konsekvenser detta kan ha för anslutningar vid axonets initiala segment och i sista hand hur hjärnan fungerar. För att försöka räkna ut det skapade vi en genetisk mutation som resulterade i att de två proteinerna inte kunde ansluta.

Neuroner av möss med denna mutation förlorade i själva verket hämmande kopplingar på axonets initiala segment. Hämmande förbindelser på andra delar av hjärncellerna kvarblivit intakta, och stöder återigen tanken att detta proteinpartnerskap är exklusivt och speciellt viktigt vid axonens initiala segment.

Möss med denna mutationsupplevelse anfall under utveckling. När de växer till vuxna, visar dessa möss inte längre beteendemässiga tecken på anfall. I vissa former av pediatrisk epilepsi kan barn också "växa upp" sina anfall. Så denna mutation är extremt värdefull för att tillhandahålla en möjlig modell för human pediatrisk epilepsi. Vi hoppas att det kan hjälpa oss att förstå tydligare vad som händer i hjärnan under epilepsi, och även att utforma och testa bättre terapier, som den selektiva förening som utvecklats av AstraZeneca, vars forskare också bidragit till detta projekt.

Ett kvantitativt men tidigt steg

Neuroscientists har länge spekulerat om partnerskapet mellan GABA A-receptorn och kollybistinet. Nu våra resultat, som nyligen publicerades i Naturkommunikation, definiera den kvantitativt.

Medan vi känner till GABA A-receptorer - som svarar mot GABA-kontrollhämmande signalering, undersöker vi fortfarande hur allt fungerar. GABA-signalering är olika, med olika anslutningstyper som utövar distinkt kontroll över cellbränning - något annat vi behöver för att förstå. Och dysfunktion i GABA-signaleringen är också involverad i ett antal andra störningar i hjärnan, förutom epilepsi.

Det ultimata målet med denna forskning är att utforma behandlingar som kan styra hämmande kopplingar vid axons initiala segment. Vi skulle vilja vara ansvarig för den växeln, som kunde stänga av det okontrollerade nervbrottet som ses under ett epileptiskt anfall.

Jag föreställer mig livet med epilepsi, och jag föreställer mig också livet utan det.

Den här artikeln publicerades ursprungligen på The Conversation by Rochelle Hines. Läs den ursprungliga artikeln här.