Carolina Lidström, 2013-­‐05-­‐22. Populärvetenskaplig beskrivning av examensarbetet ”Nätverksanalys av interneuronen i lillhjärnans molekylära lager” utfört vid Institutionen för Reglerteknik, Lunds Universitet. Lillhjärnan är en del i det centrala nervsystemet. Den är placerad mellan storhjärnan och hjärnstammen i den bakre delen av huvudet och har en viktig roll i att reglera våra rörelser, vårt tal samt hur vi tänker. Lillhjärnan kan delas in i flera mindre delar. Varje del är uppbyggd på liknande sätt med samma typer av nervceller, däribland de interneuron som har behandlats i examensarbetet. Utmärkande för interneuron är att de fungerar som en brygga mellan de nervceller som tar emot information från de sensoriska receptorerna i kroppen och de som sänder ut information till muskler, körtlar och vissa andra organ. Interneuronen i lillhjärnans molekylärlager kan delas in i stjärn-­‐ och korgceller beroende på hur djupt ner i lagret de är placerade. Idag finns det begränsat med information om hur just dessa celler påverkar och bidrar till lillhjärnans olika funktioner. En nervcell tar emot information från en annan nervcell via elektriska signaler; aktionspotentialer eller så kallade spikar. När en cell tar emot en spik ändrar det genomsläppningen av joner över dess membran. Då ändras potentialen över membranet och om potentialen blir tillräckligt hög skickar cellen vidare informationen, återigen genom en spik. Spikarna skickas via utskott från nervcellen, så kallade synapser, som fäster vid målcellen. I experiment kan man få information om hur membranpotentialen hos stjärn-­‐ och korgcellerna förändras vid olika typer av stimulering. Matematiska modeller, oftast uppbyggda av differentialekvationer, kan användas för att försöka återskapa detta beteende. I matematiska simuleringar kan man koppla ihop flera celler och få information om hur de fungerar tillsammans. En sådan undersökning är svår att göra med experimentella mätningar då det är besvärligt att mäta i flera celler samtidigt. De nervceller som skickar information till stjärn-­‐ och korgcellerna heter kornceller. De är excitatoriska vilket betyder att de höjer membranpotentialen i sina målceller. Vidare inhiberar stjärn-­‐ och korgcellerna varandra vilket betyder att de sänker varandras membranpotential. I vilket mönster de är kopplade till varandra är ännu inte känt. Figur 1. Kretsen Interneuronen inhiberar även Purkinjecellerna vilka är de celler som skickar vidare information från lillhjärnan till andra delar av nervsystemet. Se figur 1 på föregående sida för en bild över den krets av nervceller de hittills nämnda kopplingarna ger upphov till. Kretsen har även en återkopplingsväg för informationen som går från Purkinjecellerna tillbaka till korncellerna. I examensarbetet har den beskrivna kretsen simulerats i syfte att försöka förstå hur stjärn-­‐ och korgcellerna är kopplade till varandra. Olika typer av kopplingsmönster har utforskats och det simulerade beteendet har jämförts med experimentella mätningar. Det som jämförs är egenskaperna hos den simulerade och den experimentellt uppmätta membranpotentialen i interneuronen under och efter en specifik typ av stimulering. De egenskaper som jämförs är frekvensinnehållet och variansen i membranpotentialen samt hur spikarna från cellerna är fördelade under stimuleringsperioden. Två typer av kopplingsmönster gav upphov till riktigt beteende, sett till de jämförelsemetoder som använts. Avvikelser från beteendet givet i de experimentella mätningarna beror troligen på att det som simuleras endast är en liten del av den egentliga krets som interneuronen är en del av. Den simulerade kretsen består av tio kornceller och vardera 25 stjärn-­‐ och korgceller. I det första kopplingsmönstret är stjärn-­‐ och korgcellerna uppdelade i grupper om fem, var för sig. Grupperna är kopplade till varandra likt stjärnformationen i figur 2 till höger. I det andra kopplingsmönstret finns denna kopplingsformation endast inom grupperna av stjärnceller och korgcellerna är istället Figur 2. inhiberade av stjärncellerna. Stjärnformationen ger upphov Stjärnformation till att membranpotentialen hos interneuronen emellanåt trycks ned kraftigt. Detta är ett beteende som återfinns i de experimentella mätningarna. Vidare undersöks beteendet hos kretsen med de ovan nämnda kopplingsmönstren vid olika typer av insignal till korncellerna. Insignalen är en ström över korncellernas membran. Denna undersökning indikerar att kretsen inte är ett linjärt system. Insignalen försenas något på sin resa genom kretsen och blir inhibitorisk istället för excitatorisk som den från början var. Slutligen inkluderas återkopplingsvägen i kretsen och samma typ av undersökning utförs. Återkopplingen gör så att utsignalen från kretsen, membranpotentialen hos Purkinjecellerna, blir mindre i styrka och kortare i tid. Detta indikerar att återkopplingsvägen har som funktion att hålla lillhjärnans utsignal inom vissa ramar. En större mängd experimentell data krävs för utveckla de undersökningar av stjärn-­‐ och korgcellerna som utförts i examensarbetet. De två olika kopplingsmönstren behöver undersökas vidare då kretsen byggs ut till en större krets av nervceller. Fortsatt forskning om stjärn-­‐ och korgcellerna är av största vikt för att få en djupare förståelse för hur lillhjärnan och därmed nervsystemet fungerar. För vidare läsning rekommenderas boken Neuro Science av Purves med flera, se referens nedan. Referenser: C. Lidström, Network Analysis of the Molecular Layer Interneurons in the Cerebellum, Master’s Thesis ISRN TFRT-­‐5916, Department of Automatic Control, Lund University, Sweden, 2013. D. Purves, G. J. Augustine, D. Fitzpatrick, W. C. Hall, A.-­‐S. LaMantia, J. O. McNamara, and S. M. Williams, Neuro Science, 3rd edition. Sinauer Associates, 2004.
