Matematiskt-Neurobiologiskt examensarbete (Utkast 020303)
Nervceller kommunicerar via synapser. En enda nervcell mottager/skickar signaler från/till
tusentals andra nervceller och man har beräknat att den finns i storleksordningen 1015
synapser i den mänskliga hjärnan. Signaltrafiken i detta gigantiska nätverk av nervceller och
synapser styr vårt beteende och många sjukdomar och störningar som drabbar hjärnan kan
hänföras till störningar i just synapsernas funktion. Synapserna kan också ändra sin
signaleringseffektivitet beroende på hur de används, en plasticititet som anses vara grunden
för bl.a. inlärning och minneslagring i hjärnan.
Den kunskap man har om hur synapser fungerar har framför allt kommit från studier där man
undersökt signalöverföringen i relativt stora grupper av synapser. Informationen från den
typen av undersökningar är dock begränsad eftersom man endast belyser ett
medelvärdesbeteende. För att öka kunskapen om synapsernas funktion är det därför mycket
betydelsefullt att föra ner analysen på enskilda synapser. Svåriheten i detta ligger bl.a. i att
synapserna är mycket små (~1 μm) och väldigt många. En enskild synaps bidrager med en
ström vanligen är av storleksordningen 10 pA och man tangerar då det som är praktiskt
mätbart med hänsyn till det elektriska bruset.
Traditionellt har man ansett att en synaps’ signaleringsstyrka styrs av tre oberoende (s.k.
kvantala) faktorer; i/ den sannolikhet med vilken ett paket signalsubstans (ett s.k. kvanta)
frisätts när en nervimpuls når synapsen (frisättningssannolikhet, p), ii/ hur många kvanta som
kan frisättas som svar på en nervimpuls (antalet frisättningsställen, n) och iii/ stoleken på den
signal som genereras i mottagarcellen som svar på ett frisatt kvanta (kvantal storlek, q).
Utmaningen inom synapsfysiologin ligger i att förstå vad dessa s.k. kvantala parametrar
representerar och hur de kan styras för att förändra signaleringsstyrkan hos synapsen.
Vi har nu utarbetat tekniker för att studera signaleringen hos enskilda synapser i tunna skivor
av levande hjärnvävnad från nyfödda råttor. Nyliga studier med dessa tekniker (våra nyliga
referenser) har bl.a. visat en oerhörd variation av frisättningssannolikheten och den kvantala
storleken mellan synapser och studierna har börjat belysa vad som ligger bakom dessa
kvantala faktorer.
Inom denna neurobiologiska forskningen kring synapsernas funktion finns ett stort behov av
avancerad matematisk analys. Exempel på matematiska utmaningar inom detta fält innefattar
i/ extraktion av synaptiska signaler från elektriska registreringar, ii/ statistisk analys av de
extraherade synaptiska signalerna och iii/ modellbildning av olika aspekter av den synaptiska
signaleringen.
