Hjärnregionen som styr våra rörelser kartlagd på detaljnivå

Rörelse är en mycket komplicerad process som omfattar miljontals nervceller i olika delar av hjärnan, där motorbarken har en central roll. Signalerna skickas sedan från hjärnan till ryggmärgen och vidare ut till musklerna. För att öka kunskapen om hur detta fungerar har de olika celltyperna i motorbarken hos människa, mus och silkesapa nu kartlagts in i minsta detalj. Bakom satsningen finns ett stort konsortium av hundratals forskare sammanförda i BRAIN Initiative Cell Census Network, BICCN, som startades av amerikanska National Institutes of Health (NIH) år 2017.

Cellatlasen beskrivs i ett specialpaket med totalt 17 vetenskapliga artiklar publicerade i Nature, inklusive en sammanfattande högnivåanalys (flagship paper) som beskriver hela atlasen. Forskare vid Karolinska Institutet har bidragit med data om den mänskliga hjärnan i den evolutionära jämförelsen mellan arter, ledd av Allen Institute for Brain Science, som varit en viktig del i uppbyggandet av cellatlasen.

Atlasen finns fritt tillgänglig och representerar den hittills mest omfattande och detaljerade datainsamlingen av någon del av däggdjurshjärnan. Forskarna delade in de miljontals nervceller och andra typer av hjärnceller som finns i motorbarken i olika kategorier. Många olika metoder användes för att mäta en mängd egenskaper hos enskilda celler, inklusive den fullständiga uppsättningen gener som cellen aktiverar, cellens tredimensionella form, dess elektriska egenskaper och hur cellen sammankopplas med andra celler.

– För att förstå hur hjärnan fungerar och vad som går fel när vi drabbas av sjukdom måste vi börja med att titta på hjärnans viktigaste byggstenar, cellerna. När vi har skapat en katalog över alla celltyper som tillsammans bygger upp våra hjärnor kan vi lära oss mer om hur de samverkar med varandra i ett system, säger Sten Linnarsson, professor vid institutionen för medicinsk biokemi och biofysik vid Karolinska Institutet, som är medförfattare till flera av artiklarna.

I jämförelsen mellan möss, människor och silkesapor fann forskarna att de flesta celltyper i motorbarken har liknande motsvarigheter i alla tre däggdjursarter. Det som varierade mellan arterna var främst cellernas proportioner, former och elektriska egenskaper samt enskilda gener som slås på och av. Forskarna studerade även i detalj de elektriska signaler som skickas från mänskliga Betz-celler, stora nervceller som kommunicerar med ryggmärgen och som angrips vid sjukdomen ALS (amyotrofisk lateral skleros).

– Kartläggningen av motorbarken kan leda till en bättre förståelse för sjukdomar där nervceller som styr våra rörelser angrips, som ALS. Men projektet tar inte slut här. Vi kommer nu tillsammans att fortsätta kartlägga andra områden i hjärnan till dess att vi har en fullständig cellatlas över hela den mänskliga hjärnan, säger Sten Linnarsson.

Forskningen har i huvudsak finansierats av National Institute of Mental Health (NIMH) i USA som är en del av NIH. Potentiella intressekonflikter finns listade i de vetenskapliga artiklarna.

Publikationer där KI-forskare medverkar:

Högnivåanalys (flagship paper): “A multimodal cell census and atlas of the mammalian primary motor cortex”. BRAIN Initiative Cell Census Network (BICCN), Nature, online 6 oktober 2021.

Evolutionär jämförelse mellan arter: ”Comparative cellular analysis of motor cortex in human, marmoset, and mouse”. Trygve E. Bakken et al, Nature, online 6 oktober 2021, doi: 10.1038/s41586-021-03465-8.