Ny teori om de nerve-netværk, der styrer vores evne til at gå
Elektroder i rygmarven på skildpadder gav overraskende meldinger – og har affødt en teori om eksistensen af en hidtil ukendt ’kommandocentral’ bag bevægelser.
Forskere fra Københavns universitet har via af række forsøg opdaget at den neurale aktivitet i rygmarven er anderledes end tidligere troet. Det kan bedst beskrives som en rotation mellem de forskellige nerveceller. Her ses en illustration af kommunikationen mellem hjerne og rygmarv. Netværk af neuroner i rygmarven producerer detailer i bevægelsen, som rytmen og koordinering af forskellige muskler, og hjerne giver besked om små korrektioner i bevægelsen samt hvornår bevægelsen startes og stoppes.
Fire forskere fra Institut for Neurovidenskab ved Københavns Universitet (KU) kiggede grundigt på måleresultaterne. Så kiggede de atter, og nok en gang – uden helt at vide, hvad de skulle sige og mene.
For noget var på en eller anden udefinerlig måde anderledes ved de måleresultater, husker lederen af holdet, lektor Rune W. Berg: ”Og resultaterne var under alle omstændigheder helt anderledes end den fremherskende teori sagde, de burde være”.
Det skete tilbage i 2015. Men først nu – efter syv års yderligere forsøg og utallige grublerier - er forskerholdet kommet frem til en forklaring på, hvad de dengang observerede via supersensitive elektroder indsat i rygmarven på forsøgs-skildpadder, der udførte gangbevægelser.
Og den forklaring har KU-forskerne netop offentliggjort i form af en forskningsartikel i Nature, et af verdens højst rangerede videnskabelige tidsskrifter.
Overordnet handler deres artikel i Nature om gang, altså det at gå – ved skiftevis at sætte det ene ben foran det andet og blive ved på den facon, til man har nået sin destination.
Mere specifikt handler forskningsartiklen om nervecelleaktivitet i rygmarven, som angiveligt styrer og muliggør gang. Og det er lige præcis her, de fire forskere bringer helt nye tanker til torvs, og dermed uundgåeligt kommer til at udfordre den fremherskende teori.
Den fremherskende videnskabelige teori på dette felt har i årtier været, at nervecelleaktiviteten i rygmarven er såkaldt alternerende. Antagelsen er – firkantet sagt - at nervecellenetværk i rygmarven i samarbejde med centre i hjernen muliggør gang ved skiftevis at aktivere gangmusklerne i kroppens højre- og venstre side. Men hvordan sådanne netværk mere detaljeret ser ud, er organiseret og arbejder i rygmarven, er endnu ikke vist.
Da de fire KU-forskere studerede mikroskop-optagelser af skildpaddemålingerne, kunne de ikke finde tegn på alternerende-/skiftevis aktivitet i nervecellerne i dyrenes rygmarv i forbindelse med gangbevægelser. Og det kunne de heller ikke, da de senere kiggede lige så grundigt på lignende målinger fra forsøg med rotter og katte, fortæller Rune W. Berg, der er støttet af Lundbeckfonden via en Ascending Investigator-bevilling:
”Hvad vi derimod så, da vi langt om længe fik øje på det, var nerveceller, som konstant arbejdede sammen i netværkslignende strukturer. Cellerne var aktive i rytmiske bevægelser, og disse bevægelser gentog sig i alle forsøg på en måde, der kan opfattes som en fortløbende rotation. Det stemmer slet ikke overens med den gængse opfattelse af hvilken rolle nervecellenetværk i rygmarven hos hvirveldyr – og altså også hos mennesket - spiller i forbindelse med gang. Men når det er sagt, er der stadig meget – virkelig meget – vi ikke ved om disse roterende netværks funktioner og om, hvordan de arbejder”, siger Rune W. Berg.
En ny ’kommandocentral’
Men betyder det egentlig noget, om nervecellenetværk i rygmarven bevæger sig på den ene eller den anden måde, så længe de bare gør det muligt for det pågældende hvirveldyr at gå?
Spørger man Rune W. Berg, er svaret ubetinget: ”Ja, det betyder noget - og derfor bør alternative forklaringsforslag som det, vi argumenterer for, også udforskes endnu nærmere. Det vil vi naturligvis gøre, men vi håber også, at andre forskere vil tage denne udfordring op. I sidste ende hænger det sammen med at prøve at opnå en udvidet forståelse af ’kommandocentralen’ bag såvel gang som en lang række andre bevægelser”, forklarer han:
”I relation til, hvad der styrer gang, kan rygmarven, ud fra den fremherskende videnskabelige teori, overordnet ses en slags relæ. En form for tænd-og-sluk funktion. Men hvis det forholder sig sådan, burde dette mønster også vise sig, når man foretager rygmarvsmålinger af gangbevægelser, som vi gjorde i dyreforsøgene. Men det mønster, det viste sig bare ikke”, siger Rune W. Berg:
”Hertil kommer, at mennesket og andre hvirveldyr jo også kan bruge deres ben til at udføre en lang række andre bevægelser end gang – også bevægelser, som ikke nødvendigvis kan beskrives som skiftevise eller alternerende, fx at sparke eller hinke. Og hvordan kan man så forstå ’kommandocentralen’ bag den type bevægelser?”
KU-forskerne giver ikke noget bud på et egentligt svar. Men de har en teori, som foreslår, at rygmarvens nervecellenetværk kan ses som selve ’kommandocentralen’ i forhold til gang hos hvirveldyr. Det giver mening i relation til den rotationsformede aktivitet i netværkene, som forskerholdet observerede i de dyreforsøg, der ligger bag deres artikel i Nature – og understøttes samtidig af et andet forhold, siger Rune W. Berg:
”Da vi analyserede resultaterne fra forsøgene, kunne vi nemlig også se tegn, som indikerer, at de enkelte nerveceller i netværkene indgår i en form for kommunikationssystem, der kan beskrives som dynamisk. Cellerne ser ud til på et komplekst niveau både at kunne udveksle informationer og til at kunne give positiv og negativ feedback – og dermed også at kunne både fremme og hæmme aktivitet”.
Tilstedeværelsen af et sådant feedback-baseret kommunikationssystem ”skal nu undersøges og forhåbentlig underbygges” via yderligere test, som de fire KU-forskere vil designe og gennemføre, fortæller Rune W. Berg:
”Teorien om, at rygmarvens nervecellenetværk kan ses som selve ’kommandocentralen’ for gang hos hvirveldyr, hænger meget fint sammen med eksistensen af et sådant feedback-baseret kommunikationssystem. Og er der et sådant komplekst kommunikationssystem, vil det være logisk at antage, at rygmarvens cellenetværk er i stand til at håndtere mange forskellige opgaver. Både når det handler om at styre gang, men potentielt også i relation til at styre og muliggøre en lang række andre bevægelser, som hvirveldyr kan foretage”, siger Rune W. Berg.
Behandlingsperspektiver
De fire KU-forskere har nyt udstyr på vej. Det er en særlig type elektroder, der her og nu, i real-time, kan måle aktiviteten på kryds og tværs mellem cirka 1000 nerveceller i et rygmarvsnetværk. ”Og det vil virkelig give mange informationer”, siger Rune W. Berg.
Det kunne umiddelbart være fristende at montere en sådan elektrode i et menneskes rygmarv, men det er af en række årsager ikke muligt. Derfor anvender forskerne andre hvirveldyr, heriblandt skildpadder og rotter.
Videnskabeligt set er det absolut gangbart i forhold til at udforske basale forhold bag bevægelse hos mennesker - og i den næste række forsøg kommer netop rotter til at spille en hovedrolle, fortæller Rune W. Berg:
”Rotter er meget velegnede til disse forsøg. Vi vil teste, hvordan dyrenes nerveceller aktiveres – hvordan de ’fyrer’ - både i forbindelse med helt naturlig adfærd, og når rotterne via vores forsøgsopstillinger bliver udfordret til at udføre mere specielle bevægelser. Rotter er velegnede, fordi de kan udføre mange af de bevægelser, som mennesket også mestrer”.
Meningen med disse forsøg er at søge at skaffe ny grundviden om hvordan nerveceller i rygmarven i samspil med hjernen styrer bevægelsesaktivitet – og fx undersøge, om der kan være sammenhæng mellem nervecellers placering i rygmarven, og deres funktioner, siger Rune W. Berg:
”Ny viden om hvordan bevægelser styres, og hvad der gør bevægelser mulige, kan fx få stor betydning for bedre at kunne forstå - og måske også bedre at kunne behandle - en række sygdomme, som hænger sammen med rygmarvsskader. Det kan være skader på rygmarven efter en blodprop, men det kan også være skader forårsaget af neurodegenerative lidelser som ALS”.
Foruden Rune W. Berg består KU-forskergruppen bag artiklen i Nature af: Adjunkt Henrik Lindén; Postdoc og Lundbeckfonden Fellow 2022 Peter C. Petersen; Ph.d. Mikkel Vestergaard