En rejse gennem hjernens travle gader: Ny metode skal gøre os klogere på hjernens energiforbrug

Forestil dig, at din hjerne er som en storby, der aldrig sover. Ligesom en metropol med en konstant summen af aktivitet kræver hjernen en præcis strøm af energi for at holde alle funktioner kørende.

Energi og ressourcer transporteres gennem hjernens ‘gader og veje’ – blodårerne – til de områder, der har størst behov, ligesom i en by, hvor transport og energiforsyning skal tilpasses de mest travle distrikter. En energifordeling, der hele tiden tilpasses hjernens krav, er afgørende for, at vi kan tænke, bevæge os og reagere på omverdenen.

Hjernen udgør kun to procent af kroppens vægt, men bruger næsten en fjerdedel af kroppens samlede energi. Denne store energiomsætning – hjernens stofskifte – drives især af glukose, som omdannes til energi blandt andet ved hjælp af molekyler som pyruvat og laktat.

Energiflowet sikrer, at alle hjernens områder, fra hukommelsescentre til motoriske områder, får brændstof nok til deres opgaver. Men hvad sker der, når energistrømmen ikke længere fordeles optimalt?

For at undersøge dette spørgsmål er jeg i gang med at udvikle en ny hjernescanningsmetode, der gør det muligt at visualisere hjernens forskellige energistrømme med høj tidsopløsning. Altså måling af ændringer i hjerneaktivitet fra sekund til sekund.

I denne artikel forklarer jeg, hvordan den nye metode kan gøre os klogere på hjernen og hjælpe med at behandle neurologiske sygdomme.

Når energistrømmen bliver forstyrret

Som enhver storby er hjernen sårbar over for fejl i energifordelingen. Hvis bestemte områder af hjernen ikke modtager energi effektivt, kan det forstyrre deres funktioner, hvilket man ser ved sygdomme som Alzheimers og Parkinsons.

I bymetaforen kunne Alzheimers svare til en gradvis nedlukning af bestemte bydele, hvor der udføres særligt energikrævende opgaver som hukommelse og orientering.

Parkinsons kan minde om et problem i byens transportsystem, hvor energiforsyningen svigter i de områder, der kontrollerer bevægelse og koordinering. Dette gør, at ‘trafikken’ i hjernen bliver langsommere, hvilket resulterer i rystelser og stivhed i kroppen.

Disse to sygdomme er blot eksempler; mange neurologiske tilstande påvirker hjernens stofskifte og energifordeling uhensigtsmæssigt og fører til forskellige funktionsproblemer.

Kort over hjernens stofskifte

For at kunne følge hjernens energifordeling, mens den udfører bestemte opgaver, udvikler jeg en ny scanningsteknik kaldet hyperpolariseret funktionel magnetisk resonans spektroskopi (HP–fMRS). Metoden kombinerer teknologi fra to eksisterende MR-metoder: hyperpolarisering og funktionel MR (fMRI).

Ved at ‘hyperpolarisere’ molekyler som pyruvat og laktat kan vi spore deres bevægelser i hjernen, efterhånden som de fordeles og omdannes til energi. Hyperpolarisering gør molekylerne synlige, som hvis man satte en neonvest på energileverandørerne i byen.

Dette ’boost’ får pyruvat og laktat til at skinne klarere i vores ’MR-kamera' og gør det muligt at optage dynamiske billeder og visualisere, hvordan energi bevæger sig gennem hjernens netværk – som et live-kort over en storbys energiforsyning (se videoen af scanningsmetoden herunder)

Ligesom fMRI (som du kan læse mere om i denne videnskab-wp.wp.stage.combell.peytz.dk-artikel) er HP–fMRS en funktionel scanningsmetode, der kortlægger hjernens aktivitetsmønstre i forbindelse med bestemte opgaver og funktioner.

Hver bydel i vores ’hjerne-metropol’ har hver sin funktion – fra finansielle distrikter til shoppingkvarterer. For at forstå hvordan energiressourcer fordeles mellem områderne, kan vi skabe kontrollerede scenarier.

For eksempel kunne vi simulere et børsfald i det finansielle distrikt eller arrangere et stort udsalg i shoppingområdet. Under disse scenarier kan vi observere, hvordan ressourcer som strøm, trafik og personale omdirigeres for at imødekomme de unikt opståede behov.

På samme måde bruger jeg med scanningsteknikken HP–fMRS målrettede stimuli til at aktivere specifikke områder af hjernen og kortlægge energifordelingen knyttet til deres funktion. For eksempel kunne man ved undersøgelse af det visuelle cortex – hjernens center for synsindtryk – vise patienten forskellige billeder eller film under scanningen.

Hurtigere og skarpere billeder

Med nuværende MR-scanningsteknikker kan man måle både hjerneaktivitet og energifordeling, men ikke samtidigt.

Med fMRI registrerer man hjerneaktiviteten indirekte ved at måle øget blodgennemstrømning, men metoden er begrænset af en forsinkelse på flere sekunder mellem aktivering og blodtilførsel. MR-spektroskopi (MRS) kan vise hjernens energiforbrug, men kun som statiske billeder eller meget langsomme ændringer over tid, da signalet er svagt.

Med HP–fMRS kan vi derimod måle hjerneaktivitet mere direkte gennem ændringer i energiomsætningen – et både hurtigere og mere præcist mål. Takket være hyperpolarisering (neonvestene) kan vi spore energistrømmene næsten i realtid, mens de sker, og for første gang synliggøre hjernens stofskifte dynamisk og i relation til specifikke funktioner.

En fremtid med målrettet behandling

Med HP–fMRS tager vi et afgørende skridt mod bedre forståelse og behandling af neurologiske sygdomme.

Ved at synliggøre hjernens energiflow og undersøge hvordan energien fordeles under forskellige funktioner, kan vi afsløre, hvad der sker, når fordelingen svigter. Det giver os en unik indsigt i sygdomme som Alzheimers og Parkinsons – samt en lang række andre tilstande, hvor hjernens stofskifte er forstyrret.

Evnen til præcist at måle energistrømme gør det muligt at sammenligne sunde og syge hjerner. Disse sammenligninger kan afsløre mønstre, der potentielt kan danne grundlag for nye og mere effektive behandlingsmetoder.

HP–fMRS er stadig under udvikling.

Før metoden kan anvendes på patienter, skal den yderligere udvikles og testes på forsøgsdyr og raske forsøgspersoner. Selvom processen tager tid, er udsigterne lovende, da HP–fMRS er en sikker scanningsmetode uden bivirkninger. Kliniske studier på patienter kan derfor blive en mulighed inden for de næste 4-5 år.

I fremtiden kan HP–fMRS hjælpe os med at identificere hjernens specifikke energimønstre ved forskellige sygdomme og udvikle målrettede behandlinger, der styrker de hjerneområder, som lider af energimangel.

Uanset om det gælder hukommelse, motorik eller andre funktioner, bringer denne metode os tættere på en mere skræddersyet og effektiv tilgang til at diagnosticere og behandle neurologiske sygdomme.