I en värld där yttre och inre stimuli kan få hela vårt kroppssystem ur balans, hur förhindrar vår hjärna att den blir överstimulerad?
Svaret ligger i hjärnans förmåga att upprätthålla balansen mellan excitation (E) och inhibition (I) i nervsystemet, det s.k. E/I-förhållandet. Genom att reglera E/I-förhållandet förhindrar hjärnan överstimulering och understimulering.
E/I-kvoten hos barn minskar i takt med en sund utveckling. Barn med ett lägre E/I-förhållande presterade bättre än sina jämnåriga i kognitiva tester som minne och intelligens, enligt studier av forskare från Centre for Sleep and Cognition vid Yong Loo Lin School of Medicine (NUS Medicine).
I syfte att skapa meningsfulla kopplingar mellan E/I-förhållandet och hjärnans mognad har forskargruppen, som leds av Zhang Shaoshi, fjärde årets Ph.D. Zhang Shaoshi, Associate Professor Thomas Yeo från Centre for Sleep and Cognition vid NUS Medicine, Assistant Professor Bart Larsen från University of Minnesota och Associate Professor Theodore Satterthwaite från University of Pennsylvania, undersökt hur E/I-förhållandet förändras hos ungdomar genom att studera MR-skanningar av hjärnan hos 885 barn, ungdomar och unga vuxna från USA och 154 barn från Singapore.
E/I-förhållandet är en aspekt som ständigt förändras och utvecklas under barndomen och tonåren. Den singaporianska datakohorten hämtades från GUSTO, Singapores största och mest omfattande födelsekohortstudie som syftar till att hjälpa nästa generation att bli friskare.
Forskare har funnit att för mycket excitation eller för mycket hämning kan vara skadligt och leda till en högre risk för att utveckla hjärnsjukdomar som autism, Alzheimers sjukdom och schizofreni.
I mindre allvarliga situationer kan en person med för mycket excitation tänka för mycket i sociala situationer, vilket kan leda till ångest. Ett vanligt läkemedel för att minska ångestsymtom är Xanax, som ökar den neurala hämningen och därmed minskar den neurala excitationen. I mer allvarliga fall kan överexcitation orsaka epileptiska anfall.
I den motsatta änden av spektrumet innebär för mycket hämning en avsaknad av hjärnaktivitet, vilket effektivt försätter personen i ett vegetativt tillstånd. Därför behövs hämning för att balansera excitation. Sammantaget är ett balanserat E/I-förhållande viktigt för en välfungerande hjärna.
Trots E/I:s betydelse för hjärnans hälsa är det svårt att mäta dess förhållande i den mänskliga hjärnan utan att använda invasiva tekniker. Därför utvecklade teamet en teknik som kombinerar artificiell intelligens och biofysikalisk modellering för att härleda E/I-kvoten från icke-invasiva, icke-radioaktiva MR-undersökningar. Teamet visade att deras uppskattade E/I-förhållanden var giltiga genom ett experiment där deltagarna intog ångestdämpande medicin (Xanax) eller placebo.
Forskargruppens hypotes är att när Xanax intas kommer hämningen att öka, så att det totala E/I-förhållandet minskar. För att testa denna hypotes skannade forskargruppen friska individer vid två separata tillfällen. En deltagare får Xanax före en MR-session och placebo under en annan MR-session. För vissa deltagare kan Xanax administreras under den första sessionen, medan Xanax för andra kan administreras under den andra sessionen.
Alla parter som var involverade i detta experiment var inte medvetna om huruvida en MR-session involverade placebo eller ångestdämpande läkemedel. Teamet fann att de beräknade markörerna för E/I-förhållandet verkligen var lägre efter att deltagarna hade intagit Xanax, jämfört med placebo, och validerade därmed sin teknik.
Studieteamet fortsatte sedan med att använda magnetkameraundersökningar av hjärnan för att studera hjärnans utveckling hos ett stort urval av mer än 1000 barn, ungdomar och unga vuxna från Singapore och USA. De upptäckte att E/I-kvoten minskar med en sund utveckling.
För att sedan fastställa kopplingen mellan E/I-förhållandet och kognitiv funktion delade teamet in deltagarna, som var mellan 7 och 23 år gamla, i hög- och lågpresterande grupper baserat på deras resultat på vissa kognitiva tester. De fann att de högpresterande grupperna hade lägre E/I-kvoter än sina jämnåriga kamrater, vilket tyder på att de kognitiva förmågorna förbättras i takt med att E/I-kvoten mognar under utvecklingen.
Utöver sin studie av neuroutveckling är teamet angeläget om att tillämpa sin metod för att få mekanistiska insikter i olika hjärnstörningar genom att studera hur E/I-kvoten skiljer sig mellan friska deltagare och patienter som lider av psykiska störningar. Teamet har också som mål att studera hur E/I-förhållandet förändras när människor åldras, för att få insikter i neurodegenerativa sjukdomar, som Alzheimers sjukdom.
Assoc Prof Yeo, som också är från NUS College of Design and Engineering och huvudforskare för denna studie, tillägger: ”Våra resultat ökar vår förståelse för hjärnans utveckling och belyser potentiella vägar för att förstå uppkomsten av psykopatologi hos ungdomar.
”Förhoppningsvis kommer dessa fynd att leda till att vi kan ta reda på vilka hjärnkretsar som lätt blir överstimulerade eller överhämmade, eller peka ut vissa onormala hjärnregioner som är specifika för en enskild patient. Detta skulle kunna kasta mer ljus över hur medicinering eller hjärnstimulering kan anpassas efter individer, vilket skulle forma behandlingen av hjärnstörningar på lång sikt.”
Denna studie publiceras i Proceedings of the National Academy of Sciences med titeln ”In vivo whole-cortex marker of excitation-inhibition ratio indexes cortical maturation and cognitive ability in youth.”
Ytterligare information: Shaoshi Zhang et al, In vivo whole-cortex marker of excitation-inhibition ratio indexes cortical maturation and cognitive ability in youth, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI: 10.1073/pnas.2318641121
