Lager 6b, det djupaste lagret i hjärnbarken hos däggdjur, har på senare tid varit föremål för många neurovetenskapliga studier. Trots de intressanta resultat som samlats in under de senaste åren är rollen för detta djupa kortikala lager fortfarande dåligt förstådd.
Forskare vid Humboldt-universitetet i Berlin, Oxford University och Charité University of Medicine Berlin genomförde nyligen en studie som undersökte hur nervceller i lager 6b påverkar den kortikala aktiviteten i mushjärnan. Resultaten, som publicerades i Neuron, tyder på att dessa nervceller styr hjärntillståndet hos möss genom att rikta in sig på det thalamokortikala systemet och de långa bihang till specifika nervceller i cortex, som kallas apikala dendriter.
”Vi blev inspirerade att utforska lager 6b baserat på två huvudsakliga delar av information från tidigare forskning som utförts vid andra laboratorier”, säger Timothy Adam Zolnik, försteförfattare till artikeln, till Medical Xpress. ”Den första upptäckten var att neuroner i lager 6b är unika bland kortikala neuroner eftersom de svarar på den kraftfulla sömn-vakenhetsreglerande neuropeptiden orexin, en molekyl som när den saknas i hjärnan orsakar den försvagande sömn-vakenhetsstörningen narkolepsi.”
Skiftet mellan sömn och vakenhet är den mest djupgående förändringen i det dagliga medvetandet som människor och andra däggdjur upplever. Det är nu känt att sömn är centralt för människors hälsa, eftersom dysreglerad sömn kan störa den mentala funktionen och också har kopplats till olika mentala och medicinska tillstånd.
Tidigare neurovetenskapliga studier tyder på att lager 6b i hjärnbarken hos däggdjur och vakenhet är kopplade till varandra, men de neurala processer som ligger till grund för denna potentiella koppling hade ännu inte klargjorts. Det primära syftet med Zolniks och hans medarbetares senaste arbete var att utforska sambandet mellan lager 6b och vakenhet.
”Vi visste också från tidigare forskning att lager 6b projicerar axoner till, och därför kommunicerar med, den allra översta delen av cortex (dvs. lager 1)”, säger Zolnik. ”Anledningen till att detta är intressant är att lager 1 är fullt av apikala dendriter (långa grenar av neuroner), som experiment utförda i vårt laboratorium och andra tyder på spelar en nyckelroll i perception. Trots dessa viktiga kopplingar har lager 6b, som ligger allra längst ner i hjärnbarken, till stor del förbisetts inom neurovetenskapen.”
Före den senaste studien hade neurovetenskapsmännen samlat in mycket lite information om hur neuronerna i lager 6b påverkar resten av hjärnan. Zolnik och hans kollegor bestämde sig därför för att utforska de vägar genom vilka lager 6b-neuroner påverkar den kortikala aktiviteten, avslöja de neurala nätverk som de är kopplade till och hur deras synapser påverkar dessa nätverk.
”Lager 6b är ett tunt lager i hjärnbarken och innehåller relativt få neuroner, men det är ändå det enda lager som stimuleras av den kraftfulla vakenhetsbefrämjande neuropeptiden orexin”, förklarar Zolnik. ”För att avgöra om dessa få neuroner i lager 6b kan förändra den kortikala aktiviteten avsevärt uttryckte vi kanalrhodopsin, en ljusaktiverbar jonkanal, i lager 6b-neuroner. Med en elektrod placerad i hjärnbarken registrerade vi kortikal aktivitet när vi exciterade lager 6b-neuroner med ljus.”
Forskarna fann att aktivering av lager 6b-neuroner i hög grad påverkade det kortikala tillståndet hos sovande möss. Mer specifikt fann de att aktiveringen ledde till en övergång från långsamma, sömnliknande svängningar till mycket snabba svängningar som vanligtvis förknippas med förhöjd uppmärksamhet, tillsammans med en markant ökning av neuronal spiking.
”Eftersom vi fann att lager 6b har en stark effekt på det kortikala tillståndet, blev vi inspirerade att undersöka hur lager 6b-neuroner påverkar kretsar på synaptisk nivå”, säger Zolnik. ”För att göra detta var vi först tvungna att veta vilka neuroner som får input från lager 6b. För att avgöra vilka neuroner som lager 6b talar direkt med (dvs. är synaptiskt kopplade till) utvecklade jag en helt optisk metod med hög genomströmning som används i levande hjärnskivor, kallad monoCaTChR.”
En inspelning av kortikala oscillationer (som ett EEG, men inifrån cortex) som påverkas av ljus som aktiverar lager 6b. Bilden är anpassad och förenklad från figur 1D i Zolnik et al, 2023. När ljuset är tänt är neuronerna i lager 6b aktiva; när ljuset är släckt är neuronerna i lager 6b inte aktiverade. Kredit: Neuron (2023). DOI: 10.1016/j.neuron.2023.11.021
Den experimentella teknik som Zolnik utvecklade gjorde det möjligt för teamet att avslöja kopplingar mellan lager 6b-neuroner och andra kortikala neuroner genom att aktivera lager 6b-neuroner med hjälp av ljus (dvs. via den ljusstyrda jonkanalen rhodopsin). Detta förfarande avslöjade direkta förbindelser mellan lager 6b-neuroner och nedströmsneuroner, som uttryckte en molekylär sensor som permanent ändrar färg (dvs. från grönt till rött) i närvaro av synaptiska förbindelser, medan neuroner utan förbindelser förblev gröna.
”Vi använde också en annan metod i hjärnskivor för att undersöka de fysiologiska egenskaperna hos synapser i lager 6b”, säger Zolnik. ”Med den här metoden aktiverade vi synapser i lager 6b med ljus (via kanalrhodopsin), samtidigt som vi registrerade den elektriska påverkan från dessa synapser i enskilda nervceller.”
Denna ytterligare experimentella metod gjorde det möjligt för forskarna att exakt mäta spänningsförändringar som uppstår från aktiverade synapser, vilket kastar ljus över hur dessa synapser beter sig i nervkretsar. Denna information är central för att förstå de processer genom vilka lager 6b påverkar den kortikala aktiviteten.
”Det vi fann särskilt chockerande är det kraftfulla inflytande som dessa få neuroner i lager 6b har på kortikal aktivitet, särskilt med tanke på att detta lager i stort sett har förbisetts inom neurovetenskaplig forskning”, säger Zolnik. ”Vi fann att lager 6b har ett kraftfullt inflytande på den kortikala aktiviteten genom att direkt ansluta till och stödja aktiviteten i det högre thalamokortikala systemet, ett viktigt system i hjärnan som är förknippat med vakenhet, sömn, kognition och perception.”
Det högre thalamokortikala systemet är en av de viktigaste nervkretsarna i hjärnan, eftersom dess axoner kommunicerar med nervceller i hela cortex och även i djupare hjärnregioner. Resultaten från forskargruppen tyder på att lager 6b, trots att det innehåller relativt få neuroner, har en djupgående inverkan på den kortikala aktiviteten, till stor del på grund av dess kopplingar till det thalamokortikala systemet.
”Med tanke på dess kraftfulla inflytande på det högre thalamokortikala systemet och dess brist på integration i nuvarande teorier om hjärnans funktion (och dysfunktion), tror vi att lager 6b kan vara en saknad länk i vår förståelse av vissa eller till och med många neurologiska och psykiatriska störningar”, säger Zolnik.
”Vår centrala hypotes är att nervcellerna i lager 6b spelar en nyckelroll för uppmärksamhet, en kognitiv funktion som är störd vid många hjärnsjukdomar. I narkolepsi, till exempel, spekulerar vi i att utan orexin som hjälper till att hålla lager 6b aktivt, blir thalamokortikal aktivitet instabil och leder till plötslig förlust av uppmärksamhet och vakenhet.”
Den nya studien av Zolnik och hans medarbetare kan snart bana väg för nya upptäckter om vilken roll lager 6b har vid olika psykiatriska och neurologiska sjukdomar. I sina kommande studier planerar forskarna att fortsätta undersöka detta djupa kortikala lager, i hopp om att få reda på mer om dess roll i hälsa och sjukdom.
”Vissa mycket stora mysterier kring lager 6b är fortfarande olösta, eftersom vi bara har börjat utforska denna del av hjärnbarken”, tillade Zolnik. ”Även om bevisen tydligt pekar mot en roll för lager 6b i kognition, är det fortfarande okänt exakt vilken roll lager 6b spelar i vår vardagliga erfarenhet och hur dess inflytande (eller brist på inflytande) kan passa in i symptomatologin för neuropsykiatriska sjukdomar.
”Det speciella förhållandet mellan lager 6b och orexin tyder på att neuroner i lager 6b kan spela en nyckelroll i symtomatologin vid narkolepsi. Vi tror också att neuroner i lager 6b, särskilt via deras input till apikala dendriter, kan spela en roll för att forma vår förståelse av vad vi uppfattar.”
I sitt framtida arbete planerar forskarna att undersöka möjligheten att använda farmakologiska verktyg som modulerar aktiviteten hos lager 6b-neuroner för att påverka vakenhet, uppmärksamhet och sömn. Dessa farmakologiska interventioner kan visa sig lovande för behandling av olika sjukdomar, inklusive narkolepsi, hypersomni, sömnlöshet, ADHD, autism och schizofreni.
Ytterligare information: Timothy Adam Zolnik et al, Layer 6b controls brain state via apical dendrites and the higher-order thalamocortical system, Neuron (2023). DOI: 10.1016/j.neuron.2023.11.021
