PROVIDENCE, R.I. – Beta-rytmer, eller bølger af hjerneaktivitet med en frekvens på ca. 20 Hz, ledsager livsvigtig grundlæggende adfærd som opmærksomhed, følelse og bevægelse og er forbundet med visse lidelser som Parkinsons sygdom. Forskere har diskuteret, hvordan de spontane bølger opstår, og de har endnu ikke fastslået, om bølgerne blot er et biprodukt af aktivitet eller om de spiller en kausal rolle i hjernefunktioner. Nu har de i en ny artikel under ledelse af neurovidenskabsfolk fra Brown University en specifik ny mekanistisk forklaring på betabølger at overveje.

Den nye teori, der præsenteres i Proceedings of the National Academy of Sciences, er et produkt af flere beviser: eksterne hjernebølgeaflæsninger fra mennesker, sofistikerede computersimuleringer og detaljerede elektriske optagelser fra to modelorganismer fra pattedyr.

“Et første skridt til at forstå betas kausale rolle i adfærd eller patologi, og hvordan man kan manipulere den for at opnå optimal funktion, er at forstå, hvor den kommer fra på celle- og kredsløbsniveau”, siger den tilsvarende forfatter Stephanie Jones, forskningsassocieret professor i neurovidenskab ved Brown University. “Vores undersøgelse kombinerede flere teknikker for at løse dette spørgsmål og foreslog en ny mekanisme for spontan neokortikal beta. Denne opdagelse antyder flere mulige mekanismer, hvorigennem beta kan påvirke funktionen.”

Making waves

Teamet startede med at bruge eksterne magnetoencefalografiske (MEG) sensorer til at observere betabølger i den menneskelige somatosensoriske cortex, som behandler følesansen, og den inferior frontale cortex, som er forbundet med højere kognition.

De analyserede nøje betabølgerne og fandt, at de højst varede blot 150 millisekunder og havde en karakteristisk bølgeform med en stor, stejl dal i midten af bølgen.

Spørgsmålet derfra var, hvilken neural aktivitet i cortexen der kunne producere sådanne bølger. Holdet forsøgte at genskabe bølgerne ved hjælp af en computermodel af et kortikalt kredsløb, der bestod af en kortikal søjle i flere lag, som indeholdt flere celletyper på tværs af forskellige lag. Det er vigtigt, at modellen blev designet til at omfatte en celletype kaldet pyramidale neuroner, hvis aktivitet menes at dominere de menneskelige MEG-optagelser.

De fandt, at de nøje kunne genskabe formen af betabølgerne i modellen ved at levere to former for excitatorisk synaptisk stimulering til forskellige lag i de kortikale cellesøjler: en, der var svag og bred i varighed til de nederste lag og kontaktede pigede dendritter på de pyramidale neuroner tæt på cellekroppen; og en anden, der var stærkere og kortere og varede 50 millisekunder (dvs, en betaperiode), til de øvre lag, som kontaktede dendriterne længere væk fra cellekroppen. Den stærke distale drivkraft skabte den dal i bølgeformen, der bestemte betafrekvensen.

I mellemtiden forsøgte de at modellere andre hypoteser om, hvordan betabølger opstår, men fandt dem mislykkede.

Med en model for, hvad de skulle kigge efter, testede holdet den derefter ved at lede efter et reelt biologisk korrelat af den i to dyremodeller. Holdet analyserede målinger i cortexen hos mus og rhesusmakaker og fandt direkte bekræftelse på, at denne form for stimulering og respons fandt sted på tværs af de kortikale lag i dyremodellerne.

“Den ultimative test af modellens forudsigelser er at registrere de elektriske signaler inde i hjernen,” sagde Jones. “Disse optagelser understøttede vores modelforudsigelser.”

Beta i hjernen

Veller computermodellerne eller målingerne sporede kilden til de excitatoriske synaptiske stimulationer, der driver de pyramidale neuroner til at producere betabølgerne, men Jones og hendes medforfattere postulerer, at de sandsynligvis kommer fra thalamus, dybere inde i hjernen. Projektioner fra thalamus befinder sig tilfældigvis på præcis de rigtige steder, der er nødvendige for at levere signaler til de rigtige positioner på dendriterne af pyramidale neuroner i cortex. Thalamus er også kendt for at sende udbrud af aktivitet, der varer 50 millisekunder, som forudsagt af deres teori.

Med en ny biofysisk teori om, hvordan bølgerne opstår, håber forskerne, at feltet nu kan undersøge, om beta-rytmer påvirker eller blot afspejler adfærd og sygdom. Jones’ hold i samarbejde med professor i neurovidenskab Christopher Moore på Brown tester nu forudsigelser fra teorien om, at beta kan mindske sensoriske eller motoriske informationsbehandlingsfunktioner i hjernen. Nye hypoteser er, at de input, der skaber beta, også kan stimulere hæmmende neuroner i de øverste lag af cortex, eller at de kan mætte pyramidale neuroners aktivitet og derved reducere deres evne til at behandle information, eller at de thalamiske udbrud, der giver anledning til beta, optager thalamus i et sådant omfang, at den ikke videregiver information til cortex.

Det kunne føre til nye behandlinger baseret på manipulation af beta, sagde Jones.

“Et aktivt og voksende felt inden for neurovidenskabelig forskning forsøger at manipulere hjernens rytmer for at opnå optimal funktion med stimuleringsteknikker,” sagde hun. “Vi håber, at vores nye fund om den neurale oprindelse af beta vil hjælpe med at vejlede forskning til at manipulere beta og muligvis andre rytmer med henblik på forbedret funktion i sensomotoriske patologier.”

Undersøgelsens hovedforfatter er gradueret Brown-studerende Maxwell Sherman. Andre forfattere er Shane Lee, Robert Law, Saskia Haegens, Catherine Thorn, Matti Hamalainen og Moore.

Den nationale videnskabsfond (bevilling: CRCNS-1131850) og National Institutes of Health (bevillinger: MH106174, MH060358, 5T32MH019118-23) finansierede forskningen.