PROVIDENCE, R.I. – Betarytmer, eller vågor av hjärnaktivitet med en frekvens på cirka 20 Hz, åtföljer viktiga grundläggande beteenden som uppmärksamhet, förnimmelser och rörelse och är förknippade med vissa sjukdomar som Parkinsons sjukdom. Forskarna har diskuterat hur de spontana vågorna uppstår, och de har ännu inte fastställt om vågorna bara är en biprodukt av aktiviteten eller om de spelar en kausal roll i hjärnans funktioner. I en ny artikel som leds av neurovetenskapsmän från Brown University har de nu en ny mekanistisk förklaring till betavågor att ta ställning till.

Den nya teorin, som presenteras i Proceedings of the National Academy of Sciences, är resultatet av flera olika bevis: externa avläsningar av hjärnvågor från mänskliga försökspersoner, sofistikerade beräkningssimuleringar och detaljerade elektriska inspelningar från två däggdjursmodellorganismer.

”Ett första steg för att förstå betas kausala roll i beteende eller patologi, och hur man kan manipulera den för optimal funktion, är att förstå varifrån den kommer på cell- och kretsnivå”, säger motsvarande författare Stephanie Jones, forskarassistent och professor i neurovetenskap vid Brown University. ”Vår studie kombinerade flera tekniker för att besvara denna fråga och föreslog en ny mekanism för spontan neokortikal beta. Denna upptäckt föreslår flera möjliga mekanismer genom vilka beta kan påverka funktionen.”

Making waves

Teamet började med att använda externa magnetoencefalografiska (MEG) sensorer för att observera betavågor i den mänskliga somatosensoriska cortexen, som bearbetar känselkänslan, och i den nedre frontala cortexen, som är förknippad med högre kognition.

De analyserade betavågorna noggrant och fann att de varade högst bara 150 millisekunder och hade en karakteristisk vågform med en stor, brant dal i mitten av vågen.

Frågan därifrån var vilken neuronal aktivitet i hjärnbarken som kunde producera sådana vågor. Teamet försökte återskapa vågorna med hjälp av en datormodell av ett kortikalt kretslopp, bestående av en flerskiktad kortikalkolonn som innehöll flera celltyper i olika lager. Viktigt är att modellen utformades för att inkludera en celltyp som kallas pyramidala neuroner, vars aktivitet tros dominera de mänskliga MEG-registreringarna.

De fann att de kunde nära replikera formen på betavågorna i modellen genom att leverera två typer av excitatorisk synaptisk stimulering till olika lager i de kortikala cellkolumnerna: en som var svag och bred i varaktighet till de lägre lagren och som kontaktade taggiga dendriter på de pyramidala neuronerna nära cellkroppen; och en annan som var starkare och kortare, med en varaktighet på 50 millisekunder (dvs, en betaperiod), till de övre skikten, med kontakt med dendriterna längre bort från cellkroppen. Den starka distala drivningen skapade den dal i vågformen som bestämde betafrekvensen.

Under tiden försökte de modellera andra hypoteser om hur betavågor uppstår, men fann att dessa inte var framgångsrika.

Med en modell för vad man ska leta efter testade teamet den sedan genom att leta efter ett verkligt biologiskt korrelat av den i två djurmodeller. Teamet analyserade mätningar i hjärnbarken hos möss och rhesusmakaker och fann en direkt bekräftelse på att den här typen av stimulering och respons uppstod över de kortikala lagren i djurmodellerna.

”Det ultimata testet av modellens förutsägelser är att registrera de elektriska signalerna inne i hjärnan”, säger Jones. ”Dessa inspelningar stödde våra modellförutsägelser.”

Beta i hjärnan

Varken datormodellerna eller mätningarna spårade källan till de excitatoriska synaptiska stimuleringar som driver de pyramidala neuronerna till att producera betavågorna, men Jones och hennes medförfattare antar att de troligen kommer från thalamus, djupare i hjärnan. Projektioner från thalamus råkar befinna sig på exakt de rätta ställen som behövs för att leverera signaler till de rätta positionerna på dendriterna hos pyramidala neuroner i hjärnbarken. Thalamus är också känd för att sända ut aktivitetsutbrott som varar 50 millisekunder, vilket förutsägs av deras teori.

Med en ny biofysisk teori om hur vågorna uppstår hoppas forskarna att fältet nu kan undersöka om betarytmer påverkar eller bara återspeglar beteende och sjukdom. Jones team i samarbete med professor i neurovetenskap Christopher Moore vid Brown testar nu förutsägelser från teorin om att beta kan minska sensoriska eller motoriska informationsbehandlingsfunktioner i hjärnan. Nya hypoteser är att de ingångar som skapar beta också kan stimulera hämmande neuroner i de översta lagren av hjärnbarken, eller att de kan mätta aktiviteten hos de pyramidala neuronerna och därmed minska deras förmåga att bearbeta information, eller att de thalamiska utbrott som ger upphov till beta ockuperar thalamus till den grad att den inte förmedlar information vidare till hjärnbarken.

För att ta reda på detta skulle det kunna leda till nya terapier baserade på manipulering av beta, sade Jones.

”Ett aktivt och växande fält inom neurovetenskaplig forskning försöker manipulera hjärnans rytmer för att uppnå optimal funktion med hjälp av stimuleringstekniker”, sade hon. ”Vi hoppas att vårt nya fynd om betas neurala ursprung kommer att hjälpa till att vägleda forskningen för att manipulera beta, och möjligen andra rytmer, för förbättrad funktion vid sensomotoriska patologier.”

Studiernas huvudförfattare är den utexaminerade Brown-studenten Maxwell Sherman. Övriga författare är Shane Lee, Robert Law, Saskia Haegens, Catherine Thorn, Matti Hamalainen och Moore.

National Science Foundation (bidrag: CRCNS-1131850) och National Institutes of Health (bidrag: MH106174, MH060358, 5T32MH019118-23) finansierade forskningen.