Engrammit muistojen yksikköinä

Mitä engrammit ovat?

Engrammit ovat aivoissa sijaitsevia hermosoluista koostuvia rakenteita, jotka tallentavat yksittäisten muistojen tietoja. Engrammit ovat muistojen offline-tallennusmuoto, mikä tarkoittaa, että ne ovat olemassa aivoissamme riippumatta siitä, muistammeko engrammien koodaamia muistoja kullakin hetkellä vai emme. Engrammien aktivoituminen johtaa niiden koodaamien muistojen mieleen palautumiseen. Jos siis jokin muisto, kuten muisto eilisestä aamupalastasi, ilmestyy yhtäkkiä mieleesi, tiedät, että aivoissasi aktivoitui kyseistä muistoa koodaava engrammi.

Yksittäiset engrammit koostuvat aivojen eri osiin jakautuneista hermosolujoukoista, joiden välisiin yhteyksiin muistojen tieto tallentuu. Nykyään ajatellaan, että aivojen eri alueilla sijaitsevat hermosolujoukot saattavat tallentaa muistojen eri komponentteja. Jos palataan aiemmin mainittuun aamupalaesimerkkiin, voisi tämä käytännössä tarkoittaa, että eilisen aamupalan näkötieto tallentuisi näköaivokuorella sijaitsevaan hermosolujoukkoon. Kahvin tuoksun tieto saattaisi taas tallentua hajuaistin tietoa käsittelevälle aivoalueille. Yhdessä nämä eri aivoalueille jakautuneet hermosolujoukot, eli engrammi, muodostaisivat muiston kokonaisuuden, jonka koemme muistoja muistellessamme.

Kuva 1. Engrammit koostuvat eri aivoalueilla sijaitsevista hermosolujoukoista. Nykyään ajatellaan, että eri aivoalueilla sijaitsevat hermosolujoukot saattavat tallentaa muistojen eri komponentteja, kuten näköaistin ja hajuaistin tietoja. (Kuva: Purabi Deshpande, Research Matters)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

On kuitenkin muistettava, että muistojen ja niiden komponenttien tallentaminen ja mieleen palauttaminen ei ole kirjastomaista. Kirjastomaisessa muistamisessa laittaisimme kaikki tiedot yhdestä muistosta kirjaan, veisimme tämän kirjan kirjastoon ja menisimme muistelun aikana kirjastoon hakemaan täsmälleen samaa kirjaa. Todellisuudessa muisti on paljon dynaamisempi, koska muistamisen aikana aivojen voidaan ajatella uudelleenrakentavan muisteltavia muistoja. Tähän prosessiin voivat vaikuttaa monet tekijät, kuten senhetkinen tunnetila tai aiemmat kokemukset. Näiden tekijöiden vuoksi muistojen luomisen tai niiden mieleen palauttamisen aikana voi tapahtua virheitä. Tällöin sen sijaan, että hakisit kirjastosta alkuperäistä kirjaa, saatat tietämättäsi hakea kirjan, jossa puolet sivuista ovat yhdestä kirjasta (eli engrammista) ja puolet toisesta.

Mitä engrammit ovat käytännössä? Kuten aiemmin mainittiin, engrammit ovat niitä hermorakenteita, jotka sisältävät yksittäisten muistojen tiedot. Engrammien aktivaatio saa aikaan niiden sisältämän muistitiedon palautumisen mieleemme, eli engrammin koodaaman muiston muistamisen. Jotta jokin hermorakenne voitaisiin määritellä engrammiksi, on kyseisen rakenteen täytettävä ainakin kolme kriteeriä.

  • Ensimmäinen kriteeri on, että engrammin täytyy koostua sellaisista hermosoluista, jotka olivat aktiivisia oppimistapahtuman aikana, ja jotka ovat aktiivisia muiston muistamisen aikana. Tällöin eilisen aamupalan muistoa koodaavan engrammin on koostuttava sellaisista soluista, jotka olivat aktiivisia itse aamupalan aikana, ja jotka aktivoituvat, kun yrität palauttaa eilisen aamiaisen mieleesi.
  • Toinen kriteeri on se, että engrammin muodostavien hermosolujen kohdennetun aktivaation pitäisi palauttaa engrammin koodaama muisto mieleen. Toisin sanoen, jos jollakin keinolla pystyisi valikoidusti aktivoimaan eilisen aamupalan muistoa koodaavan engrammin hermosolut, pitäisi kyseisten hermosolujen aktivaation aikaansaada kyseisen muiston muistaminen.
  • Kolmas kriteeri on edellisen kriteerin vastakohta. Tämän kriteerin mukaan engrammin muodostavien hermosolujen tappaminen, tai niiden toiminnan estämisen pitäisi johtaa siihen, ettei niiden koodaamaa muistoa kyetä palauttamaan mieleen. Tämä tarkoittaa, että mikäli eilistä aamupalaa koodaavan engrammin toiminta estettäisiin, pitäisi sen johtaa kyvyttömyyteen palauttaa kyseinen muisto mieleen. Muisto pitäisi siis unohtua engrammin toiminnan estämisen ajaksi.

Kaiken kaikkiaan engrammit ovat siis hermosoluista koostuvia yksiköitä, joiden ajatellaan tallentavan yksittäisten muistojen tietoja. Aktivoituessaan engrammit aktivoivat samoja hermosoluja, jotka olivat aktiivisia myös kyseisen muiston luomisen aikana. Engrammien voidaan siis ajatella mahdollistavan menneisyyden kokemusten osittaisen uudelleentoiston, jota me arkikielessä kutsumme muistojen muistamiseksi.

Miten engrammit muodostuvat oppimisen aikana?

Engrammin muodostumiseen liittyvää tapahtumaketjua ei vielä nykyään täysin ymmärretä. Tänä päivänä kuitenkin ajatellaan, että engrammin muodostuminen koostuu kolmesta eri vaiheesta.

Engrammien muodostuminen alkaa allokaatiovaiheella, jossa hermosolut kilpailevat keskenään engrammiin pääsystä. Engrammiin päätyvät hermosolut valikoituvat niiden aktiivisuuden perusteella. Mitä aktiivisempi hermosolu on, sitä suurempi todennäköisyys sillä on päätyä osaksi engrammia. Allokaatiovaihetta, voi kuvitella eräänlaisena tapahtumana, jossa monta eri ihmistä (eli hermosolua) alkavat samanaikaisesti puhumaan suuressa ihmisjoukossa. Tällöin ihmiset eivät yleensä kaikki ala huutamaan toistensa päälle jatkuvasti kasvavalla äänenvoimakkuudella, vaan mitä todennäköisemmin, se ihminen, joka aloitti puhumaan kaikista korkeimmalla äänenvoimakkuudella, päätyy jatkamaan. Engrammien muodostumisen allokaatiovaihetta voidaan ajatella samankaltaisena tilanteena. Siinä korkeimman aktiivisuuden omaavat hermosolut, eli ’’äänekkäimmät’’ hermosolut, hiljentävät niiden naapureitaan enemmän kuin niiden naapurit hiljentävät niitä, jolloin äänekkäimmät, eli aktiivisimmat, yksilöt valikoituvat.

Kun engrammiin päätyvät hermosolut ovat valikoituneet, alkaa niin sanottu koodausvaihe. Koodausvaiheessa muiston tiedot kirjataan aivoihin luomalla uusia yhteyksiä engrammin hermosolujen välille. Yhteyksiä voidaan luoda esimerkiksi luomalla täysin uusia synapseja tai aktivoimalla niin sanottuja hiljaisia synapseja. Uusien synapsien luominen muokkaa aivoissa sijaitsevien hermoverkkojen rakenteita, jolloin samat ärsykkeet johtavatkin tulevaisuudessa erilaisiin vasteisiin. Esimerkiksi ennen kuin opit ajamaan autoa, punaisen liikennevalon näkeminen tuskin laukaisi sinussa vaistomaista jarrupolkimen painamista. Harjoittelun myötä aivojesi rakenne kuitenkin muuttui niin, että pelkkä punaisen liikennevalon näkeminen riittää käynnistämään automaattisen reaktion jarrupolkimen painamiseen. Tällöin sama ärsyke johtaa oppimisen myötä erilaiseen vasteeseen.

Kun muiston raaka tieto on kirjattu aivoihin muodostamalla uusia yhteyksiä, alkaa konsolidointivaihe. Konsolidointivaiheen aikana hermosolujen välisten yhteyksien vahvuuksia muokataan. Synapsien vahvuuksia voidaan muokata muuttamalla esimerkiksi synapsien kokoa tai niiden sijaintia hermosolulla. Konsolidointivaihe on erittäin tärkeä muistojen löydettävyyden kannalta. Muistojen löydettävyydellä tarkoitetaan ympäristön kykyä palauttaa jokin muisto meidän mieleemme. Jos muiston löydettävyys on korkea, kuten jos joku on kokenut traumaattisen tapahtuman, riittää mahdollisesti jokin hyvin lievästi traumaattista tilannetta muistuttava ympäristö laukaisemaan muiston traumaattisesta tapahtumasta. Jos taas muiston löydettävyys on alhainen, täytyy ympäristön muistuttaa alkuperäistä ympäristöä hyvin paljon, jotta muisto alkuperäisestä ympäristöstä palautuisi mieleen.

Kuva 2. Engrammin muodostuminen alkaa allokaatiovaiheella, jossa aktiivisimmat hermosolut (punaiset hermosolut) valikoituvat suuren hermosolujoukon seasta. Tämän jälkeen alkaa koodausvaihe (Encoding), jossa engrammin informaatio kirjataan uusiin yhteyksiin engrammin muodostavien hermosolujen välille. Konsolidointivaiheessa (Consolidation), aiemmin luotuja yhteyksiä vahvistetaan muistojen löydettävyyden parantamiseksi. (Kuva: Tonegawa Susumu ym. (2015). Curr Opin Neurobiol, 35, 101-109.)

Eräs esimerkki, joka havainnollistaa hyvin eron engrammien tiedon ja kyseisen tiedon löydettävyyden välillä on eri kielillä puhuminen. Jos hallitset esimerkiksi englannin kielen hyvin, mutta et ole käyttänyt sitä pitkään aikaan, saattaa englanninkielentaitosi ruostua. Kun yrität käyttää englantia, saatat aluksi unohtaa sanoja, käyttää hieman vääriä lauseenrakenteita tai päätyä vahingossa käyttämään täysin eri kielten sanastoa. Jos kuitenkin pääset lämmittelemään englannin kielellä puhumista jatkamalla sen käyttöä esimerkiksi viikon ajan, huomaat, että edellä mainitut virheet vähenevät ja kielen käytöstä tulee taas hyvin intuitiivista.

Kyseinen tilanne havainnollistaa engrammien sisältämän tiedon ja sen löydettävyyden erot. Riippumatta siitä, käytätkö arkielämässäsi englannin kieltä tai et, aiemmin opitut englannin kielen taidot tallentuvat aivojesi rakenteeseen. Jos et kuitenkaan käytä kieltä aktiivisesti, kyseisen tiedon löydettävyys heikkenee, jolloin kyseistä tietoa on vaikeampi palauttaa mieleen. Tällöin kielenkäyttö on hieman tönkköä ja kieltä käytettäessä tulee helposti tehtyä virheitä. Kuitenkin kielen käytön yhteydessä kyseistä tietoa koodaavien engrammien löydettävyys paranee, jolloin tarvittavat englannin kielen sanat alkavat taas ilmestymään täysin automaattisesti mieleen, eikä niitä tarvitse alkaa muistelemaan kesken keskustelun.

Mielenkiintoisia tuloksia ja mahdollisia tulevaisuuden käyttötarkoituksia

Niin kuin aiemmin mainittiin, muistojen tieto ja yksilöiden kyky palauttaa kyseinen tieto mieleen, eli muistojen löydettävyys, ovat erillisiä asioita. Hiirillä tehdyissä tutkimuksissa on huomattu, että muistojen luomisen aikana on mahdollista estää muistojen löydettävyyden kannalta tärkeä konsolidointivaihe, ilman koodausvaiheen häiritsemistä. Jos konsolidointivaihe estetään, hiirille muodostuu retrogradinen muistinmenetys, jossa tieto kirjataan hiirien aivoihin käyttökelvottomassa muodossa. Tämä tieto on kuitenkin mahdollista muuttaa käyttökelpoiseksi, jos kyseistä tietoa tallentavan engrammin yhteyksiä vahvistetaan aktivoimalla engrammia keinotekoisesti.

Kyseisistä tutkimuksista saatua tietoa on mahdollista hyödyntää tulevaisuudessa tietyntyyppisten muistinmenetysten hoidossa. Jos muistojen tietoa tallentavien engrammien solut ovat vielä elossa, mutta engrammien heikko löydettävyys tekee engrammeista käyttökelvottomia, ei olisi täysin poissuljettua, että kyseisten engrammien löydettävyyttä voitaisiin kasvattaa, jolloin muistot muuttuisivat taas potilaille käyttökelpoisiksi.

Yksittäisten engrammien kohdennetulla keinotekoisella aktivoimisella tai sammuttamisella on myös potentiaalisia terapeuttisia käyttötarkoituksia. Hiiritutkimuksissa on onnistuttu sammuttamaan hiirien pelottavia muistoja koodaavia engrammeja, jolloin hiirten tietyissä tilanteissa kokema pelko saatiin katoamaan. Eräässä tutkimuksessa on taas onnistuttu hoitamaan hiirien stressiperäistä masennusta aktivoimalla masentuneissa hiirissä positiivisia muistoja koodaavia engrammeja.

Ei siis ole täysin poissuljettua, että engrammien tutkimuksista saatua tietoa voitaisiin tulevaisuudessa soveltaa monenlaisiin ongelmiin. On mahdollista, että positiivisia muistoja koodaavien engrammien aktivaatio voisi toimia myös ihmisissäkin ainakin tiettyjen masennustyyppien hoidoissa. Muita ongelmia, joissa engrammitutkimuksia voitaisiin soveltaa, on addiktioiden ja traumaperäisten stressihäiriöiden hoito. Jos alkoholiriippuvuudesta kärsivien potilaiden alkoholiin liittyvien muistojen engrammeja voitaisiin manipuloida ja näiden muistojen alkoholiin liittyvää mielihyväkomponenttia heikentää, on mahdollista, että potilaiden vetovoimaa alkoholiin voitaisiin vähentää. Traumaperäisen stressihäiriöiden tapauksessa taas voitaisiin heikentää muistojen emotionaalista komponenttia, jolloin ihmisten traumaattiset kokemukset eivät vaikuttaisi potilaiden elämään yhtä voimakkaasti. Tällöin engrammien manipulaatiolla olisi mahdollisuus tulevaisuudessa parantaa potilaiden elämänlaatua huomattavasti.

Engrammien tutkimuksesta saadulla tiedolla ja engrammien manipulaatiolla on siis monia mahdollisia käyttötarkoituksia tulevaisuudessa. On kuitenkin pidettävä mielessä, että kaikista engrammien manipulaation potentiaalisista tulevaisuuden käyttötarkoituksista huolimatta, engrammien manipulaatio ei tällaisenaan ole vielä valmista terapeuttista käyttöä varten. Suurin este engrammien manipulaatioon ihmisissä on menetelmien suuri invasiivisuus, toiselta nimeltään kajoavuus. Jotta jotakin engrammia kyettäisiin manipuloida, täytyy engrammi ensin leimata, mikä vaatii monien eri geenien siirtoa kohde-eläimen hermosoluihin. Hiirien tapauksessa tämä onnistuu tutkimuskäytössä, mutta ihmisillä tätä ei turvallisuussyistä vielä voida tehdä. Tämän lisäksi engrammien tutkimus on vielä varhaisvaiheessa, mikä tarkoittaa, että alalla on tehtävä vielä paljon tutkimusta, jotta tästä tiedosta voitaisiin muodostaa toimivia ja turvallisia hoitomenetelmiä. Alan varhaisesta vaiheesta huolimatta, engrammien tutkimus on kuitenkin lisännyt meidän ymmärrystämme muistin toiminnasta, sekä luonut pohjan monelle potentiaaliselle tulevaisuuden hoitomenetelmälle.

Luettavaa aiheesta kiinnostuneille:

  • Josselyn, S. A. and S. Tonegawa (2020). ”Memory engrams: Recalling the past and imagining the future.” Science367(6473).
  • Poo, M. M., et al. (2016). ”What is memory? The present state of the engram.” BMC Biol 14: 40.
  • Ryan, T. J., et al. (2021). ”Engram cell connectivity: an evolving substrate for information storage.” Curr Opin Neurobiol 67: 215-225.
  • Straube, B. (2012). ”An overview of the neuro-cognitive processes involved in the encoding, consolidation, and retrieval of true and false memories.” Behavioral and Brain Functions 8, 35.

 

Tietoa kirjoittajasta:

Alexei Kramm on neurotieteen maisteriopiskelija Helsingin yliopistossa. Alexei on kiinnostunut muistin ja oppimisen mekanismeista ja hän kirjoitti kandityönsä engrammeista. Sähköposti: alexei.kramm@helsinki.fi

 

 

Prionien salaperäinen maailma

Prionitautien kohdalla todellisuus kuulostaa miltei fiktiolta. Prionitauti voi syntyä sattumanvaraisesti kenessä tahansa ja milloin tahansa. Tauti leviää kannibalismin välityksellä, johtaa väistämättömästi aivojen terminaaliseen rappeutumiseen, eikä siihen ei ole olemassa parannuskeinoa. Mistä ihmeestä on kyse? Prioni (proteinaceous infectious particle) on rakenteellisesti poikkeava versio solun normaalisti tuottamasta PrP-proteiinista. PrP on solukalvolle ankkuroitu proteiini, joka ilmentyy erityisen voimakkaasti aivojen hermosoluissa. Sen normaali tehtävä liittyy solukalvoliikenteen säätelyyn, joskaan ei ole edelleenkään täysin selvää mitä selkärankaisissa eliöissä ilmentyvä PrP tarkalleen ottaen tekee. Kaikilla solun proteiineilla on mahdollisuus laskostua väärin, mutta PrP:n kohdalla väärinlaskostuminen voi olla kohtalokas. Normaalisti α-kierteinen PrP voi väärin laskostuessaan omaksua β-levymäisen  rakenteen PrPSC:ksi kutsutuksi prioniksi. Prionimudossa yksittäiset PrPSC proteiinit tarttuvat toisiinsa ja alkavat muodostaa järjestäytyneitä säikeitä. Näitä säiemäisiä proteiinikertymiä kutsutaan amyloidiksi, joka on tuttu laskostumismuutos monien proteiinien kertymäsairauksien taustalla. Kohdatessaan normaalisti laskostuneen α-kierteisen PrPproteiinin, prionimuodossa oleva PrPSC kykenee vielä huonosti tunnetun mekanismin kautta muuttamaan tämän ”terveen” proteiinin PrPSC prionimuotoon, joka on energeettisesti edullisempi laskos. Näin solutoksinen PrPSC laskostumismuutos alkaa monistumaan solun sisällä ja johtaa PrPSC proteiinista muodostuvien kertymien syntyyn.

 

 

 

 

 

 

 

Kuva 1. Prionin synty ja monistuminen. PrP proteiini voi spontaanisti laskostua virheellisesti PrPSC prionimuotoon. Tämä on ilmeisen harvinainen, mutta poikkeuksellisen ongelmallinen ilmiö, sillä prionimuotoinen PrPSCkykenee muuntamaan normaaleja PrPCproteiineja prionimuotoon. Tästä seuraa väärinlaskostuneen muodon monistuminen soluissa, joka johtaa säiemäisten amyloidikertymien muodostumiseen.

 

Väärin laskostuneet PrPSC partikkelit kykenevät siirtymään myös soluista toiseen, jolloin tauti alkaa leviämään kudoksessa. Prioni häiritsee erityisesti hermosolujen välisten synapsien toimintaa, mistä seuraa etenevä aivojen rappeutuminen. Prionitaudin oireet ilmenevät tyypillisesti häiriöinä käyttäytymisessä, kognitiivisissa toiminnoissa ja liikkeissä. Ihmisissä esiintyviin prionitauteihin kuuluvat Creutzfeldt–Jakobin tauti (CJD), kuru, Gerstmann–Sträussler–Scheinkerin tauti  ja fataali familiaalinen insomnia, jossa prionin vaurioittama talamus estää potilaita lopulta nukahtamasta. Kaikkia näitä tauteja yhdistää PrP-proteiinin väärinlaskostuminen PrPSC:ksi, mutta erilaiset laskostumisvariantit, taustatekijät, altistavat seikat ja joissain tapauksissa mutaatiot PrP proteiinia koodaavassa PRNP geenissä johtavat tosistaan jonkin verran poikkeaviin taudinkuviin. Kokeet ovat osoittaneet, että poistogeeniset hiiret, joilta puuttuu PrP proteiini ovat immuuneja prioni-infektioille. Tästä voidaan päätellä, että nimenomaan PrP proteiinin laskostumismuutos prioniksi (PrPC=> PrPSC) synnyttää solutoksisen ominaisuuden, joka johtaa keskushermoston rappeutumiseen. Solutoksisuuden mekanismia ei tunneta vielä hyvin. Paitsi että PrPSC prionimuunnos on leviämiskykyinen, sen muodostama amyloidirakenne on hyvin vakaa ja kestää proteiinirakenteeksi poikkeuksellisen hyvin mm. korkeita lämpötiloja ja pesuaineita, jotka riittäisivät tuhoamaan yleiset tartuntatauteja aiheuttavat mikrobit. Prionin tuhoamiseen suositellaan käytettäväksi 3 bar:n paineessa suoritettavaa 133-137oC lämpökäsittelyä vähintään 20 minuutin ajan. Juuri tämän kestävyytensä ansiosta prionilaskos voi säilyä pitkiä aikoja myös solujen ulkopuolella.

Kuva 2. Prionitaudeille tyypillisiä reikiä kuru-potilaan aivokudosleikkeessä (kuva vasemmalla).
13 000x elektronimikroskooppikuva kurupotilaan PrPSCamyloidikertymästä (kuva oikealla). (Kuvat: Carleton Gajdusek, Viruses 11(3), 232; 2019.).

Näiden seikkojen valossa ei siis ole ihme, että prioneilla on kauhua herättävä maine. Hullun lehmän tauti (bovine spongiform encephalopathy, BSE) on naudoissa esiintyvä prionitauti, joka järkytti eurooppalaisia noin kolmekymmentä vuotta takaperin. Kyseinen epidemia sai alkunsa eläinrehun käytöstä. Nautoja tavattiin ruokkia lajitovereiden teurasjätteistä jauhetulla luu-lihajauholla ja mitä ilmeisimmin rehujauhon joukkoon oli päätynyt prionitautia kantaneen naudan jäännökset. Tämän seurauksena PrPSC prionimuoto päätyi lajitoverien ruuansulatuskanavaan ja sieltä edelleen soluihin infektoiden uusia eläimiä. Pitkän inkubaatioajan takia tämä johti salakavalasti tuhansien nautojen BSE tartuntaan. Ongelma tuli ilmi vasta vuosia myöhemmin ja sairastuneita nautoja päätyi vuosien ajan ihmisten ruokapöytiin. BSE aiheuttaa naudoissa keskushermosto-oireita, jotka ilmenevät muutoksina eläimen käytöksessä. Prionimuunnoksen siirtyminen lajien välillä on hyvin epätodennäköistä ja riippuu aminohapposekvenssien samankaltaisuudesta lajien välillä. Tässä tapauksessa altistus oli kuitenkin niin laajaa, että ikävin pääsi tapahtumaan. Tauti siirtyi naudoista ihmisiin, joissa se aiheutti variantti Creutzfeld-Jacobin (vCJD) taudiksi nimetyn prionitaudin. Yli kaksisataa fataalia vCJD tapausta diagnosoitiin maailmanlaajuisesti vuosien 1996-2013 välillä, joista valtaosa Isossa-Britanniassa. Eläinoikeuksien puolesta taistellut Morrissey julisti lihansyönnin murhaksi vuonna 1985. BSE:n myötä julistus sai uudenlaisen merkityksen. Lihansyönnistä tuli sarjamurha. Vaikka BSE tapaukset ovat sittemmin harvinaistuneet, vaikutukset näkyvät edelleen myös Suomessa. Yli kahden vuoden ikäisiä nautoja testataan edelleen rajoitetusti BSE:n varalta ja Isossa-Britanniassa vuosien 1980-1996 välillä asuneet eivät voi toimia verenluovuttajana Veripalvelussa. Paitsi että prioni on erittäin mielenkiintoinen (pato)biologinen ilmiö, sen taustalle kätkeytyy siis myös merkittäviä yhteiskunnallisia sävyjä.

Kuva 3. Vincent Zigas kuvattuna tutkimustyössä fore heimon parissa. (Kuva: Carleton Gajdusek, Viruses 11(3), 232; 2019.).

 

Se miten prionien jäljille alun perin päästiin, on itsessään varsin mielenkiintoinen tarina. Palataan siis hetkeksi päiväntasaajan eteläpuolelle prionitutkimuksen alkulähteille. Prionien tieteellinen tarina voidaan katsoa alkaneen yhdysvaltalaisen virologin Carleton Gajdusekin tutkimusmatkasta Papua Uuteen-Guineaan, josta hän etsi uusia ihmiskunnalle tuntemattomia sairauksia. Virolaissyntyisen lääkärin Vincent Zigasin johdattamana Gajdusek kiinnostui eteläisen fore-heimon parissa esiintyvästä aivoja rappeuttavasta sairaudesta, kurusta. Fore-heimon hautajaisrituaaleihin kuului menehtyneiden heimojäsenten syöminen ja Gajdusek päätteli kurun (foren kielellä: olla peloissaan, vapista) mahdollisesti liittyvän näihin kannibalistisiin rituaaleihin. Niinpä Gajdusek teki kokeita, joissa hän injektoi kuolleen kurupotilaan muusattua aivokudosta apinoihin. Useamman vuoden inkubaatiojakson jälkeen jotkut näistä apinoista alkoivat saamaan kurun kaltaisia oireita. Muutamaa vuotta myöhemmin Gadjusek osoitti samanlaisen leviämistavan pätevän myös toiseen kurua muistuttavaan hermorappeumasairauteen, Creutzfeldt-Jakobin tautiin. Yhdysvaltalainen eläinpatologi William J. Hadlow osasi yhdistää kurun lampaissa esiintyvään vapinatautiin, skrapiin, niiden taudinkuvissa esiintyvien yhtäläisyyksien perusteella.  Gajdusek epäili, että aivorappeuman taustalla olisi jokin poikkeuksellisen hitaasti toimiva virus (ns. ”hidas virus”-hypoteesi). Taudin aiheuttaja ei kuitenkaan ollut virus. Vyyhti alkoi purkautumaan, kun neurologiaan erikoistuva lääkäri Stanley Prusiner vuonna 1972 menetti potilaan Creutzfeldt–Jakobin tautiin. Kyseisen potilaan aivot olivat rappeutuneet hämmästyttävällä nopeudella, ilman merkkejä tulehduksesta tai oireista muissa elimissä. Kokemus sai Prusinerin omistamaan seuraavat vuodet intensiiviselle tutkimustyölle, jossa hän alkoi systemaattisesti selvittämään prionitautien aiheuttajan molekylaarista identiteettiä. Työ kesti kymmenisen vuotta ja sen tulokset löivät tieteellisen yhteisön ällikällä. Prusiner esitti nykyisin hyväksytyn mekanismin, jossa normaali PrPC-proteiini voi muodostaa infektiivisiä PrPSC partikkeleita, jotka johtavat aivojen rappeutumiseen.

Prionit ovat taas aiempaa ajankohtaisempia myös Suomessa. Hirvieläinten näivetystauti  (chronic wasting disease, CWD) on aivoja rappeuttava sairaus, joka on levinnyt voimakkaasti Pohjois-Amerikan hirvieläimissä. Tauti leviää etenkin muuli- ja valkohäntäpeuroissa, joissa paikallinen esiintyvyys voi olla jopa yli 25 % kannasta. CWD pääsee leviämään hirvieläinpopulaatioissa ilmeisesti ruumiineritteiden (kuola, virtsa, ulosteet) välityksellä ja ympäristöön päätynyt  PrPSC voi rakenteellisen kestävyytensä vuoksi säilyä pitkiä aikoja infektiokykyisenä eläinten elinympäristössä. Pohjoismaiden ensimmäinen CWD-tapaus todettiin vuonna 2016 norjalaisesta tunturipeurasta (Rangifer tarandus tarandus). Tämän diagnoosin seurauksena koko kahdentuhannen eläimen lauma päätettiin lopettaa. Kaikki lopetetut eläimet testattiin ja yhteensä 19 eläimen todettiin kantaneen CWD:tä. Sittemmin pohjoismaisia CWD-löydöksiä on tehty myös isokauriista ja hirvistä. Suomen toistaiseksi ainoa CWD diagnoosi on tehty Kuhmosta vuonna 2018 löytyneestä hirvestä. CWD onkin ollut ruokavirasto Eviran tehovalvonnassa ja vuosien 2016-2019 aikana on tutkittu yhteensä 473 kuollutta hirveä mahdollisen CWD tartunnan varalta. Onko riistan ystävillä syytä huoleen? Toistaiseksi maailmalta ei ole tullut ilmi yhtään tapausta, jossa CWD olisi levinnyt ihmiseen. Olemassa olevan tutkimustiedon valossa leviäminen lajien välillä, esimerkiksi syömällä CWD:ta kantavaa hirvieläintä, on varsin epätodennäköistä, mutta ei kuitenkaan täysin poissuljettua. Apinoilla ja humanisoiduilla hiirillä suoritetuissa eläinkokeissa prionitaudin on raportoitu siirtyneen lajien välillä CWD-infektoituneen lihan- ja aivokudosruokinnan seurauksena. Vaikka ihmistapauksia ei ole tullut vielä ilmi, huoli on kasvamassa etenkin Yhdysvaltain altistuneimmilla alueilla, joissa riistalihan kulutus on suurta. Myös Suomessa on syytä pitää tilanteen kehitystä tarkasti silmällä. Yhdysvalloista opitun tiedon perusteella tiedetään, että leviämistä edistää tiheät kannat ja laumakäytös. Yhtenä pelkona onkin, että hirvieläinten näivetystauti   pääsisi leviämään pohjoismaisiin porokantoihin. Siksi on tärkeää pitää tilanteen kehitystä silmällä ja tarvittaessa rajoittaa todennäköisten tartuntaväylien, kuten ruokintapaikkojen ja suolakivien ylläpitoa.

Kuva 4. Tiheät peurakannat edistävät hirvieläinten näivetystaudin leviämistä. Kuvassa muulipeuraemä vasoineen Coloradossa, jossa CWD tartunnat ovat olleet voimakkaassa kasvussa. (Kuva: Juha Saarikangas).

 

 

 

Vaikka tähän saakka käsitellyt asiat liittyvät kaikki PrP proteiiniin, on olemassa lukuisia eri proteiineja, joilla on prionimaisia piirteitä. Esimerkiksi monilla keskeisistä keskushermoston rappeumasairauksista, kuten amyotrofisella lateraaliskleroosilla, Alzheimerin,  Parkinsonin, Huntingtonin taudeilla  on tiettyjä yhtäläisyyksiä prionitautien kanssa. Näihin sairauksiin liittyy usein tietyn proteiinin haitalinen laskostumismuutos, laskostumismuutoksista johtuvat amyloidimaiset kertymät keskushermostossa sekä haitallisen laskostumismuutoksen kyky levitä solujen välillä prionin kaltaisesti. On myös tärkeää huomata, että prionimaisuus ei myöskään aina ole huono asia. Esimerkiksi nisäkkäiden luonnollinen immuunivaste ja paradoksaalisesti myös muistin toiminta saattavat hyödyntää prionin kaltaista mekanismia toiminnassaan. Prionimainen laskostumismuunnos onkin kontrolloituna soluille varsin tehokas keino lisätä tai muuttaa proteiinin toimintaa paikallisesti. Prionitutkimus on nopeasti etenevä tutkimuskenttä ja siihen liittyviä uusia ilmiöitä ja toimintamekanismeja tunnistetaan nopealla tahdilla. Näiden kuvaaminen auttaa ymmärtämään paitsi elämää ylläpitävien toimintojen monisyisyyttä, mutta mahdollisesti myös selventämään mikä prionitaudeissa menee solutasolla pieleen. Fore heimo soitti alkutahdit prionitutkimukselle. Nyt kuulostaa siltä, että tämän tieteellisen kappaleen pauhu on taas kasvamassa.

 

Kirjoituksessa esiintyneitä termejä ja lyhenteitä:

  • PrPC, normaalimuotoinen PrP proteiini.
  • PRPSC, PrP proteiini prionimuodossa.
  • Amyloidi, järjestäytynyt säiemäinen proteiinikertymä.
  • α-kierre ja β-levy, keskeisiä proteiinien sekundaarirakenteita.
  • CJD, Creutzfeldt–Jakobin tauti. Yksi ihmisissä esiintyvistä PrPSC:n aiheuttamista sairauksista.
  • BSE, hullun lehmän tauti. Naudoissa esiintyvä PrPSC:n aiheuttama sairaus.
  • CWD, hirvieläinten näivetystauti. Hirvieäimissä esiintyvä PrPSC:n aiheuttama sairaus.

Lisää aiheesta:

 

Tietoa kirjoittajasta:


Juha Saarikangas toimii apulaisprofessorina Helsingin yliopistossa. Hänen tutkimusryhmänsä tutkii ikääntymisestä johtuvia proteiinien laskostumismuutoksia sekä toiminnallisten proteiinikertymien roolia solujen erilaistumisessa. Sähköposti: juha.saarikangas@helsinki.fi

 

 

Geeni- ja hiirimallitutkimuksella autismin syiden jäljille

Autismikirjon häiriö on aivojen neurobiologinen häiriö, jolla on skitsofrenian tapaan todettu vahva geneettinen tausta (de la Torre-Ubieta ym., 2016). Autismikirjolle on tunnusomaista vaikeudet sosiaalisessa vuorovaikutuksessa ja kommunikaatiossa sekä pakonomaiset rutiinit ja rajoittuneet kiinnostuksen kohteet. Käsite ´kirjo´ viittaa oireistoon, joka sisältää erilaisia kliinisiä variaatioita, kuten lapsuusiän autismi (Kannerin oireyhtymä, klassinen autismi), Aspergerin oireyhtymä, Rettin oireyhtymä, epätyypillinen autismi sekä tarkemmin määrittelemätön lapsuuden laaja-alainen kehityksen häiriö. Autismikirjon variaatiot on viimeisimmässä American Psychiatric Associationin 2013 julkaisemassa mielenterveyden ja käyttäytymisen häiriöiden diagnoosijärjestelmässä (DSM-5) luokiteltu yhdeksi autismikirjon häiriöksi (Autism Spectrum Disorder). Suomen terveydenhuollossa käytetään Maailman terveysjärjestön (WHO) julkaisemaa ICD-luokitusta, jonka seuraavassa, valmisteilla olevassa (ICD-11) versiossa seurattaneen DSM-5:n luokitustapaa autismin osalta. Autismia esiintyy koko maailmassa ja sen esiintyvyyden on todettu viimeisen kymmenen vuoden aikana lisääntyneen pääosin parantuneen diagnostiikan vuoksi. Viimeisimpien suomalaisten epidemiologisten tutkimusten mukaan autismikirjon yleisyydeksi on arvioitu noin 1%, jolloin Suomessa on n. 50–80 000 henkilöä, joilla on autismikirjon diagnoosi.

Yksilön kehitysympäristöllä ja kokemuksilla on merkittävä vaikutus sosiaalisten taitojen kehittymiseen ja käyttäytymiseen, mutta vallitseva tieteellinen käsitys on, että geneettiset muutokset ovat useimmissa tapauksissa autismikirjon henkilöiden käyttäytymisen erityispiirteiden syy. Kansainvälinen geenitutkimus on tunnistanut ison joukon geenejä, joiden muutokset on  yhdistetty autismiin. Tämä tarkoittaa sitä, että aivojen normaalille toiminnalle tärkeiden geenien (yhden tai useamman) määrittämien proteiinien toiminta tai tuotantotaso on muuttunut autismikirjon henkilöillä normaalipopulaatioon verrattuna (de la Torre-Ubieta ym., 2016). Hiirikokeilla on voitu osoittaa, että ihmisillä havaitut autismikirjoon linkitetyt geenimuutokset ovat riittäviä aiheuttamaan autismiin liittyvien erityispiirteiden kaltaista käyttäytymistä myös hiirillä. Testattaessa autismikirjon häiriöön liittyviä käyttäytymisen erityispiirteitä hiirillä, täytyy käytettävät testit soveltaa sopimaan hiirten elämään. Hiiret, kuten ihmisetkin, ovat kuitenkin sosiaalisia eläimiä ja sosiaalisuutta voi hiirillä testata eri tavoin. Yhdessä yksinkertaisimmista testeistä seurataan, onko hiiri kiinnostuneempi toisesta hiirestä kuin esineestä. Normaalihiiret ovat kiinnostuneempia toisesta hiirestä, kun taas autistisesti käyttäytyvät hiiret eivät tee eroa hiiren ja esineen välillä. Toisessa helpossa testissä seurataan hiiren yleiskäyttäytymistä, missä autistinen käyttäytyminen voi ilmetä hiirelle tyypillisen käyttäytymisen pakonomaisena toistona, esimerkiksi poskien sukimisessa tai takajaloille nousemisessa. Autististen hiirenpoikasten emon kanssa äänteleminen eroaa myös normaalisti kehittyvien hiirenpoikasten ääntelystä. Hiirien kognitiivisia taitoja voidaan testata erilaisilla oppimis- ja muistamiskokeilla. Hiirien tasapainoa ja koordinaatiota arvioidaan mittaamalla hiirten kykyä juosta eri paksuisten keppien tai pyörivän rullan päällä. Eri geenimuutokset aiheuttavat omanlaisen vasteensa; muutos tietyssä geenissä saattaa aiheuttaa vain yhden autismille tyypillisen erityispiirteen, kun taas toinen geneettinen muutos saattaa aiheuttaa toisenlaisia muutoksia käyttäytymisessä. Yleisesti voidaan nähdä, että mitä useampaan geeniin geneettinen muutos vaikuttaa, sitä selvempi on myös muutos käyttäytymisessä. Tällä hetkellä geneetikot ja neurobiologit yrittävät ymmärtää, mitä yhteistä autismin riskigeeneillä on ja millaisia muutoksia hermosoluissa ja aivoissa tarvitaan autismikirjon perusoireiden ilmenemiseen käyttäytymisen tasolla. Jos oireille löydetään yhteinen nimittäjä, voidaan mahdollista hoitoa kohdentaa paremmin. Koska autismin neurobiologinen syy on vielä tuntematon, joudumme testeissä edelleen sekä hiirillä että ihmisillä luottamaan käyttäytymisessä tai aistien toiminnassa havaittaviin muutoksiin. Esimerkiksi motoriikan ja koordinaation suhteen on tehty uraauurtavaa tutkimusta autismikirjon häiriöissä. Ja vaikka autismia aiheuttavat perussyyt ovat edelleen hämärät, niin myös verestä tai virtsasta tehtävien analyysien perusteella ollaan kehittelemässä uusia välineitä häiriöiden tarkempaa diagnosointia varten.

Vain osa autismiin liittyvistä geenien muutoksista periytyy vanhemmilta ja usein geenimuutokset ovat uusia, vanhempien sukusoluissa tai alkion kehityksen aikana tapahtuvia muutoksia (de la Torre-Ubieta ym., 2016). Geneettisiä tutkimuksia on hankaloittanut autismikirjoon yhdistettyjen geenien valtava määrä; tällä hetkellä mahdollisia autismikirjon häiriön piirteitä aiheuttavia geenejä on yhteensä noin tuhat. Näin ollen lähes jokaisella autismikirjon henkilöllä on ”oma” geenivariaationsa ja kausaliteettia geenimutaation ja käyttäytymisen häiriöiden välille on vaikea osoittaa pitävästi. On hyvä muistaa, että jokainen neurotyypillinen ihminen kantaa satoja mutaatioita tai geenivariaatioita genomissaan, ja suurin osa mutaatioista tai variaatioista ei haittaa normaalia elämää millään lailla. Geenivariaatioiden suuri määrä myös auttaa ymmärtämään sitä, miksi jokainen autismikirjon henkilö on omanlaisensa. Vaikka peruspiirteet ilmenevät samankaltaisina eri henkilöillä, on jokaisen autismikirjon henkilön ilmiasun piirteet hieman erilaiset sekä laadullisesti että määrällisesti

Monet autismikirjoon yhdistetyistä geeneistä koodaavat proteiineja, jotka ovat tärkeitä synapsien toiminnassa (Bourgeron, 2015). Synapsit ovat hermosolujen liitoskohtia ja koko hermoverkon toimimisen perusta, joten löydös ei yllätä. Hermosolut muodostavat hermoverkon, missä hermosololuja yhdistää sekä kiihdyttäviä että estäviä synapseja. Hermosolun aktivaatio riippuu siitä kuinka moni kiihdyttävä synapsi ja miten usea estävä synapsi aktivoituu; hermosolu ikään kuin summaa plus ja miinus viestit ja päättää siitä, laittaako se signaalin eteenpäin. Osa autismiin liitettyjen geenien koodaamista proteiineista järjestelee synapsien komponentit oikeaan järjestykseen.  Osa autismigeenien tuottamista proteiineista osallistuu synapsien toiminnalle keskeiseen ionien kuljetukseen solun sisään ja solusta ulos. Osa proteiineista taas säätelee synapsin ”kotia” eli hermosolujen viejähaarakkeen, dendriitin, okasta. Nämä löydökset sopivat hyvin yhteen sen kanssa, että autismikirjon häiriöstä kärsivien lasten aivojen hermsoluissa on havaittu poikkeavan paljon dendriittien okasia (ja todennäköisesti myös synapseja) (Tang ym., 2014). Okasten ja kiihdyttävien synapsien riittämätön poistaminen kehityksen aikana sopisikin hyvin olemaan yksi neurobiologinen syy autismikirjon häiriöön (Tang ym., 2014). Ihmisen normaalikehityksen aikana okasia tuotetaan lapsuudessa ensin ylen määrin ja myöhemmin ylimääräiset okaset poistetaan: synapsien määrän ”optimoinnin” oletetaan sujuvoittavan aivojen käyttöä. Osa tuloksista viittaa myös siihen että synapseja ei ehkä vahvisteta normaalisti, vaan ne jäävät pieniksi ja heikoiksi. Myös okaset, joissa synapsit majailevat, jäävät liian pitkiksi ja ohuiksi. Tällöin voidaan ajatella, että synapseja muodostuu liiankin tehokkaasti, mutta valinta muodostettavien ja poistettavien välillä jää vajaaksi, eli ”mitä tahansa” tietoa tallennetaan aivoihin ilman kunnollista valintaa tiedon tallennuksen mielekkyydestä. Silloin kaikesta aivojen vastaanottamasta ja käsittelemästä tiedosta tulee samanarvoista eikä esimerkiksi sosiaalista kanssakäymistä erityisesti ”tueta” keskushermoston osalta. Vahvistusmekanismien puuttuminen myös vähentää aivojen tiedonkäsittelyn tehoa. On myös tutkimusnäyttöä siitä, että synapsit saattaisivat kehittyä ”valmiiksi” liian aikaisin ja siksi kehityksen aikaiset muutokset aivoissa jäävät vajaiksi (Sun ym., 2018).

Synapsien toiminta ja kehitys voisivat olla yksi yhteinen nimittäjä autismikirjon taustalla, mutta se miten synapsien toiminta muuttuu ja miksi, on edelleen epäselvää.

Eläinmalleilla tehtyjen tutkimusten tulokset viittaa siihen, että autismissa kiihdyttävien ja estävien synapsien tasapaino on muuttunut. Yleensä kiihdyttävät synapsit vievät signaalia eteenpäin, kun taas estävät synapsit pitävät signaalin etenemisen ”kurissa”. Molempien synapsien toiminta ja toiminnan tasapaino sekä oikea-aikaisuus on ensiarvoisen tärkeää aivojen normaalille toiminnalle. Voidaan spekuloida, että jos estävien synapsien toiminta on heikentynyt, hermoimpulssi leviää liian laajasti aivoihin ja pienikin ulkopuolelta tuleva ärsyke saattaa ärsyttää kohtuuttomasti aivoja ja näin myös itse aivojen omistajaa. Tämä saattaa myös johtaa siihen, että aivoissa on liikaa ”kohinaa” jolloin tärkeiden ärsykkeiden havaitseminen ja vahvistaminen hankaloituu. Voi olla että liiallinen lajittelematon ärsykkeiden määrä (kohina) estää olennaiseen keskittymisen, yksilö keskittyy yksityiskohtiin kokonaisuuden asemesta eli ei näe metsää puilta. Aivojen yliärsytys saattaa myös johtaa epileptisiin kohtauksiin, mikä onkin nähtävissä osalla autismikirjon henkilöistä. Viimeaikainen hiirimalleilla tehty tutkimus on osoittanut, että jos epileptisten kohtausten aikana tapahtuvaa hermosolujen yliärsytystä hillitään lääkeaineilla, aivojen kehitys voi palata normaaliksi (Sun ym., 2018).

Autismikirjon häiriöt kattavat laajan kirjon häiriöitä, joissa tuen ja hoidon tarve on vaihteleva ja yksilöllisesti määräytyvä. Käytössä oleva lääkkeellinen hoito kohdistuu rinnakkaisoireisiin ja neuropsykiatrisiin liitännäissairauksiin. Autismikirjon henkilöiden aivojen toiminnalliset erityispiirteet ja yksilöllisyys hankaloittavat hoitoja ja siksi olisi tärkeää löytää yksi tai useampi autismikäyttäytymistä aiheuttava biologinen syy, mihin hoidot voitaisiin kohdentaa. Tähän mennessä Fragile-X-oireyhtymää mallittavalla hiirimallilla tehty tutkimus on osoittanut, että synapsien määrää tai toimintaa normalisoimalla voidaan vähentää eläinten autisminkaltaista käyttäytymistä. Tämä onnistui vielä hiirien ollessa aikuisia, mikä viittaa siihen, että ainakin osa autismikirjohäiriöistä voitaisiin  parantaa vielä aikuisiässä.

 

Tietoa kirjoittajista: 

Pirta Hotulainen toimii ryhmänjohtajana Lääketieteellinen Tutkimuslaitos Minervassa ja omassa työssään hän tutkii miten autismikirjon häiriöön liitetyt geneettiset muutokset vaikuttavat hermosolujen yhteyksiin. Sähköposti: pirta.hotulainen@helsinki.fi

 

 

Irene Rämä toimii Helsingin yliopiston Koulutuksen arviointikeskuksessa tutkijatohtorina. Hänen tutkimusintressinsä kohdistuvat pääasiassa vaativan erityisen tuen alueelle, etenkin autismikirjoon, jossa sosiaaliseen vuorovaikutukseen ja kommunikaatioon liittyvät aiheet sekä oppimiseen ja opettamiseen kiinnittyvät seikat  ovat hänen tieteellisen kiinnostuksen kohteitaan.

 

Maija Castrén toimii Suomen Akatemian kliinisenä tutkijana Helsingin yliopistossa ja tutkii autismikirjon häiriöiden taustalla olevia molekulaarisia mekanismeja sekä mahdollisuuksia niihin vaikuttamalla kehittää kliinisiä hoito- ja kuntoutusmuotoja. Sähköposti: maija.castren@helsinki.fi

 

 

 

Viitteet:

  1. Bourgeron, T. From the genetic architecture to synaptic plasticity in autism spectrum disorder. Nat Rev Neurosci 16, 551-563, doi:10.1038/nrn3992 (2015).
  2. de la Torre-Ubieta, L., Won, H., Stein, J. L. & Geschwind, D. H. Advancing the understanding of autism disease mechanisms through genetics. Nat Med 22, 345-361, doi:10.1038/nm.4071 (2016).
  3. Tang, G. et al. Loss of mTOR-dependent macroautophagy causes autistic-like synaptic pruning deficits. Neuron 83, 1131-1143, doi:10.1016/j.neuron.2014.07.040 (2014).
  4. Sun, H., Takesian, A.E., Wang, T.T., Lippman-Bell, J.J., Hensch, T.K., Jensen, F.E. Early Seizures Prematurely Unsilence Auditory Synapses to Disrupt Thalamocortical Critical Period Plasticity. Cell Rep. 23, 2533-2540. doi: 10.1016/j.celrep.2018.04.108 (2018).

 

Miksi mikään ei maistu niin hyvältä kuin miltä laihuus tuntuu?

Laihuushäiriö eli anoreksia nervosa yhdistetään perinteisesti nollakokoisiin julkkiksiin, näyteikkunoiden epäluonnollisiin mallinukkeihin ja juorulehtien laihduttamiseen kannustaviin otsikoihin. Laihuushäiriö on ollut kuitenkin olemassa sairautena jo kauan ennen yhteiskunnan tuottamia ulkonäköpaineita. Myös ihmissuhteiden haasteet nimetään usein yhdeksi sairauden aiheuttajaksi. Näillä kummallakin voi olla vaikutusta, mutta yksinään ne eivät ole syyllisiä laihuushäiriöön.

Mistä laihuushäiriö sitten johtuu? Laihuushäiriö on vahvasti perinnöllinen. Perinnölliset tekijät selittävät väestötasolla sairaudesta 70% (1). Perinnöllisyyden eli geenien vaikutus näkyy monin tavoin aivojemme ja kehomme toiminnassa. Aivojen toiminta vaikuttaa käyttäytymiseen ja ajatteluun. Laihuushäiriötä sairastavilla on havaittu monenlaisia ruokaan, syömiseen, omaan kehoon, ajattelutapoihin ja tunteiden tunnistamiseen liittyviä poikkeavuuksia.

Syöminen ei ole yhtä houkuttelevaa laihuushäiriötä sairastavalle kuin muille. Aivojen palkkiojärjestelmä ja dopamiini liittyvät siihen, millaisia asioita haluamme tehdä. Dopamiini on aine, jonka vapautuminen tuottaa tavallisesti mielihyvää. Laihuushäiriötä sairastavilla voi kuitenkin olla toisin. Yhdessä tutkimuksessa havaittiin, että laihuushäiriötä sairastaneilla dopamiinin vapautuminen lisääkin ahdistusta (2). Syödessä vapautuu dopamiinia. Tutkijat arvelivat, että tämä voi olla yksi syy siihen, miksi syöminen tuntuu ahdistavalta.

Syömättömyys voi vähentää laihuushäiriöpotilailla ahdistusta. Laihuushäiriötä sairastaneilla on aivo-selkäydinnesteessä enemmän serotoniinia kuin muilla (3). Serotoniini on aivoissa viestejä vievä aine, joka liittyy muun muassa mielialan säätelyyn. Lisääntynyt serotoniinin määrä yhdistetään laihuushäiriöpotilaille tyypilliseen ahdistukseen ja masennukseen, jotka edeltävät usein sairastumista. Serotoniinin tuottamiseen tarvitaan ravinnosta saatavia aineita, joten syömisen rajoittaminen vähentää sen pitoisuutta (4). Tämä voi vähentää laihuushäiriötä sairastavien ahdistusta ja masentuneisuutta.

Laihuushäiriötä sairastavat kiinnittävät ruokaan liittyviin asioihin enemmän huomiota kuin terveet. Heidän ajattelunsa pyörii usein vain syömisen ja ruoan ympärillä. Laihuushäiriötä sairastavilla aktivoituvat voimakkaammin kuin terveillä aivojen etuotsalohkon takaosa ja pihtipoimu, kun heille näytetään kuvia ruoasta (5). Nämä aivojen osat liittyvät huomion kiinnittymiseen, itsensä tarkkailuun ja päätöksentekoon. Laihuushäiriötä sairastavat siis kiinnittävät korostuneesti huomiota ruokaan, ja syöminen voi tuottaa ahdistusta ja syömättömyys vähentää sitä.

Kehonkuvan vääristyminen on yksi laihuushäiriön erikoisimmista oireista. Sairastunut voi kokea olevansa lihava, vaikka olisi kuinka alipainoinen. Yksi selitys tälle ilmiölle voi olla aivosaaren häiriintynyt toiminta. Aivosaari vastaa kehosta tulevien signaalien yhdistämisestä tietoiseen ajatteluun ja tunteisiin. Jos tämä ei toimi, kokemus omasta kehosta voi olla virheellinen. Aivokuvantamistutkimuksissa on huomattu, että aivosaari on laihuushäiriöpotilailla vähemmän aktiivinen kuin terveillä (6,7,8). Tämä voi aiheuttaa myös laihuushäiriölle tyypillisen vaikeuden oman kehon aliravitsemustilan tunnistamisessa ja ymmärtämisessä. On myös havaittu, että ainakin joillain laihuushäiriötä sairastaneilla on tavallista korkeampi kipukynnys (6). Tämä voi myös liittyä vaikeuteen tulkita omasta kehosta tulevia viestejä.

Monet laihuushäiriötä sairastavat kokevat vastenmielisyyttä omaa kehoaan kohtaan. Tämä on havaittu myös aivokuvantamistutkimuksissa. Mantelitumake aktivoituu laihuushäiriötä sairastavilla, toisin kuin terveillä, kun heille näytetään kuvia heidän omasta kehostaan (9). Mantelitumake on keskeinen pelon ja vihan tunteiden syntymisessä. Sen aktivoituminen heijastaa potilaiden pelokasta ja inhoavaa suhtautumista itseensä. Oman kehon havainnointi on siis poikkeavaa monilla eri tasoilla: laihuushäiriötä sairastavat todella kokevat kehonsa eri tavalla kuin muut ja tämän lisäksi he suhtautuvat kehoon tuomitsevasti ja ahdistuneesti. Negatiivinen suhtautuminen omaan voi ennustaa myös sairauden uusiutumista. Ne, jotka suhtautuivat omaan kehoonsa vihamielisimmin, sairastuivat uudestaan todennäköisimmin (7,10).

Käyttäytymisen jäykkyys on tavallinen piirre laihuushäiriössä. Laihuushäiriötä sairastavavilla on usein erilaisia ruokaan, syömiseen ja liikkumiseen liittyviä tarkkoja rutiineja. Nämä liittyvät kognitiivisen joustamattomuuteen eli vaikeuteen vaihtaa ja muuttaa toimintatapoja. Tätä voidaan tutkia erilaisilla tehtävillä, joissa pitää keksiä uudenlaisia ratkaisutapoja tai kyetä vaihtamaan tapaa toimia kesken tehtävän. Yhdessä tutkimuksessa huomattiin, että mitä pidempään laihuushäiriötä oli sairastanut, sitä vaikeampaa joustaminen ja toimintatapojen vaihtaminen oli (11). Kognitiivista joustamattomuutta on havaittu olevan myös laihuushäiriötä sairastavien sukulaisilla (12). Tämä todennäköisesti tarkoittaa, että kyseessä on periytyvä ominaisuus, joka voi altistaa sairastumiselle. Kognitiivinen joustamattomuus voikin ylläpitää sairautta ja vaikeuttaa sen hoitamista.

Tunteiden tunnistaminen ja säätely ovat usein hankalia laihuushäiriötä sairastaville. Laihuushäiriötä sairastavilla on vaikeuksia tunnistaa toisten ihmisten tunteita kasvojenilmeistä ja äänensävyistä (13). Tämä voi hankaloittaa muiden ihmisten kanssa toimimista. Hankaluudet kaverisuhteissa voivatkin edeltää sairastumista ja sosiaalinen ahdistuneisuus on tavallista. Vaikeus tunnistaa omia tunteitaan, eli aleksitymia, on yleistä laihuushäiriötä sairastavilla (14). Laihuushäiriötä sairastavat ilmaisevat vähemmän tunteitaan kuin muut. Tilanteessa, jossa näytettiin videopätkiä tunteita herättävistä tapahtumista, laihuushäiriötä sairastavat olivat ilmeettömämpiä kuin terveet (15).

Tunteiden havaitsemiseen vaikuttaa muun muassa oksitosiini. Oksitosiini on hormoni, joka erittyy aivolisäkkeestä ja se lisää herkkyyttä havaita tunneilmaisuja. Laihuushäiriöpotilailla on matalammat oksitosiinipitoisuudet kuin terveillä (16). Oksitosiinin pitoisuudella on myös yhteys syömishäiriöoireiden vakavuuteen (17). On ehdotettu, että oksitosiini voi olla yksi mahdollinen tekijä, joka liittyy tunteiden tunnistamisen haasteisiin laihuushäiriötä sairastavilla.

Omien tunteiden säätely on myös usein hankalaa laihuushäiriötä sairastaville. Tämä voi näkyä esimerkiksi vaikeutena hyväksyä omia tunnekokemuksiaan tai erikoisina tapoina ilmaista tunteita. Yhdessä tutkimuksessa havaittiin, että laihuushäiriötä sairastavien tunteiden säätelyn hankaluudet vähenivät painon laskiessa (18). He voivatkin käyttää omaa kehoaan tunteiden säätelyyn muiden keinojen puuttuessa. Hankaluudet tunteiden tunnistamisessa ja säätelyssä voivat altistaa laihuushäiriölle.

Immuunijärjestelmän, suolistomikrobien, ja aineenvaihdunnan poikkeavuuksista on myös etsitty selityksiä laihuushäiriön synnylle. Laihuushäiriötä sairastaneilla on muuta väestöä enemmän autoimmuunisairauksia. On myös havaittu, että heillä on autovasta-aneita syömisen säätelyyn vaikuttavia hormoneja kohtaan (19). Autovasta-aineet ovat aineita, joita keho tuottaa autoimmuunisairauksissa. Ne häiritsevät sen kehon osan toimintaa, johon ne kohdistuvat. Laihuushäiriöpotilailla ne voivat siis häiritä syömisen säätelyä.

Suolistomikrobien on ehdotettu liittyvän laihuushäiriön kehittymiseen ja ylläpysymiseen. Suolistomikrobit vaikuttavat käyttäytymiseen ja toisaalta aivojen toiminta vaikuttaa suolistomikrobeihin. Laihuushäiriötä sairastavilla suolistomikrobien määrä on vähäisempi kuin terveillä (20). Tämän on arveltu liittyvän muun muassa serotoniinin poikkeavuuksiin (21). Suolistomikrobien poikkeavuus voi myös ylläpitää aliravitsemusta. Hiirikokeissa on havaittu, että kun vakavasta aliravitsemuksesta kärsivien lasten suolistomikrobeja siirretään hiirille, ne laihtuvat huomattavasti (21).

Monia aineenvaihduntaan vaikuttavia geenejä on yhdistetty laihuushäiriöön. Näitä ovat muun muassa kolesteroliin ja sokeriaineenvaihduntaan vaikuttavat geenit (22). Aineenvaihduntaan liittyvät tekijät voivatkin vaikuttaa syömisen ja painon säätelyyn ylläpitäen laihuushäiriötä. Laihuushäiriön on ehdotettu jopa olevan osittain aineenvaihduntaan liittyvä sairaus.

Uutta tutkimustietoa laihuushäiriön syistä ja taustasta saadaan jatkuvasti. Laihuushäiriö on monimutkainen sairaus, jonka hoito on haastavaa. Se on kuolleisuudella mitattuna vakavin kaikista mielenterveyden ongelmista. Uusi tutkimustieto on tärkeää, koska se voi auttaa kehittämään paremmin toimivia hoitomenetelmiä. Tulevaisuudessa on toivottavasti mahdollista auttaa entistä useampaa laihuushäiriötä sairastavaa toipumaan sairaudestaan.


Tietoa kirjoittajasta:

Emma Saure tekee väitöskirjaa Helsingin Yliopiston Lääketieteellisessä tiedekunnassa. Väitöskirjassaan hän tutkii laihuushäiriöön liittyviä neuropsykologisia piirteitä.
Sähköposti: emma.saure@helsinki.fi

 

Viitteet:

  1. Gorwood, P., Kipman, A. & Foulon, C., (2003). The human genetics of anorexia nervosa. European Journal of Pharmacology,480, 163-170.
  2. Bailer, U. F., Narendran, R., Frankle, W. G., Himes, M. L., Duvvuri, V., Mathis, C. A. & Kaye, W. H. (2012). Amphetamine induced dopamine release increases anxiety in individuals recovered from anorexia nervosa. International Journal of Eating Disorders, 45, 263-271.
  3. Kaye, W. H., Frank, G. K., Bailer, U. F. & Henry, S. E. (2005). Neurobiology of anorexia nervosa: Clinical implications of alterations of the function of serotonin and other neuronal systems. International Journal of Eating Disorders, 37, 15-19.
  4. Bailer, U. F. & Kaye, W. H. (2010). Serotonin: Imaging findings in eating disorders. Teoksessa Adam, R. A. H. & Kaye, W. H. (Toim.). Behavioral Neurobiology of Eating Disorder. Springer Berlin Heidelberg.
  5. Uher, R., Brammer, M. J., Murphy, T., Campbell, I. C., Ng, V. W., Williams, S. C. R. & Treasure, J. (2003). Recovery and chronicity in Anorexia Nervosa: Brain activity associated with differential outcomes. Biological Psychiatry, 54, 934-942.
  6. Kaye, W. (2008). Neurobiology of anorexia and bulimia nervosa. Physiology & Behavior, 94, 121-135.
  7. Sachdev, P., Mondraty, N., Wen, W. & Gulliford, K. (2008). Brains of anorexia nervosa patients process self-images differently from non-self-images:  An fMRI study. Neuropsychologia, 46, 2161-2168.
  8. Wagner, A., Ruf, M., Braus, D. F., & Schmidt, M. H. (2003). Neuronal activity changes and body image distortion in anorexia nervosa. Brain Imaging, 14, 2193-2197.
  9. Seeger, G., Braus, D. F., Ruf, M., Goldberger, U. & Schmidt, M. H. (2002). Body image distortion reveals amygdala activation in patients with anorexia nervosa – A functional magnetic resonance imaging study. Neuroscience Letters, 326, 25-28.
  10. Uher, R., Murphy, T., Friederich, H.-C., Dalgleish, T., Brammer, M. J., Giampietro, V., Phillips, M. L., Andrew, C. M, Ng, V. W., Williams, S. C. R., Campell, I. C. & Treasure, J. (2005). Functional neuroanatomy of body shape perception in healthy and eating-disordered women. Biological Psychiatry,58, 990-997.
  11. Fitzpatrick, K. K., Darcy, A., Colborn, D., Gudorf, C. & Lock, J. (2012). Set-shifting among adolescent with anorexia nervosa. International Journal of Eating Disorders, 45, 909-912.
  12. Galimberti, E., Fadda, E., Cavallini, M. C., Martoni, R. M., Erzegovesi, S. & Bellodi, L. (2013). Executive functioning in anorexia nervosa patients and their unaffected relatives. Psychiatry Research,208, 238-244.
  13. Kucharska-Pietura, K., Nikolaou, V. N., Masiak, M. & Treasure, J. (2004). The recognition of emotion in the faces and voice of anorexia nervosa. International Journal of Eating Disorders,35, 42-47.
  14. Brewer, R., Cook, R., Cardi, V., Treasure, J. & Bird, G., (2015). Emotion recognition deficits in eating disorders are explained by co-occurring alexithymia. Royal Society open science. doi: 10.1098/rsos.140382.
  15. Davies, H., Scmidt, U., Stahl, D. & Tchanturia, K. (2011). Evoked facial emotional expression and emotional experience in people with Anorexia nervosa. International Journal of Eating Disorders, 44, 531-539.
  16. Monteleone, H. M. Scognamiglio, P., Volpe, U., Maso. V. D. & Monteleone P. (2016) Investigation of oxytocin secretion in Anorexia Nervosa and Bulimia Nervosa: Relationships to temperament personality dimensions. European Eating Disorder Review, 24, 52-56.
  17. Lawson, E. A., Holsen, L. M., Santin, M., Meenaghan, E., Eddy, K. T., Becker, A. E., Herzog, D. B., Goldstein, J. M. & Klibanski, A. (2012). Oxytocin secretion is associated with severity of disordered eating psychopathology and insular Cortex hypoactivation in Anorexia Nervosa. The Journal of Clinical Endocrinology and Metabolism, 97, E1898–E1908.
  18. Brockmeyer, T., Holtforth, M. G., Bents, H., Kämmerer, A., Herzog, W. & Friederich, H.-C. (2011). Starvation and emotion regulation in anorexia nervosa. Comprehensive Psychiatry, 53, 496-501.
  19. Fetissov, S. O., Sinno, M. H., Coquerel, Q., Do Rego, J. C., Coëffier, M., Gilbert, D., Hökfelt, T. & Déchelotte, P. Emerging role of autoantibodies against appetite-regulating neuropeptides in eating disorders. Nutrition, 24, 854-859.
  20. Kleiman, S. C.., Watson, H. J., Bulik-Sullivan, E. C., Huh, E. Y., Tarantion, L. M., Bulik, C. M. & Carroll, I. M. (2015). The intestinal microbiota in acute Anorexia Nervosa and during renourishment: Relationship to depression, anxiety, and eating disorder psychopathology. Psychosomatic Medicine, 77, 969-981.
  21. Herpertz‐Dahlmann, B., Seitz, J. & Baines, J. (2017). Food matters: how the microbiome and gut–brain interaction might impact the development and course of anorexia nervosa. European Child & Adolescent Psychiatry, 26, 1031–1041.
  22. Duncan, L., Yilmaz, Z., Gaspar, H., Walters, R., Goldstein, J., Anttila, V., Bulik-Sullivan, B. Ripke, S., Thornton, L., Hinney, A., Daly, M., Sullivan, P. F., Zeggini, E., Breen, G., & Bulik, C. M. (2017). Significant locus and metabolic genetic correlations revealed in genome-wide association study of Anorexia Nervosa. American Journal of Psychiatry,00, 1-9.

Geenisaksilla hermoston sairauksien jäljille

Mikä on tämän vuosikymmenen suurin tieteellinen läpimurto? Tuskin osuu kovin väärään veikatessaan, että titteli menee kansankielellä geenisaksiksi kutsutulle CRISPR-Cas9-menetelmälle. Menetelmä on mullistanut perustutkimuksen lisäksi bioteknologian kasvinjalostuksesta lääkekehitykseen, ja uusia sovelluksia kehitetään jatkuvasti. Mikä sitten tekee menetelmästä niin erityisen, ja miten sitä voidaan hyödyntää hermoston ja sen sairauksien tutkimuksessa?

Ihmisen genomikartan valmistuminen vuonna 2003 ja sitä seurannut uuden sukupolven
sekvensointimenetelmien kehitys ovat merkittävästi lisänneet tietoa hermoston sairauksien taustalla vaikuttavista perinnöllisistä tekijöistä. Esimerkiksi autismille tai skitsofrenialle altistavia geenimuunnoksia on löydetty satoja. Yksi geenivariantti ei sairautta kuitenkaan aiheuta kuin harvinaisissa tapauksissa. Tämän hetken suurimpia haasteita onkin ymmärtää, miten nämä alttiusgeenit yhdessä ulkoisten tekijöiden kanssa vaikuttavat tautiriskiin ja taudin patofysiologiaan. Tarvitaan perusteellista tietoa siitä, miten ja missä ympäristössä geenit toimivat ja miten ne vaikuttavat ilmiasuun. Juuri tässä niin kutsutussa toiminnallisessa genomitutkimuksessa CRISPR-Cas9 on osoittautunut verrattomaksi apuvälineeksi.

CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats)-Cas9 (CRISPR-associated protein 9)-menetelmä perustuu bakteerien immuunijärjestelmän luontaiseen kykyyn puolustautua viruksia vastaan (1). Keskeinen osa menetelmää on lyhyt RNA-opas (guide RNA), joka ohjaa Cas9-proteiinin sitoutumaan DNA-juosteeseen tarkasti tietyssä kohdassa genomia (kuva 1). DNA:han sitoutunut Cas9 katkaisee juosteen RNA-oppaan määräämässä paikassa, minkä jälkeen solun omat korjausmekanismit korjaavat juosteen. Tässä vaiheessa genomista voidaan poistaa tai siihen voidaan liittää uusia DNA-pätkiä. CRISPR-Cas9 toimii siis ikään kuin genomin ”hae ja korvaa”-toimintona. Tämän alkuperäisen geenisaksi-toiminnon lisäksi Cas9-proteiinista on kehitetty useita muokattuja versioita. Niiden avulla voidaan esimerkiksi säädellä geenin ilmentymistä tai leimata haluttu geeni fluoresoivalla merkkiproteiinilla (2). Geenien toiminnan tutkiminen aivoissa on erityisen haasteellista johtuen hermosolujen pitkälle erilaistuneesta luonteesta. Hermosolun ja sen geenien toiminta voi olla hyvinkin erilaista esimerkiksi aivojen eri osissa, riippuen solun mikroympäristöstä ja yhteyksistä muihin soluihin. Soluviljelmät ja eläinmallit ovat merkittävässä roolissa hermostosairauksien mekanismeja selvitettäessä ja uusien lääkkeiden kehityksessä. CRISPR-Cas9-tekniikan avulla voidaan muokata hermosolujen perimää eläinmallissa paikallisesti halutussa kohdassa aivoja ja jopa tietyssä solutyypissä (kuva 2) (3). Tätä voidaan hyödyntää esimerkiksi iän myötä kehittyvien hermorappeumatautien tutkimuksessa tai selvitettäessä tietyn geenin vaikutusta ahdistuneisuushäiriöiden syntyyn.

Kuva 1. CRISPR-Cas9-menetelmän periaate. RNA-opas (guide RNA), joka voidaan syntetisoida laboratoriossa, ohjaa emäspariutumisen avulla Cas9-entsyymin haluttuun kohtaan genomia. Cas9 katkaisee DNA-juosteen tarkasti tästä kohtaa. Solu korjaa DNA-säikeen käyttämällä joko NHEJ-reittiä (1), jossa katkenneen DNA:n päät liitetään yhteen ilman mallijuostetta. Tällöin DNA:n leikkauskohtaan jää tyypillisesti satunnaisia mutaatiota ja geenituotteesta tulee viallinen (poistogeeniset mallit).  Vaihtoehtoisesti voidaan hyödyntää solun HDR-reittiä (2), jossa solu korjaa katkaistun juosteen mallijuosteen avulla. Mallijuosteen avulla voidaan genomiin liittää haluttu uusi DNA-jakso. NHEJ=non-homologous end-joining, HDR=homology directed repair.

 

Valtaosa neurologisista ja psykiatrisista sairauksista on taustaltaan hyvin monimuotoisia, usean, jopa satojen geenivarianttien ja ympäristön yhteisvaikutuksen tuloksena syntyneitä. Esimerkiksi yleisintä muistihäiriöitä aiheuttavaa sairautta, Alzheimerin tautia, sairastavista vain alle yksi prosentti sairastaa taudin periytyvää muotoa (4). CRISPR-Cas9 mahdollistaa useiden mutaatioiden luomisen solu- tai eläinmallissa samanaikaisesti, mikä on tärkeää selvitettäessä geenien välisiä vuorovaikutuksia ja monitekijäisten tautien syntymekanismeja. CRISPR-Cas9:n avulla voidaan seuloa samanaikaisesti jopa kymmenien geenien vaikutusta ilmiasuun yksinkertaisissa mallieliöissä (esim. seeprakala) tai kantasoluissa. Siirtogeenisen hiirimallin luominen, joka ennen vei kaksikin vuotta, onnistuu nyt CRISPR-Cas9-tekniikalla edullisemmin ja alle puolessa vuodessa (kuva 2) (5).

Ehkä merkittävin CRISPR-Cas9-menetelmän etu on kuitenkin tekniikan hyödynnettävyys yli lajirajojen. CRISPR-Cas9 on toistaiseksi toiminut kaikissa testatuissa eliöissä sukkulamadoista apinoihin. Vaikka hiirimallit ovat erottamaton osa biolääketieteellistä tutkimusta, erityisesti korkeamman tason aivotoimintoja tutkittaessa niiden käyttömahdollisuudet ovat usein rajallisia. CRISPR-Cas9-tekniikan avulla voidaan kehittää uusia eläinmalleja esimerkiksi kädellisillä tai sosiaalisilla lintulajeilla. Lähemmin ihmisten tautia muistuttavat eläinmallit ovat olennaisia myös lääkekehitykselle, koska yli 80 prosenttia hiirimalleissa toimiviksi ja turvallisiksi testatuista lääkkeistä osoittautuu tehottomiksi ihmiskäytössä (6).

Entä ihminen? Voidaanko CRISPR-Cas9-menetelmää tulevaisuudessa käyttää sairauksien hoidossa tai jopa parantamaan pysyvästi perinnöllisiä hermosairauksia? CRISPR-Cas9-menetelmää kokeiltiin ihmisen geeniterapiassa ensi kertaa viime kesänä. Kiinalaiset tutkijat siirsivät keuhkosyöpäpotilaalle menetelmällä muokattuja immuunipuolustukseen osallistuvia T-soluja, tavoitteena tuhota kasvainkudos (7). Menetelmää on testattu myös ihmisalkioiden perimän muokkaamiseen (Suomessa ihmisen sukusolulinjan muokkaaminen ei ole sallittua). Vaikka näitä geenimuunneltuja alkioita ei ollut koskaan tarkoitus kasvattaa ihmiseksi asti, kokeilut aiheuttivat suurta kohua sekä tutkijapiireissä että mediassa.  Tieto CRISPR-Cas9:n sivuvaikutuksista on kuitenkin toistaiseksi riittämätöntä, jotta menetelmää voitaisiin käyttää laajamittaisesti sairauksien hoidossa. Emme tiedä tarkasti, kuinka usein CRISPR-Cas9 katkaisee DNA:ta väärästä kohdasta. Emme myöskään tiedä, millaisen puolustusreaktion vieraan proteiinin, Cas9:n, vieminen ihmiselimistöön saa aikaan. Tietomme sairauksien perusmekanismeista on liian vähäistä voidaksemme arvioida, mitä yhden geenin muokkaaminen saa kudoksessa aikaan pitkällä tähtäimellä.

Vielä on turhan varhaista sanoa, pystytäänkö CRISPR-Cas9-tekniikkaa tulevaisuudessa hyödyntämään hermoston sairauksien hoidossa. Periaatteessa menetelmää voitaisiin käyttää yhden geenin aiheuttamien sairauksien geenivirheiden korjaamiseen. Esimerkiksi ihmisellä vakavan keskushermoston rappeumasairauden, Huntingtonin taudin, aiheuttava mutaatio Huntingtin-geenissä on onnistuneesti korjattu CRISPR-Cas9-menetelmällä viljellyissä soluissa (8). Silmän verkkokalvon rappeumatautiin (retinitis pigmentosa) johtavan geenivirheen korjaaminen CRISPR-Cas9-tekniikalla rottamallissa puolestaan palautti osittain rottien näkökyvyn (9). Ennen tällaisten geenihoitojen mahdollistumista ihmisellä on kuitenkin ratkaistava monta suurta CRISPR-Cas9-tekniikkaan ja toisaalta hermosairauksien ominaispiirteisiin liittyvää ongelmaa. Suuri haaste on, miten geeniterapia saadaan kohdistettua oikeaan kudokseen ja solutyyppiin oikeaan aikaan. Monet hermoston sairaudet, kuten skitsofrenia ja perinnöllinen kehitysvammaisuutta aiheuttava fragiili X-oireyhtymä, ovat kehityksellisiä luonteeltaan. Tämä tarkoittaa, että hermosoluissa tapahtuu patofysiologisia muutoksia jo kehityksen aikana, ennen oireiden alkua. Tällöin geenivirheen korjaaminen sairauden puhjettua ei enää pysty parantamaan tautia. Toistaiseksi viallisen geenin korvaaminen CRISPR-Cas9-tekniikalla on myös ollut varsin tehotonta jopa jakautuvissa soluissa kuten maksan hepatosyyteissä (10), puhumattakaan jakautumattomista hermosoluista. Lisäksi on muistettava, että monitekijäisiä hermostosairauksia, joiden taustalla ovat geenien ja ympäristön monimutkaiset vuorovaikutussuhteet, ei voida hoitaa yhden geenin toimintaa korjaamalla.

CRISPR-Cas9-menetelmän kehitys on edennyt viime vuodet aallonharjalla ja tehnyt myös ihmisen perimän muokkaamisen mahdolliseksi tavalla, jota emme aiemmin osanneet kuvitellakaan. Menetelmästä on tullut pysyvä osa molekyylibiologian työkalupakkia ja se on nopeuttanut merkittävästi myös hermoston ja sen sairauksien tutkimusta. Nyt on korkea aika käydä laajaa yhteiskunnallista ja eettistä pohdintaa geenimuokkauksen käytön rajoista ja siitä, mihin tulevaisuudessa olemme menetelmää valmiita käyttämään.

 

Kuva 2. CRISPR-Cas9-menetelmän hyödyntäminen neurologisten tautien tutkimuksessa. Kun geneettisissä tutkimuksissa on löydetty yhteys tiettyjen geenien ja esimerkiksi Alzheimerin taudin välille, voidaan CRISPR-Cas9 tekniikkaa käyttää muokkaamaan alttiusgeenejä mallieliöissä. CRISPR-Cas9-tekniikan avulla pystytään nopeasti ja edullisesti luomaan tautimalleja esimerkiksi hiirellä (1). Eläinmalleissa voidaan tutkia erilaisten ympäristötekijöiden (esim. stressi, ruokavalio) ja geenien yhteisvaikutusta taudin syntyyn. CRISPR-Cas9 tekniikkaa voidaan käyttää myös geenin toiminnan tutkimiseen paikallisesti tietyllä aivoalueella, kuten muistin toiminnalle tärkeässä hippokampuksessa (2). CRISPR-Cas9 menetelmää hyödynnetään paljon myös viljellyissä soluissa (esim. hermosoluviljelmät), joissa geenin solutason vaikutusten tutkiminen on helpompaa (3). Jotta alttiusgeenien vaikutukset taudin syntyyn ja patofysiologiaan ymmärretään riittävän hyvin, tarvitaan yleensä perusteellisia tutkimuksia eri tasoilla (1-3). Tämä mahdollistaa taudin varhaisemman diagnosoinnin ja täsmähoitojen kehittämisen. Tulevaisuudessa joitakin tauteja voidaan mahdollisesti hoitaa CRISPR-Cas9-menetelmän avulla.

 

Tietoa kirjoittajasta: 

Aino Vesikansa toimii tutkijatohtorina Helsingin yliopiston HiLife-yksikössä Viikin kampuksella ja kehittää omassa työssään CRISPR-Cas9-menetelmiä ahdistuneisuushäiriöiden molekyylimekanismien tutkimukseen. Sähköposti: aino.vesikansa@helsinki.fi.

 

Viitteet:

  1. Jinek M, Chylinski K, Fonfara I, Hauer M, Doudna JA, Charpentier E. A programmable dual-RNA-guided DNA endonuclease in adaptive bacterial immunity. Science. 2012 Aug 17;337(6096):816-21.
  2. Hsu PD, Lander ES, Zhang F. Development and applications of CRISPR-Cas9 for genome engineering. Cell. 2014 Jun 5;157(6):1262-78.
  3. Heidenreich M, Zhang F. Applications of CRISPR-Cas systems in neuroscience. Nat Rev Neurosci. 2016 Jan;17(1):36-44.
  4. Van Cauwenberghe C, Van Broeckhoven C, Sleegers K. The genetic landscape of Alzheimer disease: clinical implications and perspectives. Genet Med. 2016 May;18(5):421-30.
  5. Cohen J. Mice made easy. Science. 2016 Nov 4;354(6312):538-42.
  6. Perrin S. Preclinical research: Make mouse studies work. Nature. 2014 Mar 27;507(7493):423-5.
  7. Cyranoski D. CRISPR gene-editing tested in a person for the first time. Nature. 2016 Nov 24;539(7630):479.
  8. Shin JW, Kim KH, Chao MJ, Atwal RS, Gillis T, MacDonald ME, et al. Permanent inactivation of Huntington’s disease mutation by personalized allele-specific CRISPR/Cas9. Hum Mol Genet. 2016 Sep 15.
  9. Suzuki K, Tsunekawa Y, Hernandez-Benitez R, Wu J, Zhu J, Kim EJ, et al. In vivo genome editing via CRISPR/Cas9 mediated homology-independent targeted integration. Nature. 2016 Dec 1;540(7631):144-9.
  10. Yin H, Xue W, Chen S, Bogorad RL, Benedetti E, Grompe M, et al. Genome editing with Cas9 in adult mice corrects a disease mutation and phenotype. Nat Biotechnol. 2014 Jun;32(6):551-3.

 

Fiksuja masennuslääkkeitä

Miten tämä lääke on niin fiksu, että se löytää masennuspaikan aivoistani ja korjaa sen?”.

Olin tekemässä tutkintooni kuuluvaa apteekkiharjoittelua, kun asiakas esitti minulle tämän kysymyksen. En muista selitystäni, mutta tuskin kumpikaan meistä oli siihen kovinkaan tyytyväinen. Kysymys jäi minua vaivaamaan ja on osaltaan vaikuttanut siihen miksi olen nyt etsimässä siihen parempia vastauksia. Palataan kuitenkin ensin ajassa hieman taaksepäin. Miten masennuslääkkeet saapuivat apteekkien hyllyille ja ihmisten koteihin? Miten masennusta ylipäätään päädyttiin hoitamaan lääkkein?

Lyhytaikaiset mielialan vaihtelut ovat tärkeä osa tunne-elämäämme. On normaalia reagoida suuriin vastoinkäymisiin ja henkilökohtaisiin menetyksiin surulla ja masentuneisuudella. Joskus masentuneisuus kroonistuu ja muuttuu vallitsevaksi – elämää hallitsevaksi – olotilaksi. Ajatukset täyttyvät alakuloisuudella ja itsesyytöksillä. Voi jopa tuntua ettei ole tarvetta elää. Tällaisella masentuneisuudella on huomattavia vaikutuksia vireystilaan, hyvinvointiin ja toimintakykyyn. Pahimmillaan masennus johtaa itsetuhoisuuteen, jopa itsemurhaan. Masennus ei ole vain aikamme ilmiö vaan vastaavaa oirehdintaa on kuvattu jo tuhansia vuosia sitten. Tehokkaita hoitokeinoja vakavan masennuksen hoitoon saatiin odottaa kuitenkin kauan.

Masennusta on historian saatossa hoidettu mitä erikoisimmin keinoin aina hypertermiasta hypoglykemiaan (insuliinishokit). Epileptisiä kohtauksia muistuttavia kouristuksia aiheuttavien yhdisteiden todettiin nopeasti ja varsin tehokkaasti lievittävän erilaisia psykiatrisia oireita 1900-luvun alussa. ”Hoitoihin” liittyi luonnollisesti huomattavia turvallisuusriskejä. ”Terapeuttinen kouristuskohtaus” saatiin aikaan myös johtamalla sähkövirtaa hallitusti ja lyhytaikaisesti potilaan aivoihin. Tämä 1930-luvulla kehitetty sähkö(konvulsiivinen)hoito on yksi tehokkaimpia ja kiistellyimpiä modernin psykiatrian hoitomuotoja. Hoito vähentää masennusoireita valtaosalla potilaista, joidenkin kohdalla jo ensimmäisten hoitokertojen jälkeen. Vaikka toimenpide suoritetaan nykyisin lievässä nukutuksessa, herättää se voimakkaita ennakkoluuloja. Kunpa sähkön voisi puristaa tablettimuotoon ja ottaa turvallisesti pienissä annoksissa runsaan veden kera.

Ensimmäiset suun kautta annosteltavat masennuslääkkeet löydettiin 1950-luvulla, kun imipramiini ja iproniatsidi nimisten kemikaalien havaittiin hitaasti – ja täysin sattumalta – lievittävän masennusoireita. Molempien yhdisteiden osoitettiin myöhemmin voimistavan ns. monoamiinien (serotoniini, dopamiini, noradrenaliini) vaikutuksia aivoissa. Syntyi masennuksen monoamiinihypoteesi: masennus johtuu monoamiinivajauksesta ja masennuslääkkeet normalisoivat tämän kemiallisen epätasapainon. Teoria kannusti kehittämään spesifisempiä ja tehokkaampia monoamiineihin vaikuttavia lääkkeitä. Tunnetuin näistä on selektiivinen serotoniinin takaisinoton estäjä fluoksetiini, jota markkinoitiin voimakkaasti 1980- ja 1990-luvuilla. Samaan aikaan masennuslääkkeitä kokeiltiin muidenkin sairauksien hoidossa ja lupaavia tuloksia saatiin erityisesti hermosäryn, pakko-oireyhtymän ja ahdistuneisuuden oireisiin. Masennuslääkkeet tarjosivat siten mullistavan mahdollisuuden hoitaa erilaisia psykiatrisia ja neurologisia oireita sairaalahoidon sijaan kotona. Masennuslääkkeiden käyttö yleistyikin nopeasti saavuttaen lakipisteensä vasta aivan viime vuosina. Masennuslääkkeitä käyttää vuosittain yli 400.000 suomalaista.

Masennuslääkkeet ovat viime aikoina olleet julkisen keskustelun ja kritiikin kohteena. Syystäkin. Lääkkeiden vaikutus ilmenee vasta viikkojen tai kuukausien viiveellä, jos ollenkaan. Arvioiden mukaan peräti noin kolmannes masennuspotilaista ei hyödy lainkaan saamastaan lääkehoidosta. Mitä lievemmästä masennuksesta on kysymys, sitä heikompi on vaste. Hoidosta voi jäädä käteen siis vain lääkkeiden haitat. Vaikka mahdolliset epätoivotut vaikutukset ovat yleensä lieviä ja lievittyvät entisestään käytön aikana, tilanne on enemmän kuin ongelmallinen. Reagointia lääkkeeseen kun ei voida täysin ennustaa yksittäisen käyttäjän kohdalla.

Masennuslääkitys on väitetty osatekijäksi jopa joihinkin äskettäin tapahtuneisiin tragedioihin (mm. kouluampumiset, Germanwings lento 9525). On herännyt kysymys kuinka tehokkaita ja turvallisia masennuslääkkeet oikein ovat? Kysymys liittyy asiakkaani esittämään kysymykseen: Miten tämä lääke on niin fiksu, että se löytää masennuspaikan aivoistani ja korjaa sen? Ottaen huomioon masennuslääkkeiden lukuisat käyttöaiheet, kysymystä voidaan entisestään laajentaa: Miten tämä lääke on niin fiksu, että se tietää mikä minua vaivaa ja korjaa sen?

Mitä muutoksia masennuslääkkeet aivoissa sitten oikein tekevät? Tutkimukset osoittavat masennuslääkkeiden käynnistävän hitaasti eteneviä muutoksia aivojen ns. muovautuvuusmekanismeissa. Masennuslääkkeet (ja sähköhoito) lisäävät esimerkiksi hermosolujen hyvinvointia ja hermoyhteyksien kasvua ja toimintaa edistävien tekijöiden kuten aivoperäisen hermokasvutekijän (BDNF) määrää aivoissa. Hermoyhteyksien lukumäärä ja niiden toiminta näyttäisivätkin tehostuvan masennuslääkityksellä. Masennuslääkkeet lisäävät myös uusien hermosolujen syntyä aivoalueilla, jossa tätä ns. neurogeneesiä vielä aikuisenakin ilmenee. Mitä hyötyä – tai haittaa – näistä muovautuvuuden muutoksista sitten on masentuneille?

masennusTutkimusten mukaan masennus ja pitkäkestoinen hallitsematon stressitila (yleinen tekijä masennuksen taustalla) alentavat BDNF pitoisuuksia, vähentävät hermoyhteyksien lukumäärää ja ikään kuin rappeuttavat hermosoluja. Stressihormonien uskotaan olevan yksi pääsyyllisistä muutosten taustalla. Kenties masennuslääkkeet normalisoivat masentuneiden aivoissa ilmeneviä ”hermorappeumamuutoksia” lisäämällä hermokasvutekijöiden vaikutuksia. Kuulostaako hieman monoamiinihypoteesilta? Kuulostaa.

Hermovälittäjäaineiden pitoisuudet, hermosolujen ja synapsien morfologia tai edes niiden lukumäärä ei määrittele aivojemme toimintaa. Keskeisempää on se minkälaisia yhteyksiä hermosolut muodostavat keskenään. Masennuslääke ei ole niin fiksu, että se osaisi neuvoa mitä yhteyksiä tulee muodostaa tai säilyttää ja mitä ei. Hermosolujen verkostoituminen tapahtuu aivoissa itsessään hermosolujen välisen viestinnän ja kehosta ja ympäristöstä tulevien ärsykkeiden ohjaamina. Ilmiö tunnetaan parhaiten aivojen kehityksen aikaisissa prosesseissa, jolloin hermoverkot ovat poikkeuksellisen herkkiä muovautumaan ympäristöstä saapuvan informaation ohjaamina. Hermoyhteyksien valikoituminen tapahtuu eräänlaisen kilpailun kautta, jossa parhaimman kontaktin saaneet kytkennät säilytetään. Herkän kehitysjakson jälkeen hermoverkkojen muovautuvuuskyky laskee huomattavasti, toisissa hermoverkoissa enemmän kuin toisissa.

Eläintutkimukset ovat osoittaneet, että masennuslääkkeet eivät ainoastaan lisää muovautuvuuteen liittyviä rakenteita vaan myös herkistävät aivojen hermoverkot muuttumaan. Aivan kuten tapahtuu kehityksen aikana, hermoyhteyksien (uudelleen)järjestäytymistä ohjaa aivojen sisäinen aktiivisuus ja ympäristöstä tuleva informaatio.

rantamaki_kuvitus_2016_v2Masennuslääkkeiden kyky alentaa aivojen kynnystä mukautua vallitseviin olosuhteisiin selittäisi monet masennuslääkkeisiin liitetyt mysteerit kuten yksilölliset vasteet hoidolle (toimii parhaiten yhdistämällä se toiminnalliseen terapiaan), terapeuttisen viiveen (hermoverkkojen mukautumiseen menee aikaa) ja lukuisat käyttöaiheet (masennuslääkkeet lisäävät monien hermoverkkojen muovautuvuutta). Masennuslääke ikään kuin tarjoaisi paremman mahdollisuuden parantua, ei muuta. Vaikka teoriaa ei ole yksiselitteisesti todistettu ja hyväksytty, antaa se toivottua uutta näkökulmaa ymmärtää masennuslääkkeiden vaikutuksia ja kehittää tehokkaampia hoitokeinoja. Terveysmarkkinoilla on tällä hetkellä toistakymmentä masennuslääkettä, joiden vaikutusmekanismi muistuttaa enemmän kemiallisia esi-isiään kuin tulevaisuuden innovaatioita.

Mielestäni alkaa olla korkea aika hylätä ajatus fiksuista masennuslääkkeistä ja etsiä niiden tehon selittäjää viisaista aivoistamme.

Tietoa kirjoittajasta:

Tomi Rantamäki toimii Akatemiatutkijana Helsingin yliopiston Biotieteiden laitoksella Viikissä. Ryhmä tutkii uusia innovatiivisia neuroterapeuttisia hoitomuotoja keskushermostosairauksien hoidossa. www.helsinki.fi/biosciences/physiology/rantamaki Sähköposti: tomi.rantamaki@helsinki.fi.

Viitteet:

  • Castrén E. Is mood chemistry? Nat Rev Neurosci 2005;6(3):241–6.
  • Castrén E, Rantamäki T. The role of BDNF and its receptors in depression and antidepressant drug action: reactivation of developmental plasticity. Dev Neurobiol 2010;70(5):289–97.
  • Duman RS, Heninger GR, Nestler EJ. A molecular and cellular theory of depression. Arch Gen Psychiatry 1997;54(7):597–606.
  • Hensch TK. Critical period plasticity in local cortical circuits. Nat Rev Neurosci 2005;6(11):877–88.
  • Karpova NN, Pickenhagen A, Lindholm J, Tiraboschi E, Kulesskaya N, Agústsdóttir A, et al. Fear erasure in mice requires synergy between antidepressant drugs and extinction training. Science 2011;334(6063):1731–4.
  • Maya Vetencourt JF, Sale A, Viegi A, Baroncelli L, De Pasquale R, O’Leary OF, et al. The antidepressant fluoxetine restores plasticity in the adult visual cortex. Science 2008;320(5874):385–8.

Optogenetiikka – valo ja luonto aivotutkimuksen apuna

Näin kesän kynnyksellä huomiomme saattaa kiinnittyä lisääntyvän valon määrään, kärpästen surinaan ja kevään ensimmäisten kukkien puhkeamiseen. Tiedämme valon tärkeän merkityksen luonnolle ja elämälle. Valon avulla kasvit ja levät yhteyttävät, ja tuottavat elämällemme tärkeää happea. Pystymme myös havainnoimaan ympäristöämme, ja esimerkiksi tämän kirjoituksen sanomaa valon ja näköaistin välityksellä.

Tässä suhteessa lienee ymmärrettävää, että monet valon säätelemistä tapahtumista ovat osin riippuvaisia keskenään samankaltaisten, luonnossa esiintyvien tekijöiden toiminnasta. Voimmekin hyvin nimittää näitä tekijöitä valoherkiksi toimijoiksi. Silmän verkkokalvon valolle herkkä toimija, opsiinista ja retinaalista koostuva rodopsiini välittää valon fotonin energian näköhavainnoksi. Fotonin osuminen retinaaliin saa aikaan retinaalimolekyylissä tapahtuvan rakennemuutoksen, tiettyjen verkkokalvon solukalvon kanavien aukeamisen, ja solujen aktiivisuuden muutoksen. Tämä tapahtumaketju tulkitaan lopulta aivoissa esimerkiksi näytöllä näkyväksi blogitekstiksi. Samaan tapaan pieni, yksisoluinen levä löytää yhteyttämiseen tarvittavan valoenergian. Auringonvalon osuminen levän pinnan valolle herkkiin kanavarodopsiineihin muuttaa niiden sisältämän opsiinin rakennetta, johtaen kanavarodopsiinin aukeamiseen, ja kahden liikuntaelimenä toimivan rihman liikehdinnän muuttumiseen. Tämän ansiosta liike ohjautuu yhteyttämiselle elintärkeää valoa kohden, näin suunnistaa muun muassa Chlamydomonas reinhardtii-niminen levä.

Miten levät ja aivotutkimus liittyvät toisiinsa?

Koska aivot ovat sähköisesti toimiva elin, eräs suurimmista haasteista on ollut löytää sopivia, ja tarpeeksi tarkasti toimivia työkaluja solujen välisen vuoropuhelun tutkimiseen. Sähkö itsessään on työkaluna yksi mahdollisuus, mutta varsin epätarkka hermosolujen sähkökemiallisen luonteen vuoksi. Sähkön vaikutuksesta myös iso joukko soluja, jotka eivät ole tutkimuksen kohteena saattavat aktivoitua hermosolujen tiheiden yhteyksien ansiosta.

Tämä ongelma tunnustettiin jo vuosikymmeniä sitten, ja DNA:n rakenteen toinen keksijä Francis Crick ehdotti jo 1970-luvun lopussa että ihanteellinen työkalu hermosolujen tutkimiseen saattaisi olla valo. Valon ajateltiin sopivan työkaluksi, koska valopulssin pituus on säädeltävissä millisekuntien tarkkuudella, ja kohdistettavissa vain haluttuihin soluihin. Valitettavasti tuohon aikaan sopivia työkaluja haluttujen hermosolujen muuttamiseksi valoherkiksi ei ollut olemassa. Parissa vuosikymmenessä pieni valon mukaan suunnistava levä ja aivotutkijat ovat kuitenkin löytäneet toisensa, ja tämä voidaan laskea muutaman alan pioneerin ansioksi.

Näihin pioneereihin kuuluvat mm. Gero Miesenböck joka ensimmäisenä osoitti vuonna 2002, että rotan aivoista eristetyt normaalisti valoon reagoimattomat hermosolut saadaan aktivoitua valolla kun niihin siirretään banaanikärpäsen valoärsykkeille herkän reseptorijärjestelmän osia (1). Vuotta myöhemmin Georg Nagel, Peter Hegemann ja Ernst Bamberg selvittivät ensimmäisinä Chlamydomonas reinhardtii –levän erään kanavarodopsiinin (kanavarodopsiinin-2) toiminnan (2). Vuonna 2005 Edward Boyden ja Karl Deisseroth siirsivät kanavarodopsiini-2:den ensimmäisinä hermosoluihin, ja kykenivät säätelemään hermosolujen toimintaa millisekuntien tarkkuudella (3). Tätä optiikan (valo-opin) ja genetiikan menetelmiä yhdistävää menetelmää alettiin kutsua optogenetiikaksi.

Optogenetiikan mahdollisuudet ja valoisa tulevaisuus

Optogenetiikalla on myös mielenkiintoisia lääketieteellisiä sovelluksia. Tänä vuonna Yhdysvalloissa on käynnistynyt tutkimus, jossa kanavarodopsiini-2 geeniterapiaa käytetään silmän verkkokalvorappeuman (retinitis pigmentosa) hoidossa. Tästä sairaudesta kärsivillä henkilöillä silmän verkkokalvon valoa aistivat solut tuhoutuvat, ja näkökyky häviää osittain tai kokonaan. Hiljattain käynnistyneissä, RetroSense -yrityksen tutkimuksissa potilaiden verkkokalvon jäljellä olevat solut pyritään saamaan valoa aistiviksi viemällä niihin kanavarodopsiini-2 geeni, ja näin palauttamaan näkökyky ainakin osittain. Tältä osin eläimillä suoritetut alustavat geeniterapiatutkimukset ovat olleet lupaavia (4). Samaan tapaan optogenetiikka saattaa tarjota uusia menetelmiä hermostosairauksien, kuten Parkinsonin taudin tai epilepsian hoitoon. Tutkijat saattavat tulevaisuudessa pystyä käyttämään optogeneettisiä työkaluja tiettyjen aivoalueiden häiriintyneen aktiivisuuden säätelemiseksi, ja oireiden lieventämiseksi. Toisaalta optogeneettisillä työkaluilla on pystytty palauttamaan Alzheimerin tautia sairastavan tutkimuseläimen muistoja(5).

Yhtenä optogeneettisen teknologian soveltamisen haasteena on kallon, ja aivokudoksen huono läpäisevyys valolle. Esimerkiksi kanavarodopsiini-2 toimii parhaiten kudoksia huonosti läpäisevän sinisen valon vaikutuksesta. Viimeaikoina tutkijat ovatkin etsineet ja löytäneet kudoksia hyvin läpäisevälle punaiselle ja lähi-infrapunavalolle reagoivia muunneltuja optogeneettisiä toimijoita. Näiden avulla on jo kyetty vaikuttamaan syvemmällä olevien hermosolujen toimintaan jopa kallon läpi (6). Jää nähtäväksi pystymmekö tulevaisuudessa hoitamaan aivosairauksista kärsiviä potilaita non-invasiivisesti, eli käytännössä valaisemalla potilaan kalloa punaisella valolla.

Opto_zfishblogi

Kuva: Kuvassa näkyy kuinka tutkimuseläimenä käytetyssä seeprakalan alkiossa on säädelty geenien ilmentymistä valon avulla. Kuvan esimerkissä Valo-ryhmän alkioita on kasvatettu sinisen valon vaikutuksessa. Geenin tuottama, vihreänä fluoresoiva proteiini näkyy kirkkaana kehittyvän kalan kudoksissa. Kun kaloja pidetään pimeässä, fluoresoivaa proteiinia ei ilmenny.

Kuluneen kymmenen vuoden aikana optogenetiikka on kasvanut hermosolujen aktiivisuuteen valolla vaikuttavasta menetelmästä laajaksi tutkimuskentäksi. Valon avulla tutkija voivat säädellä haluttujen solujen aktiivisuutta, solujen sisältämien proteiinien kulkeutumista solun osasta toiseen, solujen liikkumista ja vaikuttaa esimerkiksi haluttujen geenien ilmentymiseen ja proteiinien tuottamiseen (7). Viimeaikaisissa tutkimuksissa on pystytty valjastamaan jopa kolme eri valon aallonpituutta (ultravioletti, sininen, ja punainen) kolmen eri geenin ilmentymisen samanaikaiseen säätelyyn (8). Optogenetiikan tulevaisuus näyttääkin valoisalta, ja mahdollisia biolääketieteellisiä ja teollisia sovelluksia on paljon. Optogenetiikan kehitys osoittaa mainiosti tutkimuksen laaja-alaisuuden ja siihen panostamisen yhteiskunnallisen merkityksen. Harvemmin tulee ajatelleeksi kärpästen ja levien yhteyttä aivotutkimukseen ja vakavien hermostosairauksien hoitoon.

 

Jari


Tietoa kirjoittajasta:

Jari Rossi toimii Akatemiatutkijana Helsingin yliopiston Medicumissa. Ryhmä tutkii lihavuuden ja diabeteksen mekanismeja ja kehittää optogeneettisiä työkaluja, joilla voidaan säädellä geenien ilmentymistä valon avulla.

 

Viitteet:

  1. Zemelman BV, Lee GA, Ng M, and Miesenbock G. Selective photostimulation of genetically chARGed neurons. Neuron. 2002;33(1):15-22.
  2. Nagel G, Szellas T, Huhn W, Kateriya S, Adeishvili N, Berthold P, Ollig D, Hegemann P, and Bamberg E. Channelrhodopsin-2, a directly light-gated cation-selective membrane channel. Proc Natl Acad Sci U S A. 2003;100(24):13940-5.
  3. Boyden ES, Zhang F, Bamberg E, Nagel G, and Deisseroth K. Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity. Nat Neurosci. 2005;8(9):1263-8.
  4. Bi A, Cui J, Ma YP, Olshevskaya E, Pu M, Dizhoor AM, and Pan ZH. Ectopic expression of a microbial-type rhodopsin restores visual responses in mice with photoreceptor degeneration. Neuron. 2006;50(1):23-33.
  5. Ryan TJ, Roy DS, Pignatelli M, Arons A, and Tonegawa S. Memory. Engram cells retain memory under retrograde amnesia. Science. 2015;348(6238):1007-13.
  6. Chuong AS, Miri ML, Busskamp V, Matthews GA, Acker LC, Sorensen AT, Young A, Klapoetke NC, Henninger MA, Kodandaramaiah SB, Ogawa M, Ramanlal SB, Bandler RC, Allen BD, Forest CR, Chow BY, Han X, Lin Y, Tye KM, Roska B, Cardin JA, and Boyden ES. Noninvasive optical inhibition with a red-shifted microbial rhodopsin. Nat Neurosci. 2014;17(8):1123-9.
  7. Muller K, and Weber W. Optogenetic tools for mammalian systems. Molecular bioSystems. 2013;9(4):596-608.
  8. Muller K, Engesser R, Schulz S, Steinberg T, Tomakidi P, Weber CC, Ulm R, Timmer J, Zurbriggen MD, and Weber W. Multi-chromatic control of mammalian gene expression and signaling. Nucleic acids research. 2013;41(12):e124.

Uni huoltaa koko kehoa

Aivot ovat osa kehoa

Aivot ovat pitkälle erikoistuneet ja sijaitsevat suojassa veri-aivoesteen takana, mutta niiden perustarpeet ovat samat kuin muullakin kehollamme: toimiva energia-aineenvaihdunta, kyky syntetisoida ja käsitellä erilaisia molekyylejä sekä puolustus häiriöitä vastaan. Näin ajatellen ei ole yllätys, että unen puute vaikuttaa paitsi aivojen, myös muun kehon terveyteen.

Viimeisten parin vuosikymmenen aikana on selvinnyt, että unen puute ravistelee moninaisia kehon toimintoja, erityisesti kuitenkin energia-aineenvaihduntaa ja immuunijärjestelmää. Väestötutkimukset ovat osoittaneet, että henkilöillä, jotka nukkuvat lyhyeen tai kärsivät huonosta unesta on kohonnut riski sairastua mitä erilaisimpiin sairauksiin, mukaan lukien tyypin 2 diabetes ja verisuonten kalkkeutuminen. Aivosairauksista riski sairastua depressioon ja neurodegeneratiivisiin sairauksiin, kuten Alzheimerin tautiin, on lisääntynyt. Mutta miten pelkkä vajavainen uni voi altistaa näin vakaviin seurauksiin?

Useissa laboratorioissa on järjestetty kokeita, joissa nuoria, terveitä koehenkilöitä pidetään valveilla joko kokonaan esimerkiksi 1-2 vuorokauden ajan, tai unta rajoitetaan, usein 4 tuntiin yössä viikon ajan. Koehenkilöt ovat unilaboratoriossa tarkan silmälläpidon alaisina: heidän aivosähkökäyräänsä ja muita elintoimintoja rekisteröidään jatkuvasti, ja verinäytteitä otetaan ennen kokeen alkua, sen loputtua ja toipumisjakson aikana.

Verinäytteistä mitataan monenlaisia asioita – voidaan esimerkiksi eristää valkosolut ja tehdä niistä koko genomin kattava geeninilmenemisanalyysi. Kun tätä verrataan normaalisti nukkuvien ilmentymisanalyysiin, saadaan tietoa siitä mitkä geenit unen estyminen aktivoi.

Univaje edistää monien sairauksien syntyä

Kun mitataan verensokeri ja – insuliini, huomataan, että insuliinia erittyy normaalia enemmän, jolloin verensokerin ja insuliinin suhde rupeaa muistuttamaan insuliiniresistenssissä tavattavia arvoja, ja insuliiniresistenssi puolestaan on tyypin 2 diabeteksen esiaste. Uunituoreessa tutkimuksessa olemme todenneet, että kolesterolin takaisinkuljetuksen molekyylejä koodaavien geenien ilmeneminen väheni univajeessa, vihjaten siihen, että univaje heikentää kolesterolin kuljetusta. Kolesterolin kertyminen verisuoniin takaisinkuljetuksen estyessä on yksi ateroskleroosin syntyä edistävistä mekanismeista. Väestöaineistoissa havaittiin sekä geenipolkujen muutoksia että itse ”hyvän” kolesterolin vähenemistä niillä henkilöillä, jotka kärsivät univajeesta. Samasta kokeesta ja epidemiologisista aineistoista havaittiin myös immunologisesta aktivaatiosta kertovien geenien ja geenipolkujen ilmenemisen lisääntymistä. Monien yleisten sairauksien taustalta löytyy matala-asteinen tulehdus – samankaltainen, kuin univajeessa havaitsimme. Käsityksemme onkin, että keho lukee univajeen uhkaksi ja käynnistää puolustusreaktion, jonka ensimmäisessä vaiheessa käynnistyy luonnollinen immuunivastereaktio (innate immunity). Univajeen pitkittyessä immuunivasteen ylläpito muokkaa myös energia-aineenvaihduntaa, sillä puolustuksen ylläpito vaatii energiaa, joka on kanavoitava muista kehon toiminnoista. Tämä tasapainosta järkkynyt aineenvaihdunta altistaa sitten sairauksille.

Aivojenkin täytyy osata puolustautua

Miksi tällaiset asiat kiinnostavat aivotutkijaa? Aivoilla on oma immuunijärjestelmänsä, jonka kivijalan muodostavat mikrogliasolut. Tutkimuksen kohteena onkin, aktivoituvatko nämä solut aivoissa unen puutteen aikana, ja voisiko tämä aktivoituminen johtaa samantapaisiin matalan tason immunologiseen aktivoitumiseen kuin muualla elimistössä on todettu? Tämä voisi olla mekanismi, jolla unen puute lisää Alzheimerin taudin riskiä – ja myös muiden neurodegeneratiivisten tautien riskiä, joiden synnyn osasyynä pidetään neuroinflammaatiota.

 

tarja_stenberg_kasvo_2014

Tietoa kirjoittajista: 

Tarja Stenberg toimii ryhmänjohtajana Helsingin yliopiston Medicumissa ja tutkii unen laatuun ja määrään vaikuttavia biologisia tekijöitä sekä selvittää, millaisia terveydellisiä vaikutuksia unihäiriöillä ja riittämättömällä nukkumisella voi olla.  http://www.helsinki.fi/science/helsleep/. Sähköposti: tarja.stenberg@helsinki.fi

 

 

Viitteet ja lisää lukemista

Kokeellinen tutkimus omasta tutkimusryhmästä

Klassikkoja maailmalta

Väestötutkimuksia

 

 

 

Aivot ovat mielen tyyssija ja mitä täydellisimmin organisoitunut, hoitoa vaativa pääte-elin

Aivojen monimutkaisuus on monta kertaluokkaa suurempi kuin minkään kosmoksen rakenteen, sanoo fyysikko Sir Roger Penrose. Niinpä luisen kallomme suojassa on täydellisimmin organisoitunut osa universumia, joskin kosmologian mittakaavassa pienen pieni. Rakenteen sisälle mahtuu laaja mittakaavojen kirjo yksittäisten hermosolujen ja niiden välisten liitosten eli synapsien tasolta kohti kognitiivisten systeemien makrotasoa. Jokaisen tason toiminta on kiinteästi sidoksissa toisiin tasoihin, näin muodostaen monitasoisen verkostojen verkoston, joka toimii ihmismielen dynaamisena tyyssijana tuottaen taso tasolta ominaisuuksia ja lisäarvoja, joka eivät ole redusoitavissa sitä muodostaviin peruspalikoihin.

Verkostonäkökulma auttaa ymmärtämään aivojen rakenteen arkkitehtuuria, sitä tapaa jolla hermosolut, niiden ”kaapelit” eli aksonit ja dendriitit, kytkeytyvät toisiinsa synapseilla, sekä niiden toiminnan arkkitehtuuria, kykyä tuottaa reaktioita niin korkealla tasolla kuin monimutkaiset fysiologiset vasteet ja käyttäytyminen vaativat. Organisoituneisuus onkin tarpeen, kun yksittäisellä hermosolulla voi olla jopa 200 000 synapsia ja kun rakenteen kompleksisuus lisääntyy eksponentiaalisesti hermostollisten yksiköiden lukumäärän kasvaessa. On helppo ymmärtää, että pyrkimys verkostoaivojen tarkasteluun ja mallintamiseen vaatii korkean tason matemaattista ja laskennallista lähestymistapaa. Monia neurotieteen keskeisiä kysymyksiä voidaankin hedelmällisesti lähestyä verkostojen näkökulmasta ja verkkoteoreettista osaamista hyödyntämällä, ja tätä suuntausta edustaa puhtaimmillaan laskennallinen neurotiede.

Neurotieteen kirjo on kohteensa mukaisesti laaja. Kuten oheisessa kuvassa, kulkiessamme aivojen toiminnallisten rakenneverkkojen makrotasolta kohti solutasoa törmäämme lopulta perustason rakennepalikkaan, jota kutsutaan neurovaskulaariseksi yksiköksi. Siinä näemme verisuonen sitä ympäröivine ja sisältä vuoraavine soluineen, solunulkoisen tilan, hermosolut ja niiden välisen liitoksen, synapsin. Tämä yksikkö, jonka toiminta on ratkaisevasti häiriintynyt neurologisissa sairauksissa aivoverenkiertohäiriöistä Alzheimerin tautiin, voidaan nähdä tässä yhteydessä eräänlaisena puuttuvana renkaana: se muistuttaa meitä aivojen roolista elimistömme osana ja mitä tärkeimpänä pääte-elimenä – tässä merkityksessä siis osana ”lihaa ja verta” meissä, kudoksena kudosten joukossa.

LSkuva

 

Neurologian näkökulma aivoihin on ensisijaisesti sairauslähtöinen, se on oppi hermoston sairauksista ja niiden lääkehoidosta. Voimme puhua tämän mutkikkuudessaan mielikuvitusta uhmaavan rakenteen terveydestä ja sairaudesta, voimme todeta sen ehdottoman riippuvuuden sydän- ja verenkiertoelimistömme tai vaikkapa immuunijärjestelmämme tilasta, ja voimme havaita, miten altis se on ulkoisille traumoille. Kosmoksen organisoituneimman aarteemme toiminta, hyvinvointi ja elämänkaari kytkeytyvät arkipäiväisiltä kuulostaviin riskitekijöihin kuten verenpaine, sokeritasapaino, lihavuus tai sydämen rytmihäiriötaipumus, ja elämäntapavalintoihin, mitä ja miten syömme, juomme ja hengitämme; mitä harrastamme, mille altistumme…ja vastaavasti elimenä se on altis vaikkapa tulehduksellisten tai geneettisten tekijöiden välittämille häiriöille, ulkoisten voimien aiheuttamista vammoista puhumattakaan. Aivojen omistajan ohella aivojen kanssa työtä tekevä on paljon haltijana.

Edelläkuvatun aivodualismin ”lihallinen” luonne on se, joka luo kysynnän neurologialle, mutta tälläkään kentällä kohdetta ei voi redusoida tämän mukaiseksi. Neurotieteellinen perustutkimus ja translationaalinen lääketiede kietoutuvat erottamattomasti yhteen kliinisen neurotieteen kanssa, ja lähestymistavat oivallisesti ruokkivat toisiaan, päivittäin, tutkimuskohteen ihmeiden äärellä. Neurologin näkökulmasta perustutkimuksen soveltavasta tutkimuksesta erottava poliittinen keskustelu tuntuu erityisen keinotekoiselta.

Tutkimuksen ja hoidon ohella neurologiankin kenttään jää luontevasti vielä yksi merkittävä missio, ja sitä voitaisiin kutsua apostoliseksi: aivojen haltijan tietoisuuden lisääminen tärkeimmän pääte-elimensä ja mielensä tyyssijan terveyden säilyttämiseksi, ja aivoja säilyttävien valintojen puolesta puhuminen kaikilla tasoilla. Nykyhetkessä, kaiken niukkuuden ja priorisoinnin edessä, tämä ”pro aivot”-ääni on saatava kuuluviin – kaikkien neurotieteilijöiden voimin.

 

Tietoa kirjoittajasta:

Lauri Soinne on toiminut Helsingin yliopistollisen keskussairaalan neurologian klinikassa osastonylilääkärinä. Hänen tutkimusryhmänsä syventyy aivoverenkierron fysiologiaan ja aivorungon toiminnan ulottuvuuksiin erityisesti sentraalisen tasapainojärjestelmän kannalta. Sähköposti: lauri.soinne@helsinki.fi

 

Viitteet:

Aivojen pikkuruiset muistiyksiköt ja oppiminen

Hermosolut viestivät toisten hermosolujen kanssa synapseiksi kutsuttujen liitosten kautta. Hermosoluja aktivoivat synapsit sijaitsevat pienen pienissä nystyröissä, joita kutsutaan dendriittien okasiksi (katso kuva: ”Alkutilanne”). Okasten koko määrittää synapsin tehokkuutta ja pysyvyyttä. Kun opimme uusia taitoja, meille muodostuu uusia okasia (Fu ym., 2012) (kuva: ”Oppiminen”). Samalla ”turhat” okaset surkastuvat pois (kuva: ”Harjoitus”). Okasia voidaankin pitää aivojen pieninä muistiyksiköinä. Niitä lisäämällä ja poistamalla, ja niiden tehoa kasvattamalla tai vähentämällä, aivot muokkaavat toimintaansa ja tallentavat uusia taitoja muokattuihin synapsipolkuihin (Hofer ja Bonhoeffer, 2010). Esimerkiksi kielen opiskeluun liittyen voidaan ajatella, että jokaista uutta opittavaa/muistettavaa sanaa kohti tarvitaan tietty määrä uusia okasia. Kun sanoja harjoitellaan, niiden muistamisesta vastuussa olevat okaset muuttuvat isommiksi, tehokkaammiksi ja –pysyvämmiksi (kuva: ”Harjoitus”). Jos sanaa taas ei käytetä pitkään aikaan, synapsi heikkenee ja okanen kutistuu. Okanen kuitenkin säilyttää paikkansa hermoradassa, vaikkei se olisikaan aktiivisessa käytössä. Jos sana otetaan taas myöhemmin käyttöön, on olemassa olevien synapsien vahvistaminen paljon helpompaa kuin niiden uudelleen luominen. Saman ilmiön voi havaita arjessa, kun opettelee uudelleen taitoa, jonka on jo kerran oppinut ja osannut, mutta sittemmin jättänyt käyttämättä.

Oppiminenmalli

Kuva: Mallikuva havainnollistaa oppimisessa tapahtuvia muutoksia okasissa. Kuvassa näkyy yhden hermosolun dendriitit ja dendriitillä olevat okaset ja toisen hermosolun aksoni. Tämä kuvasarja on tehty kuvamanipulaatiolla eikä siis ole oikea tutkimustulos.

Nykyisin tuntuu olevan vallalla ajattelu, että asioita ei tarvitse oppia koska tieto löytyy internetistä. On kuitenkin hyvä muistaa, että opittavia asioita ei voi ymmärtää, jos asian ymmärtämistä edellyttävien peruskäsitteiden ja termien merkitystä ei opita. Okasten kautta ajateltuna, uusille asioille pitää muodostaa uudet okaset, mikä yleensä tarvitsee toistoja. Kielen oppiminen on tässäkin hyvä esimerkki. Pystyäkseen puhumaan kieltä sujuvasti, pitää ensin hallita hyvin kielen sanat ja kieliopin perusteet, kielen kulttuurin ja ääntämyksen. Jokaista sanaa pitää toistaa monta kertaa, että se jää pysyvästi muistiin. Kaikille lienee myös selvää, että kun kieltä osaa hyvin, sen käytössä voi soveltaa, rikkoa sääntöjä ”oikein”. Sama pätee muihinkin opittaviin asioihin. Jos asioita ei osaa sujuvasti, niitä ei voi ymmärtää tai soveltaa. Pelkkä tiedon hetkellinen tietäminen ei riitä. Tämä on hyvä muistaa myös puhuttaessa peruskoulun opetuksesta. Nykyisin keskustellaan paljon siitä, että koulussa tulisi keskittyä enemmän tiedon käsittelyn opetteluun sen helpon saatavuuden vuoksi ja toisaalta ilmiöpohjaiseen oppimiseen. Lasten järjestelmälliselle hermoratojen rakentumiselle on kuitenkin tärkeää, että myös nykymuotoisessa koulussa paneudutaan opittavien asioiden huolelliseen harjoitteluun. Hyvin rakennettuun hermoverkkoon on helppo lisätä tietoa ja opittuja asioita ja niiden yhdistely ja jäsentely sujuu mallikkaasti.

Mielenkiintoinen huomio on myös se, että ihmisten älykkyystesteillä mitattu älykkyys on kasvanut länsimaissa aina noin 2000 luvulle asti (Flynn, 2012), mutta viimeisimmät tulokset kertovat myös päinvastaisesta ilmiöstä, Suomi mukaan lukien (Dutton ja Flynn, 2013; Shayer ja Ginsburg, 2009). Laskun taustalla olevia syitä lienee useita ja yksinkertaista syy-seuraussuhdetta lienee mahdotonta rakentaa yksittäisten tekijöiden välille. On kuitenkin todennäköistä, että ilmiön taustalla on yhteiskuntien kulttuuris-taloudellis-teknologinen kehitys. Esimerkiksi 1990-luvulla internetin käyttö yleistyi ja on mahdollista, että internet on vähitellen korvannut ihmisten omat muistipankit.

Yleisesti tiedetään, että aivojen aktiivinen käyttö, ja aivojen haastaminen, ehkäisee muistin heikentymistä vanhuusiässä, dementiaa (Hall ym., 2009). Dementiassa synapsit ja okaset tuhoutuvat pikku hiljaa. Oppikaa siis ja käyttäkää aivojanne, älkää jättäytykö internetin tiedon varaan. Ja arvostakaa koulussa tehtävää ensiarvoisen tärkeää verkoston perusrakennusta, sillä on merkitystä niin lasten ajattelutaidoille kuin heidän hyvinvoinnilleen nyt ja tulevaisuudessa.

Ymmärrys oppimisessa tapahtuvista biologisista prosesseista ja lasten koulussa oppimisen seuranta luovat yhdessä edellytykset tutkimustietoon perustuville koulutuspoliittisille päätöksille, jolloin ei tarvitse arvailla parhaita ratkaisuja. Toivottavasti tätä mahdollisuutta myös käytetään päätöksiä tehdessä!

PirtaRisto


Tietoa kirjoittajista: 

Pirta Hotulainen toimii ryhmänjohtajana Lääketieteellinen Tutkimuslaitos Minervassa ja omassa työssään hän tutkii miten hermosolujen yhteyksien toimivuutta ja määrää säädellään. Sähköposti: pirta.hotulainen@helsinki.fi

 


Risto Hotulainen toimii apulaisprofessorina Helsingin yliopiston Koulutuksen arviointikeskuksessa ja hän tutkii koulutuksen arvioinnin ohella ajattelu- ja oppimaan oppimisen taitojen kehittymistä. Sähköposti: risto.hotulainen@helsinki.fi

 

 


Viitteet: