Marie Carlén

Ragnar Söderbergforskare i medicin // År: 2012 //
Anslagsförvaltare: Karolinska Institutet // Belopp: 8 000 000 kr

Min forskning

Optogenetisk analys av kognition

Det långsiktiga målet med forskningen är att klargöra hur hjärnan utför vissa grundläggande kognitiva processer som är nödvändiga för att en individ skall kunna leva ett meningsfullt liv. Kognition är mentala processer som gör att vi kan fokusera, tänka, minnas och förstå. Många psykiska sjukdomar, till exempel schizofreni och autism, kännetecknas av förändrad kognition. Trots omfattande forskning finns det idag inga verksamma mediciner mot dessa sjukdomar, mycket beroende på att vi inte förstår hur hjärnan utför mentala processer eller hur förändringar i hjärnan kan leda till förändrad kognition och psykisk sjukdom.

Forskning på hjärnan har begränsats av tekniska svårigheter, vilket bland annat resulterat i en allvarlig försening av utvecklingen av effektiva psykofarmaka. Det har också bidragit till den fortsatta stigmatiseringen av individer drabbade av psykisk sjukdom. Den nya teknologin optogenetik låter oss nu för första gången, med hjälp av ljus, direkt manipulera hjärnans nätverk av nervceller. Genom att tillföra ljus via en optisk fiber kan vi aktivera eller inaktivera utvalda nervceller i möss och råttor som utför kognitiva tester. På detta sätt kan vi följa vilka celler och nätverk i hjärnan som är direkt involverade i de kognitiva processerna och även se hur förändrad kognition påverkar djurens beteende.

Om vi kan demonstrera hur hjärnan normalt utför mentala processer, så kan vi också förstå vad som går fel vid psykisk sjukdom. Optogenetik är den teknik som för närvarande driver forskningen på hjärnan framåt och aldrig tidigare har vår förståelse av hjärnan ökat så snabbt.

 

Lärande påsk

Det är sällan jag går på 30 föreläsningar och finner alla lika intressanta, och relevanta. Att konferensen sedan var ett europeiskt initiativ gör det bara än bättre – Det är på tiden att vi på allvar börjar hävda oss mot den amerikanska dominansen.

Här bloggar våra Ragnar Söderbergforskare i medicin. Följ deras spännande arbete!

Research

Cognition encompasses an array of domains, including sensory processing, perception, attention and working memory. Proper cognitive functions are thus essential for most aspects in our everyday life. Cognition is changed in disorders such as schizophrenia and autism. Extensive evidence exists that cognitive functions depend on synchronization of neuronal activity within and between brain areas.

Synchronization of neuronal activity depends on interplay between excitation and inhibition, and the inhibitory PV interneurons are key players in this interplay. Data support that the excitation-inhibition balance and synchrony is deficient in psychiatric disorders with cognitive dysfunctions. The new technique optogenetics employs light to activate or inhibit neurons. Genetic targeting of light-sensitive proteins to selected neuronal populations enables detailed analysis of their role in brain processes and behaviors.

We are using optogenetics to establish the physiological and cellular basis for cognition, focusing on attention and working memory. With the use of Cre-loxP strategies, we are manipulating the PV interneurons in prefrontal cortex during attention and working memory tasks, and analyze the effects on synchronization of brain activity and cognitive performance in the tasks. We hope that this strategy will not only decipher cognition, but also let us establish cellular underpinnings of dysfunctional cognitive functions and behavioral changes in psychiatric disorders.

Publikationer i urval

1. Siegle JH, Carlén M, Meletis K, Tsai L-H, Moore CI, Ritt J. Chronically implanted hyperdrive for cortical recording and optogenetic control in behaving mice Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. 2011 Aug; 7529-32 PMID: 22256080

2. Carlén M*, Meletis K*, Siegle JH, Cardin JA, Futai K, Vierling-Claassen D, Rühlmann C, Jones SR, Deisseroth K, Sheng M, Moore CI, Tsai LH. A critical role for NMDAR in parvalbumin interneurons for gamma oscillations and behavior. Molecular Psychiatry. 2012 May;17(5):537-48. PMID: 21468034

3. Forsberg M*, Carlén M*, Meletis K, Yeung MS, Barnabé-Heider F, Persson MA, Aarum J, Frisén J. Efficient reprogramming of adult neural stem cells to monocytes by ectopic expression of a single gene. Proc Natl Acad Sci U S A. 2010 Aug 17;107(33):14657-61. PMID: 20675585

4. Cardin JA*, Carlén M*, Meletis K, Knoblich U, Zhang F, Deisseroth K, Tsai LH, Moore CI. Targeted optogenetic stimulation and recording of neurons in vivo using cell-type-specific expression of Channelrhodopsin-2. Nature Protocols. 2010;5(2):247-54 PMID: 20134425

5. Cardin JA*, Carlén M*, Meletis K, Knoblich U, Zhang F, Deisseroth K, Tsai LH, Moore CI. Driving fast-spiking cells induces gamma rhythm and controls sensory responses. Nature. 2009 Jun 4;459(7247):663-7. (Article) PMID: 19396156

6. Carlén M, Meletis K, Göritz C, Darsalia V, Evergren E, Tanigaki K, Amendola M, Barnabé-Heider F, Yeung MS, Naldini L, Honjo T, Kokaia Z, Shupliakov O, Cassidy RM, Lindvall O, Frisén J. Forebrain ependymal cells are Notch-dependent and generate neuroblasts and astrocytes after stroke. Nature Neuroscience. 2009 Mar;12(3):259-67. PMID: 19234458

7. Meletis K*, Barnabé-Heider F*, Carlén M*, Evergren E, Tomilin N, Shupliakov O, Frisén J. Spinal cord injury reveals multilineage differentiation of ependymal cells. PLoS Biology. 2008 Jul 22;6(7):e182. PMID: 18651793

8. Carlén M, Meletis K, Barnabé-Heider F, Frisén J. Genetic visualization of neurogenesis. Carlén M, Meletis K, Barnabé-Heider F, Frisén J. Exp Cell Res. 2006 Sep 10;312(15):2851-9. PMID: 16806169

9. Zhao M*, Momma S*, Delfani K, Carlén M, Cassidy RM, Johansson CB, Brismar H, Shupliakov O, Frisen J, Janson AM. Evidence for neurogenesis in the adult mammalian substantia nigra. Proc Natl Acad Sci U S A. 2003 Jun 24;100(13):7925-30. PMID: 12792021

10. Falk A, Holmström N*, Carlén M*, Cassidy R, Lundberg C, Frisén J. Gene delivery to adult neural stem cells. Exp Cell Res. 2002 Sep 10;279(1):34-9. PMID: 12213211

*equal contribution