Utakt - et hjernetriks

Oppi hjernen tikker hjernecellene i takt, og lager en karakteristisk hjernerytme. Men noen ganger går cellene i utakt – med vilje. Det kan være helt nødvendig for at hjernen skal klare å lage et indre kart over omgivelsene våre, tror norske hjerneforskere.

Denne artikkelen er over ti år gammel og kan inneholde utdatert informasjon.

"En viktig vitenskapelig assistent i forskningen på hjernekartet. Torkel Hafting, Marianne Fyhn, Tora Bonnevie, May-Britt Moser og Edvard Moser har stått for resten av arbeidet."
"En viktig vitenskapelig assistent i forskningen på hjernekartet. Torkel Hafting, Marianne Fyhn, Tora Bonnevie, May-Britt Moser og Edvard Moser har stått for resten av arbeidet."

Viktige funn

Det er Torkel Hafting, Marianne Fyhn, Tora Bonnevie, May-Britt Moser og Edvard Moser som står bak rapporten, som ble publisert i Nature 15. mai 2008.

Et av de viktige funnene deres, var beskrivelsen av hvordan individuelle celler i hjernekartet har sin egen rytme som svinger uavhengig av åttehertzrytmen i resten av hjernedelen. Disse uavhengige rytmene kan danne interferensmønster som antagelig kan hjelpe hjernene med å beregne avstand ut fra tid og fart framover.

I tillegg har cellene som går i samme takt lettere for å påvirke hverandre. Dermed kan hjernen bruke ulike rytmer til å bestemme hvilke celler som skal kommunisere.

Et annet viktig funn var at hjerneområdet entorhinal cortex, hvor hjernekartet sitter, lager sin egen åttehertzrytme. Slike rytmer kan smitte over mellom hjernedeler, og noen har ment at entorhinal cortex bare får rytmen sin fra hippocampus.

Men da forskerne bedøvde hippocampusen til fire rotter, så de at rytmen fremdeles tikket og gikk i entorhinal cortex. Kan det faktisk være slik at hippocampus får rytmen sin fra entorhinal cortex, og ikke omvendt?

For bare noen få år siden oppdaget forskerne ved Kavli Institute for Systems Neuroscience and Senter for hukommelsesbiologi ved NTNU at vi har vårt eget, indre kart.

Utrolig nok er det slik at nervecellene i en viss del av hjernen danner et slags kjempesvært kartblad, som kan brukes i alle omgivelser. Landemerkene i området du er i plottes rett og slett bare inn, slik at det samme kartet kan vise både spisestua og Times Square.

Hjernekartet er inndelt i et rutenett av sekskanter – et slags koordinatsystem – omtrent slik som vanlige kart er inndelt i firkantede ruter.

Og hver enkelt nervecelle i denne hjernedelen har ansvaret for noen av rutene i dette nettet. Slike såkalte gridceller fyrer av signaler når du beveger deg igjennom stedene der linjene i nettet krysser hverandre.

Du kan for eksempel se for deg at hjernen har et kart over rommet du er i, delt opp i fine ruter. Når du beveger deg igjennom rommet, går du igjennom flere av kryssene i rutenettet.

I det du nærmer deg et kryss, vil hjerneceller med ansvar for dette punktet i rutenettet begynne å fyre av signaler. Jo nærmere selve krysningspunktet du kommer, jo flere signaler sender cella. Så avtar signalene igjen når du er på vei ut.

I tillegg overlapper ansvarsområdene til gridcellene litt. Signalene fra alle de involverte cellene gir hjernen nok informasjon til at den skjønner akkurat hvor på kartet du er.

Men hvordan klarer den egentlig å regne ut dette, uavhengig av om du går eller løper? Og hvordan konstruerer hjernen kartet i utgangspunktet?

Det hele ser ut til å ha noe å gjøre med klokker, forteller professor Edvard Moser som leder forskningssenteret.

Fyrer i takt

Det hjerneceller generelt driver med, er enten å sende nervesignaler, eller å ikke gjøre det. Slik kommuniserer de med hverandre på en slags ja/nei-måte. Det er nettopp slik enkel kommunikasjon mellom milliarder av hjerneceller som er utgangspunktet for alt hjernen vår gjør.

"Torkel Hafting og Marianne Fyhn."
"Torkel Hafting og Marianne Fyhn."

Hver enkelt hjernecelle fyrer altså av signaler med ujevne mellomrom, for eksempel slik som cellene i hjernekartet fyrer av signaler når du beveger deg igjennom kryssene deres.

Men av en eller annen grunn er det slik at flesteparten av cellene har en tendens til å sende signalene sine slik at de faller inn i en viss takt – en bølgende rytme som er spesiell for akkurat dette hjernesenteret.

- Dette har man visst om lenge. Hjernedelen hippocampus og noen av områdene rundt har for eksempel en helt tydelig rytme på åtte hertz, som altså tikker taktfast åtte ganger i sekundet når rotta undersøker omgivelsene, forklarer Moser.

Dette gjelder også for hjerneområdet entorhinal cortex, hvor gridcellene i hjernekartet sitter.

- Cellene kan også fyre i andre rytmer, noen raskere og noen senere. Til sammen finnes det en håndfull ulike takter der oppe. Disse rytmene fungerer antageligvis som tidsreferanser for hjernen.

Men selv om hjernecellenes rytme er fantastisk fascinerende, er det likevel utakt i rekkene som virkelig opptar forskerteamet i Trondheim.

Slinger i valsen

Gjentatte målinger har vist at noen av gridcellene som er ansvarlige for hjernekartet hos rotter, tikker i utakt. Systematisk. Nå har Moser og kollegaene undersøkt slik slinger i valsen.

Resultatene viser at cellene i hjernekartet fyrer raskere enn åttehertzrytmen, når den sender signaler om at rotta vandrer igjennom et kryss i rutenettet i kartet.

- Det går ikke så mye fortere. Takten øker kanskje til ni eller 10 hertz, sier Moser.

- Men det går alltid fort nok til at takten når igjen det neste slaget i åttehertzrytmen, akkurat i det rotta kommer ut av krysset.

"Edvard Moser og May-Britt Moser ved Kavli Institute for Systems Neuroscience and Center for the Biology of Memory."
"Edvard Moser og May-Britt Moser ved Kavli Institute for Systems Neuroscience and Center for the Biology of Memory."

Det betyr altså at farten til rotta har noe å si for hvor mye takten går opp. Hvis rotta spurter av gårde, blir takten igjennom punktet desto høyere for at slagene skal nå igjen åttehertzrytmen.

- Her ligger det egentlig veldig mye informasjon, forteller Moser.

Ved å se hvor slagene i den raske rytmen faller i forhold til åttehertzrytmen, kan forskerne faktisk finne ut nøyaktig hvor rotta befinner seg – om den er litt foran krysset, i krysset eller på vei ut.

- Spørsmålet er bare: kan rottehjernen det samme? Kanskje har rottehjernen mekanismer for å plukke opp denne informasjonen om hvor den befinner seg hen?

Forskerne tror nettopp de kan være på sporet av rottehjernens redskap for å bruke informasjon fra de to rytmene til å regne ut avstander mellom punkter på kartet. Vet man farten og tida som er gått, kan man jo også regne ut avstanden som er tilbakelagt.

- Tida er en helt nødvendig faktor for at hjernen skal kunne lage kartet. Derfor tror vi det må finnes en måte å forvandle bølgene i hjernens tidssignaler til rombølger langs hjernekartet.

Bølgemønster

- Vi tror at åttehertzrytmen og de raskere taktene til gridcellene i hjernekartet påvirker hverandre og lager et såkalt interferensmønster, sier Moser.

De to bølgende rytmene blandes sammen til ett mønster, omtrent på samme måte som vi får bølgemønstre i vann, når bølger med forskjellig høyde eller retning møter hverandre.

Det er disse mønstrene som kan være med på å forklare hvordan hjernekartet kan beregne riktige avstander, og kanskje hvordan det dannes i utgangspunktet, tror forskergruppa.

Resultatene så langt stemmer i hvert fall overens med en modell som sier at en slik samvirkning av to ulike rytmer er med på å lage koordinatsystemet i hjernen.

Den spår at rytmemønsteret som lages når jevne åttehertzbølger og de fartsavhengige, individuelle bølgene møtes, oversettes til en slags rombølger i hjernekartet – hvor bølgetoppene er kryssene i rutenettet og bølgedalene er plassen imellom.

- Dette bekrefter altså foreløpig det vi har trodd, men hypotesen er på ingen måte bevist enda. Dette er noe av det vi vil undersøke mer, sier Moser.

Hjernebonus

Og i mellomtida kan vi jo la oss fascinere av det faktum at utakt-mekanismen har en praktisk bonus for rotta.

Når dyret svinser igjennom et rom, fyrer en del av cellene i rutenettet av signaler i en viss sekvens – et slags mentalt spor av veien rotta har gått. Det at cellene i hjernekartet øker takten når de fyrer av, betyr også at sekvensene av signaler sendes i tettere tempo.

- De fyrer faktisk så tett etter hverandre at det dannes små mikrosekvenser, som er en slags tidskomprimert kopi av bevegelsessekvensen. Og når alt foregår over et tidsrom på bare 50 mikrosekunder, er hjernen i stand til å lagre dem.

Dermed husker rotta hvor den akkurat har gått, og slipper å utforske det samme området om igjen. Slik blir det lettere å finne fram.

- Det er ganske utspekulert! konkluderer Moser.

Referanse:

T. Hafting, M. Fyhn, T. Bonnevie, M-B. Moser & E. I. Moser, Hippocampus-independent phase precession in entorhinal grid cells, Nature, 15. mai 2008.
 

 

Powered by Labrador CMS