Når rotter løper fortere på et spor, fyrer en bestemt type nerveceller raskere. Disse cellene gir fartsinformasjon som hjelper rottene til å oppdatere sitt mentale kart over omgivelsene, viser forsøk gjort av Moser-forskerne. Her er en rotte på et spor lignende det som ble brukt i forsøkene. (Foto: Raymond Skjerpeng, NTNU)
Når rotter løper fortere på et spor, fyrer en bestemt type nerveceller raskere. Disse cellene gir fartsinformasjon som hjelper rottene til å oppdatere sitt mentale kart over omgivelsene, viser forsøk gjort av Moser-forskerne. Her er en rotte på et spor lignende det som ble brukt i forsøkene. (Foto: Raymond Skjerpeng, NTNU)

Moser-forskerne har funnet fartsceller i rottehjernen

Cellene hjelper hjernen å holde styr på bevegelse.

Published

– Du kan kalle dem speedometerceller, men jeg liker bedre fartsceller, sier Edvard Moser til forskning.no.

Sju års forskning og forsøk på et tjuetalls rotter ligger bak funnet av fartscellene som hjelper rottene å holde rede på hvor de er.

For hva hjelper det å ha et indre kart – gittercellene som ga May-Britt og Edvard Moser en nobelpris i medisin – hvis ikke hjernekartet oppdateres når rotta flytter på seg?

Oppdaterer kartet

– Tenk deg gittercellene som et rutenett. Rutenettet er et kart. Der rotta er, fyrer gittercellen, akkurat som prikken på mobilkartet lyser opp der du er, forklarer Moser.

Fartscellene forteller gittercellene hvor fort og hvilken vei rotta beveger seg. Dermed kan rutenettet oppdateres når rotta flytter seg, og gitterceller for nye posisjoner kan fyre av.

– Fartscellene fyller et hull i puslespillet om stedsansen til hjernen. De bekrefter modellen for hvordan gittercellene fungerer. De er viktige for å forstå hvordan det indre kartet dannes, sier Moser.

Fred Flintstone-bil

Rotteforsøkene er en historie i seg selv. Forskerne ved Kavli Institute for Systems Neuroscience and Centre for Neural Computation plasserte forsøksrottene i en liten vogn.

– Den lignet på en Fred Flintstone-bil. Rottene drev vogna framover med beinkraft. Målet var en godbit i enden av kjørebanen, forteller Moser.

Kjørebanen var et transportbånd. Forskerne kunne regulere farten på bilen og dermed løpefarten til rottene.

 Samtidig kunne de måle aktiviteten i fler hundre hjerneceller hos rottene gjennom ledninger koblet til elektroder.

Slik – forenklet – virket forsøket: Rotta stod i en vogn, med bena fri til å løpe på en bane. Banen var i virkeligheten fire meter lang. Her er den tegnet kortere. En motor drev vogna framover. Slik kunne forskerne regulere hvor fort rotta løp. Elektroder (ikke vist her) var festet til hjernecellene til rotta, og registrerte hvor ofte fartscellene fyrte av nerveimpulser. Forsøkene viste at jo fortere rotta løp, desto oftere fyrte fartscellene. (Foto: (Figur: Arnfinn Christensen, forsknin.no/Colourbox))
Slik – forenklet – virket forsøket: Rotta stod i en vogn, med bena fri til å løpe på en bane. Banen var i virkeligheten fire meter lang. Her er den tegnet kortere. En motor drev vogna framover. Slik kunne forskerne regulere hvor fort rotta løp. Elektroder (ikke vist her) var festet til hjernecellene til rotta, og registrerte hvor ofte fartscellene fyrte av nerveimpulser. Forsøkene viste at jo fortere rotta løp, desto oftere fyrte fartscellene. (Foto: (Figur: Arnfinn Christensen, forsknin.no/Colourbox))

Jo fortere, desto raskere fyrte fartscellene

– Forsøkene fulgte norske og europeiske regler for dyrevelferd. Rottene lærte fort. Forsøkene var nesten som en lek for dem, understreker Moser.

For forskerne var det knapt noen lek. Forsøkene startet i 2007. Det tok fire år å utvikle teknikkene og samle inn data. Men så var resultatene også verd det.

Resultatene var klare: Jo fortere rotta beveget seg, desto oftere fyrte fartscellene av en nerveimpuls.

– Etter forsøkene med Flintstonebilen gikk vi også tilbake og så på tidligere forsøk. Der hadde vi latt rottene bevege seg fritt på jakt etter sjokolade. Vi så sporene av fartscellene overalt, forteller Moser.

Som rotter, så mennesker

Rotteforsøkene forteller noe nytt og spennende om hjernen til rotter, men forteller de også noe nytt om hjernen til mennesker?

– Spesielt for stedsansen er rottehjerner og menneskehjerner veldig like, sier Moser.

– Gittercellene og de andre delene av navigasjonssystemet finnes på forskjellige grener av livets utviklingstre for pattedyr, både hos flaggermus, rotter, aper og mennesker. Det er svært usannsynlig at de skulle utviklet seg uavhengig på hver grein, understreker han.

Til venstre: Gittercellene danner et trekantmønster i hjernen. Til høyre: De svarte strekene viser sporet til en rotte i et kvadratisk rom. De røde prikkene viser hvor gittercellene har fyrt av. (Foto: (Figur: Tomruen (t.v)/Torkel Hafting (t.h), Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported license.))
Til venstre: Gittercellene danner et trekantmønster i hjernen. Til høyre: De svarte strekene viser sporet til en rotte i et kvadratisk rom. De røde prikkene viser hvor gittercellene har fyrt av. (Foto: (Figur: Tomruen (t.v)/Torkel Hafting (t.h), Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported license.))

Likt hos de fleste pattedyr

Systemene er likt oppbygd hos alle disse forskjellige pattedyrene. Det tyder på at de har felles opprinnelse.

Ett eksempel på betydningen av posisjonssystemet er sykdommen Alzheimer hos mennesker. Her skjer den første celledøden ofte i det området hvor gittercellene og fartscellene finnes.

– Et tidlig symptom er at evnen til å orientere seg blir dårligere. Rotteforsøk viser de samme symptomene, forteller Moser.

Mennesker kan riktignok også ha mer avanserte funksjoner i sin stedsans, medgir han.

– Vi kan være bevisste om steder vi har vært tidligere. Vi kan fantasere og se for oss imaginære rom. Vi har språk. Likevel – de grunnleggende byggesteinene i systemet er de samme, sier Moser.

Og en av de mest grunnleggende byggesteinene kan være fartscellene.

Virker i totalt mørke

– De kan stamme fra et tidlig trinn i utviklingen. De får impulser fra langt nede i hjernestammen, forteller Moser.

Han tror – men vet ennå ikke sikkert – at fartscellene får impulser fra musklene. Når musklene beveger seg, forteller de celler i hjernestammen hvor raskt det går. Informasjonen går kanskje videre opp til hjernebarken – og fartscellene.

Cellene kan også få beskjeder fra det indre øret. Der sitter balansefølere som blant annet forteller hvilken vei rotta vrir hodet. Retningen på bevegelsen er også viktig.

Synet er til hjelp, men ikke strengt nødvendig. Systemet virker også i totalt mørke, viser forsøkene.

Føre var

Systemet reagerer altså på absolutt fart, men ikke direkte på akselerasjon. Likevel klarer systemet å beregne akselerasjonen ut fra farten. Det reagerer på akselerasjonen på en helt spesiell måte.

– Vi fant at når rotta akselererer, blir kartet framskutt i tid. Rottehjernen prøver aktivt å forutsi hvor rotta vil være 60 til 80 millisekunder fram i tida og justerer kartet i gittercellene etter det, forteller Moser.

Hvorfor gjør rotta dette? Det vet ennå ikke forskerne. En mulighet er at rotta prøver å være føre var. Uansett – når rotta bremser opp igjen, reverseres prosessen. Kartet føres tilbake til nåtid.

Gitterceller og plassceller

May-Britt Moser og Edvard Moser står begge bak oppdagelsen av fartscellene i rottehjernen, sammen med Emilio Kropff og James E. Carmichael.
May-Britt Moser og Edvard Moser står begge bak oppdagelsen av fartscellene i rottehjernen, sammen med Emilio Kropff og James E. Carmichael.

Med funnet av fartscellene er enda en brikke lagt til forskernes mosaikk – bildet som viser hvordan hjernen holder styr på steder.

En annen brikke er gittercellene. Dessuten er det en brikke til – plasscellene.

– Plasscellene er mer avanserte enn gittercellene. De holder styr på bestemte steder, forteller Moser.

Gittercellene fungerer likt, uansett hvor rottene er. De registrerer forflytninger over en flate, uansett hvor denne flaten befinner seg.

Husker bestemte steder

Annerledes er det med plasscellene. De husker bestemte steder.

– Hvis du flytter en rotte mellom ti forskjellige rom, vil bestemte plassceller bare fyre av i ett eller to av dem. Gittercellene vil vise samme mønster av aktivitet i alle rommene, sier Moser.

Plasscellene og gittercellene samarbeider. Dette samspillet er komplisert.

– Gittercellene sender signaler til plasscellene. Plasscellene får informasjon fra flere andre steder i hjernen også. Så sender plasscellene signaler tilbake til gittercellene, forteller Moser.

Det er fortsatt mye forskerne ennå ikke vet om hjernens navigasjonssystem. Studien om fartscellene i siste utgave av tidsskriftet Nature blir neppe den siste fra forskerne.

Referanse:

Emilio Kropff, James E. Carmichael, May-Britt Moser1 & Edvard I. Moser: Speed cells in the medial entorhinal cortex, Nature 15.juli 2015, doi:10.1038/nature14622, sammendrag: http://nature.com/articles/doi:10.1038/nature14622