De har funnet grupper med nerveceller ett sted i hjernen som beregner hvor du befinner deg, og grupper et annet sted som gjør at du ikke blander sammen minner.

De nye funnene rokker ved etablerte oppfatninger om hvordan minner kodes, lagres, konsolideres og hentes frem igjen.

Resultatene fra Centre for the Biology of Memory (CBM) er publisert i dag som to separate artikler i tidsskriftet Science.

CBM er ett av Norges Sentre for fremragende forskning, oppnevnt av Norges forskningsråd, og holder til ved NTNU i Trondheim.

Sjøhesten

De siste 30 årene har de fleste hjerneforskere trodd at hippocampus beregner stedsinformasjon og fungerer som et mentalt kart, i tillegg til å lagre hukommelse for sted og rom.

De nye resultatene fra Trondheim viser at stedsinformasjon ikke oppstår i hippocampus, men at en av de sentrale oppgavene for denne delen av hjernen, er å maksimere forskjeller under lagring av overlappende minner.

Hippocampus (latinsk for sjøhest) er en liten del av hjernen som ser ut som en pølse. Den ligger i både venstre og høyre hjernehalvdel i den midterste del av tinninglappen, og er på størrelse med en tommelfinger. Hos mennesker har den form som en sjøhest.

Midlertidig lager

Det har lenge vært kjent at hippocampus, som er en eldre del av hjernebarken, har en sentral rolle i menneskers og dyrs minne. Den fungerer som et midlertidig lager for hukommelse, og har spesielt betydning for lagring av nye minner.

Hippocampus er helt avgjørende for vår evne til å huske hendelser og lære fakta, og for at vi skal klare å fordele og lagre alle inntrykkene i hjernebarken.

Den er ikke så viktig for permanent lagring av minner, men essensiell for at vi skal få noe inn i hodet, og for at det utvikler seg permanente hukommelsesspor andre steder i hjernen.

Stedsinformasjon i entorhinal cortex

Mennesker med skader i hippocampus har vansker med å legge minner inn i hukommelsen. Nye minner for hendelser, sted og rom blir spesielt problematisk når hippocampus er skadet. Barndomsminner kan hentes opp igjen uten at denne delen av hjernen deltar.

På bakgrunn av målinger fra nerveceller i hippocampus hos rotter ble det foreslått at hippocampus fungerte som et mentalt kart. Celler i hippocampus signaliserte når rottene var et bestemt sted i rommet. Siden de fleste cellene i hippocampus hadde stedsrelatert aktivitet, kunne posisjonen til rottene rekonstrueres ved å registrere denne aktiviteten.

Forskerne fra CBM viser imidlertid at stedsinformasjonen ikke oppstår i hippocampus, men på et tidligere nivå i signalgangen gjennom hjernen. Området heter entorhinal cortex.

- De lette på feil sted

- Det kom som et sjokk. Andre har nemlig undersøkt entorhinal cortex tidligere, uten å finne særlig stedsspesifikk fyring hos cellene. De har lett på feil sted, sier professor May-Britt Moser. Hun leder CBM sammen med ektemannen professor Edvard Moser.

Entorhinali cortex er det første området i hjernen som rammes ved Alzheimers sykdom - likevel har dets funksjon vært ganske ukjent til nå.

Dette området er ansvarlig for det aller meste av trafikken mellom hippocampus og resten av hjernebarken. Kontakten mellom hippocampus og hjernebarken er svært systematisk organisert.

De forskjellige delene av hippocampus snakker til spesifikke deler i entorhinal cortex, som så igjen kontakter hver sine deler av hjernebarken. Spesielt interessant er det at kun en mindre del av entorhinal cortex snakker med den såkalte dorsale delen av hippocampus.

Det dorsolaterale båndet

Dorsal hippocampus er den delen av hippocampus som ligger øverst, og som er viktigst for å huske steder. Den andre delen av hippocampus kontrollerer blant annet fryktrelatert adferd.

I entorhinal cortex snakker det såkalte dorsolaterale båndet med den dorsale delen av hippocampus. Dette båndet ligger høyt oppe og langt ute i entorhinal cortex.

Det tidligere forskere har gjort feil, er å ikke registrere spesielt fra det stedet i entorhinal cortex som snakker med dorsal hippocampus.

Ved CBM har forskerne gjort en kartlegging av entorhinal cortex. De målte signalene fra nerveceller i entorhinal cortex, hos rotter som utforsket nye eller kjente miljøer.

De fant ut at cellene i det dorsolaterale båndet i entorhinal cortex var selektivt aktive på bestemte steder i rommet, på samme måte som i den dorsale delen av hippocampus. Til sammen dekket cellene hele arealet - som et mentalt kart.

Åtte celler var nok

Det vil si at når forskerne prøvde å forutsi rottas posisjon ut fra signaler fra disse cellene, fikk de en fin rekonstruksjon.

- Ved hjelp av åtte celler i entorhinal cortex kunne vi fint forutsi hvor rotta var, sier May-Britt Moser.

Denne typen stedsbestemt aktivitet er som sagt tidligere kjent fra hippocampus og er én av grunnene til at hippocampus opprinnelig ble knyttet til stedsrepresentasjon.

- Vi viser nå at samme informasjon finnes et trinn lenger oppe i signalveien, og at lignende stedsaktivitet ikke finnes forut for entorhinal cortex. Dette impliserer at beregningen av posisjon i alle fall delvis oppstår innenfor entorhinal cortex, sier Edvard Moser.

Like gode?

Dersom rottehjernen fungerer like bra som datamaskinene hos CBM, er altså cellene i entorhinal cortex like gode til å beregne posisjon som cellene i hippocampus. Tar du bort hippocampus, har hjernen fortsatt mulighet til å beregne posisjon ved hjelp av entorhinal cortex.

Hva skal vi da med hippocampus?

- Entorhinal cortex er med på å beregne posisjon, men det er ikke sikkert dette er nok for å finne veien. Én ting er å beregne, det å huske veien er noe helt annet, sier May-Britt Moser.

Dette bringer oss nærmere den andre studien som de norske hjerneforskerne har publisert i Science i dag. Den viser nemlig hva hippocampus gjør med signalene den får fra entorhinal cortex.

CA3 og CA1

CBM-forskerne målte signaler fra nerveceller fra to distinkte områder i hippocampus - ett ved navn CA3, og et annet ved navn CA1. Disse to områdene har klart forskjellig struktur.

CA3 har utstrakte forbindelser mellom hjernecellene, og kan dermed fungere som et assosiativt nettverk. Siden CA3-cellene snakker med hverandre kan de danne små cellegrupper (cell assemblies). De tilsvarende cellene i CA1 har kun eksterne forbindelser og snakker ikke seg imellom.

Til tross for denne forskjellen har celler i begge områdene stedsbestemt aktivitet, som i entorhinal cortex, og de er trolig begge to nødvendige for stedshukommelse.

CBM-forskerne har nå funnet enda en forskjellmellom CA1 og CA3: Cellene i disse to områdene har ulik evne til å skille mellom overlappende erfaringer og miljøer.

Foreslått på 1970-tallet

- CA3-cellene har tidligere vist seg å være delaktige i én av to sentrale prosesser i behandling av informasjon, nemlig mønsterkomplettering (pattern completion). Mønsterkomplettering og mønsterseparering (pattern separation) er helt fundamentale prosesser for innlæring og uthenting av hukommelsen. I det andre Science arbeidet viser vi at CA3-cellene også utfører mønsterseparering , sier May-Britt Moser.

Allerede på 1970-tallet forutså den britiske informatikeren David Marr at det måtte finnes et slikt cellenettverk for å få mønsterkomplettering og mønsterseparering til å fungere.

At CA3-cellene snakker med hverandre gjør prosessene mye enklere ved at cellene arbeider i grupper heller enn som individer. Det er ikke bare én celle som blir skrudd på, men hele nettverket.

Mønsterkomplettering

For eksempel: For å danne minner er det viktig å ha evnen til å kunne huske helheten selv om man bare blir presentert deler av informasjonen. Det er dette som kalles mønsterkomplettering.

- Hvis butikken du handler i til vanlig er under ombygging, klarer du fremdeles å gå direkte til hyllene med melk og brød hvis de fremdeles står på samme plass. Ombyggingen forstyrrer ikke minnet om hvordan butikken så ut før. CA3-celler har vist seg å bidra til at det opprinnelige minnet hentes frem selv om inngangssignalene er noe forandret, forklarer May-Britt Moser.

Et annet eksempel: Dersom du har lært deg å kjenne igjen et ansikt, men bare får se øynene, kan du ved hjelp av mønsterkomplettering klare å rekonstruere hele ansiktet. På samme måte trenger du heller ikke all informasjon for å rekonstruere en episode du har opplevd. Lukten av nystekte boller kan være nok for å sende deg mentalt direkte tilbake til en episode i barndommen.

- Ta eksemplet med ansiktet og øynene. Du kan tenke deg at det å bare se øynene aktiviserer en hel cellegruppe i CA3, slik at hele ansiktet dukker opp i minnet. Slik sett er dette nettverket viktig for mønsterkomplettering, forklarer May-Britt Moser.

Mønsterseparering

En annen mekanisme vi trenger for å få et robust hukommelsessystem, er evnen til å holde like minner fra hverandre.

- I den andre Science artikkelen viser vi hvordan CA3 kan gjøre denne jobben. Vi trente rotter i forskjellige rom, men boksene de ble trent i var helt like. Det er viktig for rottene å ikke å blande sammen rommene. Dette ordner CA3-nettverket ved å lage distinkte cellegrupper for hvert av de to rommene. Selv om synsinntrykkene er veldig like, forsterker CA3 de forskjellene som finnes mellom rommene.

- For deg og meg er det mønsterseparering som hjelper oss med å huske ganske like ting som for eksempel pinkoder og telefonnummer, sier May-Britt Moser.

Maksimerer forskjeller

- Resultatene fra Science-arbeidet viser at forskjeller maksimeres i CA3-nettverket. På tidligere trinn i signalgangen gjennom hjernen, før CA3, aktiverer de to rommene langt på vei de samme cellene.

- I CA3 derimot, er det to forskjellige populasjoner av celler som er aktive. Denne splittingen av aktive celler bidrar til å holde minnene separate, og er nødvendig for å redusere sammenblanding av minner, sier Edvard Moser.

Når innkommende signaler til hippocampus er relativt like, er det kritisk at de lagres som separate hukommelsesspor. CBM-forskerne har altså funnet ut at det er CA3-cellene i hippocampus som gjør denne jobben.

Hukommelseslidelser

Tidligere har de også vist at CA3-nettverket i hippocampus spiller en essensiell rolle ved gjenkallelse av minner under betingelser med få ytre holdepunkter.

- Oppdagelsen av to distinkte hukommelsessystemer i hippocampus og entorihnalis vil være viktig for å forstå hvordan minnefunksjoner svekkes hos mennesker med demens og andre hukommelseslidelser, og bidrar til arbeidet med å finne behandlingsformer mot sykdommer som rammer hukommelsen, sier Edvard Moser.

Referanser:

Marianne Fyhn, Sturla Molden, Menno P. Witter, Edvard I. Moser og May-Britt Moser; Spatial Representation in the Entorhinal Cortex; Science; 27. august, 2004.

Stefan Leutgeb, Jill K. Leutgeb, Alessandro Treves, May-Britt Moser og Edvard I. Moser; Distinct Ensemble Codes in Hippocampal Areas CA3 and CA1; Science; 27. august, 2004.

Lenke:

CBM: Centre for the Biology of Memory