Å tenke inni boksen

Norske forskere har oppdaget en ny type hjernecelle som registrerer grenser og barrierer. De er essensielle for at vi skal kunne planlegge bevegelsene våre.

Publisert
Hvilken vei var det igjen? Illustrasjonsfoto: Colourbox.no
Hvilken vei var det igjen? Illustrasjonsfoto: Colourbox.no

Vi snakker om stedssans, eller viten om hvordan man skal bevege seg fram i verden.

Dette er et felt forskere ved Center for the Biology of Memory (CBM) ved NTNU er verdensledende på.

I spissen for dette senteret, som også er et Kavli-institutt, står ekteparet Edvard og May-Britt Moser.

Funnene i den nye studien fra CBM presenteres i denne ukens utgave av tidsskriftet Science.

Ny celletype

Fra tidligere forskning vet man at stedssans oppstår ved at ulike celler i hjernen registrerer avstanden man har gått, og retningen man befinner seg i.

- Men for å kunne navigere og for eksempel velge den korteste veien til jobb, trenger hjernen informasjon om hvor et miljø slutter og det neste begynner, samt hvor det er mulig å ferdes i forhold til fysiske barrierer som vegger, gjerder og stup, forklarer Trygve Solstad, stipendiat ved CBM, til forskning.no.

Det er her de nyoppdagede cellene kommer inn.

De aktiveres nemlig kun når man nærmer seg vegger eller andre hindringer i miljøet, og blir dermed omtalt som grenseceller.

Informasjonen som hjernen får fra disse cellene, sørger for at vi kan bruke omrisset eller geometrien i omgivelsene til å orientere oss frem.

Grensecellene er altså essensielle i forhold til stedssans. De sørger for at vi kan  planlegge bevegelsene våre. For eksempel med å evaluere hvilke gater det er lurest å styre unna for å komme raskest mulig frem til et bestemmelsessted.

Studien inngår som en del av stipendiat Trygve Solstad sin doktoravhandling om hjernens representasjon og behandling av sted.

Koordinering av informasjon

Stedssans oppstår når hjernen får informasjon om kroppens retning, avstand og vinkling i forhold til utallige objekter i miljøet.

Norske forskere har oppdaget en ny type celle i et område i hjernen kalt entorhinal cortex. I forsøk utført på rotter viste det seg at disse cellene registrerer grensene og barrierene i et miljø, og danner grunnlaget for stedssans. (Foto: Raymond Skjerpeng, Kavli Institute for Systems Neuroscience)
Norske forskere har oppdaget en ny type celle i et område i hjernen kalt entorhinal cortex. I forsøk utført på rotter viste det seg at disse cellene registrerer grensene og barrierene i et miljø, og danner grunnlaget for stedssans. (Foto: Raymond Skjerpeng, Kavli Institute for Systems Neuroscience)

Hjernen lager deretter et mentalt kart, eller med andre ord en slags oversikt, over stedet man befinner seg på.

En oppgave den utfører med usedvanlig høy nøyaktighet og presisjon.

Hjernens eget GPS system

På 1970-tallet oppdaget hjerneforskere at det fantes celler i hippocampus, et hjerneområde som er viktig for hukommelsen, som dannet unike hjernekart for hvert miljø en rotte befant seg i.

Stedssans har vært et aktivt forskningsfelt siden den tid, men det store gjennombruddet kom først i 2005, i det hjerneforskerne ved NTNU oppdaget at det først og fremst var celler i et område kalt entorhinal cortex, som dannet det nevrologiske grunnlaget for stedssans.

Bakgrunnen for gjennombruddet var oppdagelsen av gitterceller og hoderetningsceller, også omtalt som hjernens “metermål” og “kompass” , eller GPS-system om du vil.

Gitter- og hoderetningscellene danner grunnlaget for stedssans, ved at de kontinuerlig oppdaterer avstanden og retningen som rotta har gått innenfor et område.

Nødvendige for planlegging av bevegelser

Men når man beveger seg i et miljø, vil vi også bruke omrisset eller geometrien i omgivelsene til orientere oss frem.

(Foto: www.colourbox.no)
(Foto: www.colourbox.no)

Navigasjonseksperimenter og matematiske modeller basert på mennesker og dyr, har for eksempel vist at for å kunne ha stedssans, vil det være nødvendig med celler som holder orden på omrisset av omgivelsene.

I tillegg kommer andre geometriske barrierer, og det er nettopp slike celler forskerne ved CBM har oppdaget.

Forsøk på rotter

Oppdagelsen baserte seg på forsøk på rotter.

Forskerne registrerte aktivitetsnivået til enkeltceller i hjerneområdet entorhinal cortex hos rotter som ble oppfordret til å løpe rundt i kvadratiske bokser.

Man oppdaget at noen få celler utelukkende sendte ut signaler når rottene befant seg ved veggene i boksen.

De samme cellene var også aktive langs veggene i alle andre miljøer som rottene utforsket, samt når andre objekter ble plassert i miljøet.

Generelle hjernekart

Mens stedscellene i hippocampus husker ting som er spesielle for hvert sted, for eksempel en spesifikk bygning, vil cellene i entorhinal cortex produsere generelle mentale kart som gir hjernen informasjon om hvor man befinner seg i verden.

Dette kartet er et slags fortløpende arbeidskart. Det vil si at det gir kontinuerlig informasjon i det man beveger seg i rom og tid. Mekanismen er den samme, uavhengig av hvor man befinner seg.

Hjernen har dermed en generell og svært systematisk mekanisme for stedsberegning. Oppdagelsen av grensecellene legger til en ny dimensjon for hvordan hjernen koordinerer denne prosessen.

Rottene ble oppfordret til å løpe rundt i kvadratiske bokser, mens forskerne registrerte aktivitetsnivået til enkeltceller i hjerneområdet entorhinal cortex. (Foto: Raymond Skjerpeng, Kavli Institute for Systems Neuroscience)
Rottene ble oppfordret til å løpe rundt i kvadratiske bokser, mens forskerne registrerte aktivitetsnivået til enkeltceller i hjerneområdet entorhinal cortex. (Foto: Raymond Skjerpeng, Kavli Institute for Systems Neuroscience)

Professor Edvard Moser, forsker ved CBM, beskriver de generelle hjernekartene som tomme kart.

- Det er først når disse kartene knyttes opp mot andre elementer fra et sted, for eksempel andre bygninger eller en hendelse, at hjernen kan lagre minnet om stedet i hukommelsen, sier han.

Et liv uten stedssans

Hvordan ville livet artet seg uten cellene i entorhinal cortex?

Man ville fått betydelige problemer med å tolke hvor man befant seg. Stedssansen ville vært ikke-eksisterende.

Dette er en reell tilværelse for noen mennesker. Hos Alzheimers-pasienter, for eksempel, ser man ofte at cellene i entorhinal cortex er de første som dør ut, og at celledøden deretter spres videre til hippocampus.

En konsekvens er at disse menneskene ofte ikke finner veien hjem.

- Hjernens GPS og kartmappe er ikke der lenger. Prinsippet om “ute av syne, ute av sinn”, blir dermed gjeldene.

- Denne kunnskapen representerer et skritt nærmere forståelsen av hvordan hjernens nervenettverk styrer høyere kognitive funksjoner som hukommelse, språk og bevisthet, sier Trygve Solstad, stipendiat ved CBM, til forskning.no.

Referanse:

T. Solstad, C.N. Boccara, E. Kropff, M.B. Moser, E.I. Moser, Representation of geometric borders in the entorhinal cortex, Science, 19. desember 2008, vol. 322, p. 1865- 1868.