Kartet i hodet

I hjernen din har du et kart over hele verden - selv over steder du aldri har besøkt. Norske hjerneforskere har funnet en mekanisme for stedsberegning som det internasjonale forskningsmiljøet har lett etter i 35 år.

Publisert

Hvordan finner vi egentlig fram der ute? Du tar det kanskje for gitt at du vet hvor du er, men det gjør ikke forskerne ved Centre for the Biology of Memory (CBM) ved NTNU i Trondheim.

- Dette er den viktigste oppdagelsen fra oss så langt, og ett av de største gjennombruddene på vårt fagfelt det siste tiåret, sier professor Edvard Moser, som leder CBM, ett av Norges Sentre for fremragende forskning.

En forskningsgruppe ved senteret har funnet hjernes “stedscomputer” - og beskriver mekanismene i hjernecellene som beregner hvor vi er.

35-årig leteaksjon

- Vi har oppdaget nerveceller som fortløpende kan sette sammen informasjon om sted, avstand og retning, og vi har en del indikasjoner på hvordan dette kan skje, sier Moser.

I rundt 35 år har hjerneforskere lett etter et denne stedssansen - det indre kartet av omgivelsene som gjør at du finner fram. Det forskerne i Trondheim har oppdaget, er et uendelig rutenett.

Mer presist er det ikke snakk om ruter, men om trekanter - altså et trekantnett som du kan forestille deg at hjernen legger over de ytre omgivelsene.

Nettet legges over omgivelsene ved at enkeltvise celler fyrer av sitt signal når du befinner deg på bestemte steder, og det er på plass i hjernen din før du i det hele tatt har besøkt et område. Det er altså et slags generelt kart.

Det høres kanskje abstrakt ut, men du finner en mer visuell forklaring litt lengre nede i denne artikkelen.

Stedsspesifikke celler i hippocampus

"Edvard I. Moser. (Foto: Bjarne Røsjø)"
"Edvard I. Moser. (Foto: Bjarne Røsjø)"

Da man først begynte å lete etter stedssansen i hjernen, trodde man at det var snakk om et generelt kart.

På 1970-tallet fant man imidlertid celler i et område i hjernen kalt hippocampus, som fyrte av sine signaler når man befant seg på bestemte steder.

Disse cellene blir gjerne undersøkt i rotter, og har den egenskapen at når rotta befinner seg på et bestemt sted i et rom, er det bestemte celler som sender ut sitt signal - en stedsspesifikk fyring.

Til sammen danner slike celler tilsynelatende et kart over omgivelsene. Du kan se for deg at hver av disse cellene har sitt spesielle punkt ute i virkeligheten, og i tillegg at de ulike stedsrepresentasjonene er spredd ganske tilfeldig rundt i hippocampus.

Man fant ut at bestemte celler i hippocampus var aktive i ett bestemt miljø, men helt stille i andre miljøer. Det virket som hippocampus inneholdt ett spesifikt kart for hvert enkelt miljø.

Da disse cellene ble oppdaget oppstod det litt forvirring i forskningsmiljøet, fordi de ikke representerte den generelle mekanismen man hadde tenkt seg. Man fortsatte å lete i denne bestemte delen av hjernen.

- Hippocampus er viktigere for hukommelse

- Dette har vært et veldig aktivt forskningsfelt, og man trodde hippocampus ville si en god del om hvordan stedssansen oppstår. Etter hvert oppdaget man at disse cellene responderte på mange ting som ikke hadde med sted å gjøre.

- De reagerte for eksempel på lukter, og man kunne se spor av hukommelse i cellene. De er nemlig ikke aktive bare her og nå, men kan også reflektere bak i tid, sier Moser.

I august i fjor kom det to artikler fra CBM som viste at stedsinformasjon ikke oppstår i hippocampus, men på et tidligere nivå i signalgangen gjennom hjernen. Området heter enthorinal cortex.

- Det ser nå ut til at hippocampus egentlig er viktigere for hukommelse - at hukommelse er det primære den holder på med, sier Moser.

I tillegg til å lokalisere det mentale kartet et annet sted enn i hippocampus, viser resultatene fra Trondheim også hvordan dette kartet fungerer.

- Virker over alt

- Det vi har funnet er en mekanisme som virker over alt. Du kan gjøre alle generelle beregninger der, og deretter sende signal ut til de områdene i hjernen som har i oppgave å huske de spesielle miljøene - for eksempel hippocampus, sier Moser.

Det ser nemlig ut til at hippocampus husker ting som er spesielle for hvert enkelt sted, mens entorhinal cortex foretar en generell stedsberegning som er mye mer effektiv enn å ha ett kart for hvert enkelt sted.

Også i entorhinal cortex er bestemte celler aktive på bestemte plasser, men en av forskjellene er at hver celle har fått tildelt mange forskjellige plasser. Vi kan si at hver enkelt celle har mange ansvarsområder ute i verden.

Når du beveger deg over ett av cellens ansvarsområder, sender den et signal ut i hjernen. Det er disse ansvarsområdene som ligger i et spesielt mønster.

- Dermed kan vi til en hver tid fortelle med et par centimeters nøyaktighet hvor rotta befinner seg i rommet bare ved å lytte til signalene fra noen få celler, forklarer Moser.

Trekantene

Så hvordan virker dette? Se på bildet under - det viser hvordan én bestemt celle legger et trekantnett over omgivelsene:

Tenk deg at alle tre sirklene representerer ett sirkulært område som rotta beveger seg rundt på i løpet av en halvtime. De svarte strekene i den første rundingen representerer rottas bevegelser.

Det røde som er lagt over bevegelsesbanen er signalet fra én bestemt hjernecelle. Den midterste sirkelen viser aktiviteten (rødt er maksimum, mørk blått er minimum) fra den samme cella lagt over rottas bevegelsesområde. Sirkelen til høyre viser mønsteret enda tydeligere.

Dersom du tenker deg at du trekker linjer mellom alle punktene hvor cella fyrer et signal ut i hjernen, ender du opp med et mønster av likesidede trekanter.

- Vi ser at de enkelte cellene ikke bare har et par klatter av ansvarsområde, men at de faktisk danner et helt regulært ansvarsmønster i rommet - de former et trekantnett.

- Det vil si at hver celle fyrer på bestemte punkter i rommet som ligger som punkter i et nett. Hver celle har altså mange ansvarsområder, og alle ansvarsområdene ligger på et helt regulært rutenett, forklarer Moser.

Uendelig mønster

- Rutenettet er uendelig - når du ser på én celle i en rotte som beveger seg i et stadig større område blir det flere og flere trekanter, men avstanden mellom punktene er akkurat den samme.

- Det er potensielt et rutenett som dekker hele verden. Når rotta går inn på ny plass, er rutenettet der helt fra starten av, sier Moser.

Det er snakk om en mekanisme som er uavhengig av ytre holdepunkter. Den er ikke avhengig av landemerker på det stedet du befinner deg. Dermed kan du bruke den samme mekanismen uansett hvor du er.

- Noe av det viktigste er kanskje at denne stedscomputeren kan operere med avstander og vinkler, den kan måle. Målemekanismen er basert på vektorregning der cellene legger sammen informasjon om retning og vinkler, i motsetning til å beregne sted bare ut fra landemerker, sier Moser.

Dekker alt

De forskjellige cellene i trekantnettet ligger ikke oppå hverandre. Rutenettet er litt forskjøvet for hver enkelt celle.

- Det betyr at innenfor et lite område av nerveceller i hjernen, vil cellene til sammen dekke hele miljøet. I prinsippet kan man altså tenke seg at man ikke trenger mange celler for å gjøre disse beregningene, sier Moser.

Han forklarer at de stedsspesifikke cellene i entorhinal cortex er ordnet på en helt annen måte enn de stedsspesifikke cellene i hippocampus.

I hippocampus ligger celler med forskjellig ansvarsområde hulter til bulter. Det vil si at to celler som ligger ved siden av hverandre like gjerne kan være aktive på to helt forskjellige plasser som på to nærliggende plasser.

Systematisk

Cellene i entorhinal cortex er på den andre siden veldig systematisk ordnet. Dersom du tar for deg ett område med ti celler, vil alle ti ha aktivitetsmønster eller ansvarsområder der trekantnettet har akkurat samme maskevidde. Trekantene er altså like store - enheten er den samme.

- Det eneste som skiller cellene på en bestemt plass i hjernen fra hverandre, er at trekantnettene til cellene er forskjøvet i sideretningen - med et forskjøvet trekantnett kan man i prinsippet dekke hele miljøet.

Forskjellig maskevidde gir høyere oppløsning

Dersom vi beveger oss fra toppen av entorhinal cortex og nedover, får trekantnettene større og større maskevidde, og orienteringen endrer seg også.

- Når hjernen har forskjellige trekantnett for samme plass, kan man tenke seg at det finnes andre celler som leser fra alle disse hjerneområdene, og kanskje bruker dem sammen for å regne ut mer nøyaktig hvor du befinner deg.

- Dersom man bruker både store og små rutenett kan man få en mye mer nøyaktig gjengivelse av hvor man er - det øker oppløsningen til kartet, sier Moser.

En annen grunn til at mange celler representerer de samme punktene i verden utenfor, kan være at denne delen av hjernen gjør flere ting enn å beregne sted.

Kanskje kan cellene knyttes til de tingene som er spesielle for hvert enkelt miljø, som kan være lagret andre steder i hjernen. Rutenettet blir nemlig til en viss grad kalibrert ut fra landemerker omkring oss.

- Når rotta går inn i et nytt miljø er rutenettet der fra starten av, men det må feste seg til landemerkene i omgivelsene slik at rutenettet ligger på samme plass neste gang man kommer dit også. Det er en viss grad av læring involvert, sier Moser.

Kan cellene gjøre mer?

- Du trenger som sagt ikke så mange celler for å gjøre slike beregninger. Bitte små insekt kan også danne seg gode kart over omgivelsene - bier har for eksempel kart som ligner på menneskene sine, sier Moser.

- Hos menneskene er denne mekanismen som en minicomputer repetert mange ganger i hjernen. Dersom disse cellene også er koblet til ting som skjer på hver enkelt plass, trenger man mer kapasitet.

- Dersom dette hjerneområdet er involvert i å lagre inn de tingene som er spesielle for et hvert sted, lurer vi veldig på om det skjer i de samme nervecellene, eller om det skjer i andre cellegrupper.

- Er cellene kun stedscomputere eller gjør de andre ting også - gjør de forskjellige ting samtidig, eller har de ulike modi, undrer Moser.

Minner med stedselement

- Dette kan være et inngangssignal til de delene av hjernen som lagrer hukommelse for enkelthendelser. Alle minner om episoder har et stedselement - det er veldig få minner som ikke også har knyttet til seg stedet der det skjedde, sier Moser.

Organiseringen av cellene i entorhinal cortex minner om organiseringen av celler i andre deler av hjernebarken - hvor man kan se klynger av celler som små minicomputere som har sin avgrensede funksjon.

- Hjernen bruker stort sett én måte å jobbe på, en generell måte, også for å lage kart over omgivelsene, sier Moser.

- Det hjernecellene driver med kan være vannvittig komplisert, og det trenger ikke være deterministisk. Alt som skjer med hjernen er et produkt av det som skjer i miljøet, som er unikt for alle.

Tanker og følelser

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

- Det vi har studert her er hakket mer komplisert enn ryggmargsreflekser som gjør at vi kan gå, men det er fremdeles et enormt hopp til det vi opplever som tanker og følelser - vi vet ikke hvordan hjerneceller lager de tingene.

- Dette er likevel et skritt på den veien. De første mentale funksjonene man begynner å forstå på cellenivå åpner opp en port til et stort ukjent land, sier Moser.

Forskningen presenteres nå som full artikkel i tidsskriftet Nature. Arbeidet er utført av Torkel Hafting, Marianna Fyhn, Sturla Molden, May-Britt Moser og Edvard Moser.

Referanser:

Torkel Hafting, Marianne Fyhn, Sturla Molden, May-Britt Moser, Edvard I. Moser; Microstructure of a spatial map in the entorhinal cortex, Nature 19. august, 2005.

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