Slik navigerer du

Norske hjerneforskere har funnet ut hvordan vi hele tiden kan vite hvor vi er.

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

Moserlaboratoriet ligger ved NTNU i Trondheim, ved koordinatene 63,36N 10,23E på verdenskartet. Mer billedlig talt ligger det på en av de største høydene innen hjerneforskningens verden.

Nok en gang presenterer forskerne her en oppdagelse som tegner opp ukjente områder på nevrobiologenes kart over den grå massens virkemåter.

Som du kanskje har gjettet allerede, dreier deg seg om stedssansen vår.

Trekantnett

I fjor sommer avdekket de norske forskerne at kartografenes nettverk av lengdegrader og breddegrader minner forunderlig mye om mekanismen i hjernen som sørger for at vi vet hvor vi er.

Den mest iøynefallende forskjellen er at hjernen opererer med et trekantnett, heller enn et rutenett slik som strekene vi har lagt over jordkloden for lettere å finne fram.

Du kan forestille deg at hjernen din legger et virtuelt trekantnett over omgivelsene rundt deg. Det klarer den ved at enkelte hjerneceller fyrer av helt systematisk i sitt eget uendelige trekantmønster etter hvert som du beveger deg i miljøet.

Medfødt verdenskart

Det vil si at dersom vi lytter til én bestemt hjernecelle, vil vi se at den er aktiv mens du står på ett bestemt punkt. Så stilner den inntil du når et annet punkt hvor den våkner igjen. Det er hjernecellens aktive områder i miljøet rundt deg som danner trekantnettet.

Forskjellige celler har forskjellige ansvarsområder. I praksis betyr det at forskjellige celler lager litt ulike trekantnett.

I tillegg til at nettet forskyves, slik at hele miljøet dekkes, lager noen celler større trekantmasker enn andre. Resultatet er et medfødt og høyoppløselig kart over hele verden, som kun trenger en rask kalibrering i det du trer inn i nye områder.

Fungerer i mørket

For å finne ut dette, lyttet forskerne ved Moserlaboratoriet til aktiviteten i hjerneceller hos rotter som beveget seg i avgrensede miljøer.

Trekantnettet er ikke en gang avhengig av visuell informasjon. De såkalte gridcellene fyrer i det samme mønsteret selv om rottene løper rundt i stummende mørke.

Da forskerne i Trondheim oppdaget denne mekanismen, hadde forskningsmiljøene lett etter den i 35 år.

Cellene som lager det virtuelle trekantnettet befinner seg i et område i hjernen som heter entorhinal cortex. Oppdagelsen ble av kolleger i utlandet beskrevet som den viktigste på dette feltet de siste 20 årene.

Hvordan flytter nettverket seg?

Men det var fortsatt noen viktige biter som manglet i puslespillet. Selv om hjernens trekantnett var tydelig, skjønte ikke forskerne helt hvordan det fungerte. Hvordan klarer hjernen å få nettverket til å flytte seg?

"Francesca Sargolini er post doc. ved Moserlaboratoriet, og hovedforfatter på den nye studien."
"Francesca Sargolini er post doc. ved Moserlaboratoriet, og hovedforfatter på den nye studien."

Det vil si, når du flytter deg fra punkt A til punkt B, hvordan vet gridceller som lyser opp ved punkt A at de skal bli stille, og hvordan går signalet videre til gridceller som har ansvarsområdet sitt ved punkt B?

Hvordan oppdaterer dette netteverket seg selv hele tiden, mens du flytter deg rundt?

Tre ting på en gang

Det er dette spørsmålet forskerne ved Moserlaboratoriet nå har funnet et svar på.

I en artikkel som publiseres i tidsskriftet Science i dag beskriver de hjerneceller i det samme nettverket som ikke bare signaliserer hvor rotta befinner seg, men som også signaliserer hvor raskt den beveger seg og i hvilken retning.

- Det nye vi har oppdaget er en annen type celler i det samme nettverket. Disse cellene er kun aktive når rottene ser i bestemte retninger. De ligger ett lag under gridcellene i hjernen. Vi har også funnet celler som kombinerer disse egenskapene, og som i tillegg formidler hastigheten til rotta, forklarer Edvard Moser.

- Alt du trenger for å vite hvor du er

Han leder Moserlaboratoriet, eller Centre for the Biology of Memory (CBM), som også er ett av Norges Senter for fremragende forskning.

- Hastigheten sier noe om tiden det tar for rotta å bevege seg fra ett punkt til et annet, og gir dermed informasjon om avstand.

- Vi har altså funnet celler som integrerer alt du trenger for å kunne vite hvor du er. De har en stedskomponent, en retningskomponent og en avstandskomponent, sier Moser.

Begeistrede kolleger

I dagens utgave av Science er det flere hjerneforskere som uttrykker stor begeistring for den norske oppdagelsen. John O’Keefe er en av dem.

Allerede på 1970-tallet oppdaget han og kollegaene ved University College London såkalte plassceller i en del av hjernen som heter hippocampus. I dag vet vi at denne delen av hjernen er veldig viktig for hukommelsen.

O’Keefe og kollegaene fant ut at plasscellene var aktive i bestemte miljøer, men helt stille i andre miljøer. Det virket som denne delen av hjernen inneholdt ett spesifikt kart for hvert enkelt miljø.

Fant ikke det generelle kartet

Dette fikk forskerne til å stusse litt. De var nemlig på utkikk etter en generell mekanisme for stedsberegning, og ikke spesiallagede kart for hvert enkelt miljø.

- Vi forutsa helt fra begynnelsen at det ville måtte være informasjon om retning og avstand for å knytte plasscellene sammen for å danne noe som ligner kart, sier O’Keefe til Science.

Forskerne fortsatte imidlertid å lete i hippocampus, og oppdaget etter hvert at denne delen av hjernen tok seg av mye som ikke hadde med sted å gjøre.

Hukommelse

I 2004 og 2005 kom to artikler fra Moserlaboratoriet som viste at stedsinformasjon ikke oppstår i hippocampus, men på et tidligere nivå i signalgangen gjennom hjernen, i entorhinal cortex.

Oppdagelsene har også ført verdens hjerneforskere til forståelsen av at hukommelse er den primære oppgaven til hippocampus, og at stedsberegningen skjer et annet sted.

Like etter artikkelen om hjernens trekantnett publiserte forskergruppen en ny artikkel som forklarte hvordan hjerneceller i hippocampus også kan gjøre flere ting på én gang. De kan kode for sted, og samtidig kode for hva som skjer på det stedet.

Stedsfiltrerte minner

Stedsinformasjonen i hippocampus er altså overtatt fra en annen del av hjernen, nemlig der hvor trekantnettet oppstår, i entorhinal cortex. Hippocampus bruker stedsinformasjonen til å lagre minner, konkluderte forskerne.

Du merker det sikkert selv, når du husker en bestemt hendelse, er dette alltid koblet sammen med et minne om hvor det skjedde.

For å oppsummere: Forskerne ved Moserlaboratoriet har for det første funnet det området i hjernen som gjør den generelle stedsberegningen. Deretter har de vist hvordan en annen del av hjernen bruker informasjon herfra til å lagre minner, eller hvordan hendelsene vi lagrer i hjernen først blir filtrert gjennom hjernens stedssans.

Mer integrert enn man har trodd

I dagens artikkel viser de også hvordan dette navigasjonsapparatet faktisk virker, eller hvordan det hele tiden holder seg oppdatert - nemlig ved hjelp av celler som både koder for sted, retning og avstand.

- Vi tror at denne informasjonen så mates til de mer regulære gridcellene, forklarer Moser.

"Edvard Moser sammen med kona May-Britt Moser."
"Edvard Moser sammen med kona May-Britt Moser."


Oppdagelsen fra Moserlaboratoriet viser at denne delen av hjernen som bearbeider stedsinformasjonen og kartlegger omgivelsene, er et mer integrert og sammensatt navigasjonsinstrument enn man har tenkt seg tidligere.

- For å holde tritt med seg selv

- Systemet er på en måte til for at du skal kunne holde tritt med deg selv. Når du springer fremover, kan du alltid vite hvor du er, sier Moser.

Vi kan også treffe ganske bra selv om vi beveger oss i blinde.

- Det er litt som når du kjører bil. Selv om du holder blikket festet på veien, kan du likevel vite hvor de ulike tingene i bilen er. For eksempel kan du finne girstanga uten å se.

- Det er som et bevegelsesstyrt kart over hvor du er, sier Moser.

- Forbausende presisjon

- Systemet er ikke perfekt, vi bommer litt av og til, men dersom jeg hadde gitt deg bind for øynene på en fotballbane, og deretter bedt deg om å gå 20 meter frem, snu deg 90 grader og fortsette i 20 meter, for så å be deg om å gå tilbake til utgangspunktet, så hadde du nok truffet ganske bra.

- Vi kan gjøre dette med forbausende presisjon. Hjernen summerer hele tiden sine egne bevegelser. Nervesystemet legger sammen lengde, vinkler og hastighet. Det er rett og slett vektorregning, sier Moser.

- Egentlig er det veldig enkelt og du trenger bare noen få celler til å gjøre jobben. Små maur kan få det til. Nå er dette nettverket en ganske stor del av hjernen vår, men hjernen vår er flink til å bruke de samme nettverkene til flere ting.

Todimensjonal representasjon

- Det som er spennende er at dette er siste stasjon før informasjon blir sendt fra hjernebarken og inn i hippocampus, som er veldig viktig for minner.

På grunn av forbindelsen mellom gridcellene og hippocampus, er det mulig at gridcellene har en enda mer grunnleggende jobb enn navigasjon.

En gruppe amerikanske forskere er nå i ferd med å undersøke hvorvidt gridcellene kan brukes som grunnleggende komponenter for å representere todimensjonale objekter i hjernen.

Uavhengig av størrelseskala

De foreslår også at gridcellene kanskje kan brukes til å lage mentale representasjoner av mer sammensatte objekter, som for eksempel ansikter.

- Når du bygger en todimensjonal minnerepresentasjon av trekantnett, er det et enkelt triks du kan gjøre for å gjøre minnet uavhengig av størrelseskala, forklarer hjerneforskeren Hugh Blair til tidsskriftet Science.

- For eksempel når du møter en ny person, trenger du ikke å lagre egne separate minner for hvordan de ser ut på nært hold, versus langt borte. Vårt arbeid antyder at dersom du bygger minnerepresentasjonen av felt av trekantnett, kan du på en enkel måte representere ansiktet i alle mulige størrelser, sier Blair.

Lenke:

Moserlaboratoriet: Centre for the Biology of Memory

Referanser:

F. Sargolini, M. Fyhn, T. Hafting, B. L. McNaughton, M. P. Witter, M.-B. Moser, and E. I. Moser, B. L. McNaughton, M. P. Witter; Conjunctive Representation of Position, Direction, and Velocity in Entorhinal Cortex, Science, mai 2006.

Leutgeb, S., Leutgeb, J.K., Barnes, C.A., Moser, E.I., McNaughton, B.L., and Moser, M.-B (2005). Independent codes for spatial and episodic memory in the hippocampus. Science, 309, 619-623.

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.

Full publiseringsliste for Moserlaboratoriet finner du her.

Powered by Labrador CMS