Slik oppstår gittermønstrene i hjernen

En likevektstilstand i nerveceller som gjensidig hemmer hverandre, kan forklare hvordan rottehjernen lager mentale kart over omgivelsene.

Publisert
Gittercellene i rottehjernen lager elektriske signaler som til sammen tegner et kinasjakk-liknende mentalt rutenett over rottas omgivelser. (Foto: (Illustrasjon: NTNU))
Gittercellene i rottehjernen lager elektriske signaler som til sammen tegner et kinasjakk-liknende mentalt rutenett over rottas omgivelser. (Foto: (Illustrasjon: NTNU))

Stedsansen er hukommelsens mor

Forskerne i Trondheim bruker rottehjernen som et utgangspunkt for å forstå menneskehjernen, som inneholder noe sånt som 100 milliarder nevroner. Hvert av disse nevronene ”snakker” med ca. 10 000 andre nevroner, i nettverk som er ufattelig kompliserte.

Forskerne studerer stedsansen hos rotter og andre pattedyr fordi stedsansen er ”hukommelsens mor”. Minner er nemlig nesten alltid knyttet til et sted – alle husker hvor de befant seg 22. juli 2011, eller da Oddvar Brå brakk staven.

– Det betyr i praksis at vi lærer mer om menneskets hukommelse når vi studerer rottenes stedsans, forteller professor Menno Witter ved Centre for Neural Computation (CNC) i Trondheim. Han er en av 16 forskere som nå står bak to nye artikler i det vitenskapelige tidsskriftet Nature Neuroscience.

Menno Witter var også med på å legge grunnlaget for oppdagelsen av gittercellene i 2005, mens han var professor ved Free University of Amsterdam. I dag leder han en av de fem forskergruppene ved CNC.

Ny forskning med nye verktøy

Professorene Edvard og May-Britt Moser etablerte Centre for the Biology of Memory (CBM) ved NTNU i 2002, med støtte fra Norges forskningsråds ordning med Sentre for fremragende forskning.

I 2007 fikk senteret også støtte fra den norskamerikanske forretningsmannen og filantropen Fred Kavli, og senteret ble et Kavli-institutt (Kavli Institute for Systems Neuroscience).

Norges forskningsråd ga i 2012 hjerneforskningen i Trondheim en ny SFF-kontrakt med ti års varighet. Det nye SFF-senteret heter Centre for Neural Computation (CNC). Senteret er fortsatt et Kavli-institutt.

Ved starten i 2002 var forskerne ved CBM spesialister på å registrere og analysere de elektriske signalene fra nevroner i og rundt hippocampus i rottehjernen. Senteret er nå kraftig utvidet og omfatter fem forskergrupper med ulike spesialiteter, som for eksempel DNA-teknologi og matematisk modellering. De to artiklene i Nature Neuroscience er resultat av et samarbeid mellom tre grupper ledet av henholdsvis Edvard og May-Britt Moser, Menno Witter og Yasser Roudi.

Dette forklarer ikke bare hvordan stedsansen kan bli til, men det gir også innsikt i hvordan hjernen lager sine egne mønstre.

Det vakte internasjonal oppsikt da de såkalte gittercellene i rottehjernen ble oppdaget av Edvard og May-Britt Moser og deres studenter ved NTNU i Trondheim i 2005.

Gittercellene er en spesiell type nevroner (nerveceller) som spiller en sentral rolle i rottehjernens stedsans, fordi de «fyrer», det vil si at de sender elektriske signaler til andre nevroner, når rotta passerer bestemte punkter i det miljøet rotta beveger seg i.

Forskerne i Trondheim studerer stedsansen hos rotter og andre pattedyr fordi stedsansen er «hukommelsens mor». Minner er nemlig nesten alltid knyttet til et sted – alle husker hvor de befant seg 22. juli 2011, eller da Oddvar Brå brakk staven.

– Det betyr i praksis at vi lærer mer om menneskets hukommelse når vi studerer rottenes stedsans, forteller professor Menno Witter ved Centre for Neural Computation (CNC) i Trondheim.

Kart med trekantet rutenett

Det mest oppsiktsvekkende ved oppdagelsen i 2005, var at gittercellenes elektriske signaler til sammen tegner et kinasjakk-liknende mentalt rutenett over rottas omgivelser.

Rottehjernen bruker dette rutenettet omtrent på samme måte som vi mennesker bruker rutenett med lengdegrader og breddegrader på våre egne kart.

Rottehjernens rutenett rulles kontinuerlig ut rundt dyret mens det beveger seg. Rutene i nettet er like store og er organisert langs tre gitterakser, uansett rottas hastighet og retning.

Menneskelige kart blir tegnet med et firkantet rutenett, mens rottehjernen tegner et rutenett som består av likesidede trekanter i et sekskantet mønster.

Gittercellene finnes i en liten del av hjernen som heter entorhinal cortex, og som forbinder «hukommelsesenteret» i hippocampus med resten av hjernebarken.

Etter 2005 har hjerneforskerne i Trondheim vist at disse områdene av rottehjernen også inneholder nevroner som fungerer som henholdsvis GPS, speedometer og kompass og grensemarkeringer. Til sammen gir dette et utgangspunkt for å forstå hvordan stedsansen i rottehjernen fungerer.

Stadig nye spørsmål

Men forskere blir aldri helt fornøyd: Hver gang de finner et nytt svar, stiller de et nytt spørsmål.  Så snart gittercellene var oppdaget, spurte forskerne derfor hvordan et slikt regulært rutenett kunne bli til.

Svaret kom i vinter:

– Vi har funnet ut at prinsippene som styrer gittercellene antakelig er enklere enn det vi antok på forhånd. Det er en god nyhet, oppsummerer Witter.

To konkurrerende modeller

Etter at forskerne i Trondheim oppdaget gittercellene, ble det nemlig lansert flere teorier som skulle forklare hvordan gittercellene dannes.

En av modellene tar utgangspunkt i at gittercellene danner et nettverk av nevroner som alltid vil forsøke å nå en stabil tilstand med et så lavt energiforbruk som mulig.

– Tenk på en ball som ruller over et ujevnt underlag. Da vil ballen alltid stanse i en dump, og så må du tilføre energi for å dytte ballen ut av dumpa. Slik er det også med gittercellene: De danner de mønstrene som er energimessig mest stabile, forklarer Witter.

Forskerne i Trondheim bestemte seg for å teste denne modellen, og dermed satte de i gang et stort prosjekt som varte i to år. En gruppe studerte gitterceller i levende rotter, og en annen studerte forbindelser mellom nerveceller i snitt av rottehjerner.

Den tredje gruppen satte seg foran datamaskinene og bygde opp en modell av gittercellenes nettverk, basert på de eksperimentelle observasjonene.

Flere nye funn

På denne måten fant forskerne ut flere nye ting. De har blant annet påvist at to gitterceller aldri «snakker» direkte med hverandre – det er alltid et såkalt internevron mellom to gitterceller.

Dette internevronet fungerer som en hemmer eller en brems, i den forstand at det gjør det vanskeligere for gittercelle nr. to å «fyre» etter at det har mottatt et signal fra gittercelle nummer én.

Men det blir jo ikke mye futt i et nettverk hvor alle signaler mellom gitterceller blir bremset, så nettverket må også få tilført energi i form av elektriske signaler. Disse signalene – «gasspedalen» – kommer fra hippocampus, som er en liten hjernestruktur i nærheten av entorhinal cortex.

– Vi fikk en stor overraskelse da vi la inn disse to faktorene – bremser i entorhinal cortex og en gasspedal utenfra – i modellen vår. Resultatene viste nemlig at dette var nok til å skape det samme gittermønsteret som de «ordentlige» gittercellene lager i en levende hjerne, forteller Witter.

Minner om en bikube

– Prinsippene som styrer gittercellene i hjernen ser ut til å være ganske enkle. Da har vi grunn til å tro at også de andre systemene i hjernen er forholdsvis enkle, sier professor Menno Witter. (Foto: Geir Mogen/NTNU)
– Prinsippene som styrer gittercellene i hjernen ser ut til å være ganske enkle. Da har vi grunn til å tro at også de andre systemene i hjernen er forholdsvis enkle, sier professor Menno Witter. (Foto: Geir Mogen/NTNU)

Gittercellene tegner et sekskantet mønster som minner om en bikube.

– Det er veldig vanlig å finne sekskantede mønstre i naturen. De er oftest de mønstrene som er mest stabile.

– Vi vet ikke spesifikt hvorfor gitterceller oppfører seg på denne måten, men det kan ha noe å gjøre med at sekskantet geometri er en likevektstilstand som oppstår når alle gittercellene inhiberer alle cellene rundt seg innenfor en viss omkrets, forteller Witter.

Vil forstå menneskehjernen

Forskerne i Trondheim bruker rottehjernen som et utgangspunkt for å forstå menneskehjernen, som inneholder noe sånt som 100 milliarder nevroner. Hvert av disse nevronene «snakker» med cirka 10 000 andre nevroner, i nettverk som er ufattelig kompliserte.

– Det var en lettelse å oppdage at gittercellene kan forklares med en ganske enkel modell. Denne studien forteller oss hvordan én funksjon i hjernen virker, men den gir oss grunn til å tro at også de andre funksjonene i hjernen bygger på enkle prinsipper.

– Da blir det kanskje litt lettere å forstå hvordan også de større delene av hjernen virker, oppsummerer Witter.

Referanser:

Bonnevie m.fl.: Grid cells require excitatory drive from the hippocampus, Nature Neuroscience, Volume: 16 2013, doi: 10.1038/nn.3311.

Couey m.fl.: Recurrent inhibitory circuitry as a mechanism for grid formation, Nature Neuroscience, Volume: 16 2013, doi: 10.1038/nn.3310.