Avslører minnets biologi

Korleis lagrar hjernen minner? Edvard og May-Britt Moser prøver å finne svar på eit eldgammalt spørsmål, og leitar i rottehjerner. Teknologien er så avansert at hjerneforskarane kan lytte til ei og ei hjernecelle. Pipp eller popp er lyden av ei tenkande rotte.

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

Filosofen Aristoteles trudde hjertet var intellektets sentrum, og at minnet og læreevna var plassert her. Sidan den gongen har vi kome eit stykke på veg, men hjerneforsking kan framleis vere som å leite etter nåla i høystakken: Hjernen er bygd opp av over 100 milliardar hjerneceller.

Dei siste 20 åra har brakt nevrofysiologien frå steinalderen til atomalderen, og 1990-talet blei utnemnt til hjernens tiår av den amerikanske presidenten. Viktig innsikt er oppnådd om nervesystemet, og om mekanismane som er ansvarlege for psykologiske funksjonar. Minnet er eit sentralt emne innanfor dette området.

Biologien bak psykologien

Ved Medisinsk-teknisk forskningssenter ved Noregs teknisk-naturvitenskapelige universitet (NTNU) har Noreg eit samling forskarar i verdsklasse, under leiing av ekteparet Moser.

Her plukkar forskarane hjernen frå kvarandre, og meiner alt som har med menneskets medvit å gjere er mogeleg å forklare ved hjelp av hjernens bestanddelar. Dei leitar etter samanhengen mellom cellene i hjernen og måten vi oppfører oss på.

Mot behandling av minnesvikt

Inntil nyleg har forskarane gått under namnet Gruppe for nevrofag, eller Moserlaboratoriet blant kjentfolk, men i juni i år fekk dei status som Senter for framifrå forsking (SFF). Namnet er no International Centre for the Biology of Memory (ICBM), og ekteparet Moser er godt i gang med å etablere eit internasjonalt svært anerkjent forskningssenter.

Forskarane arbeider med ei av dei største utfordringane i moderne nevrobiologi i dag, nemleg å identifisere det fysiske grunnlaget for læring og minne. Dette er typisk grunnforsking, men også viktig for framtidig behandling av minnesvikt, som er eit stort helseproblem (Alzheimers, demens, hjerneskadar, etc).

Romantikk på psykologistudiet

Herr og fru professor Moser er overraskande unge og jordnære til å ha bygd opp eit laboratorium med ein såpass høg status. Edvard er 40, og May-Britt er 39. Begge er vestlendingar; ho frå Fosnavåg og han frå Hareid.

Som det er med mange små stader i distriktet, måtte dei komande hjerneforskarane til ein større tettstad for å gå på vidaregåande. Dei hamna begge på realfaglinja i Ulsteinvik, og var dermed i same klasserom nokre få timar i veka - men det vart mykje meir reagensrør enn søt musikk.

- Vi kjende ikkje kvarandre den gongen. Vi var vel ganske forskjellige, trur eg, seier May-Britt, og ser skeivt bort på Edvard, som smiler i fortruleg stadfesting.

Ein eller annan stad midt i psykologistudiet ved Universitetet i Oslo blei derimot himmel og jord sett i rørsle. No har dei to jenter, er busett i Trondheim, og deler ansvaret for eit framifrå senter for forsking med stor internasjonal tyngde.

- At vi er to gjer det lettare å halde oversikt. Ingen av oss ville ha vore i stand til å halde laboratoriet i gong åleine. I tillegg er May-Britt best på anatomi, medan min styrke er fysiologi. Slik kan vi slå saman kunnskap, seier Edvard.

Rottene i kjellaren på Medisinsk teknisk

Laboratorierottene i Moserlaboratoriet lev det gode liv, for å kunne hjelpe til med å løyse gåta om kva som skjer i hjernen når vi hugsar.

Rottene gjer kunstar i vitskapens namn, og prestasjonane blir overvaka av avansert elektronikk. Ei stressa eller deprimert rotte lærer ikkje, så her blir dyra klødd bak øyrene og tekne godt hand om.

- Det aller beste rottene veit er sjokoladekjeks med vaniljekrem. Særleg vaniljekrem, seier May-Britt, og viftar med kjekspakken.

Fleire forskarar har felt sine modige tårer når dyra har blitt avliva. Rottene må nemlig bøte med livet etter omkring seks veker i aktivitet i laboratoriet, for at forskarane skal kunne studere hjernen skikkeleg. Hjernen må ut, for så å bli skoren opp i syltynne skiver som skal granskast nøye.

På ein benk inne på laboratoriet ligg lange remser med objektglas med kvar si skive av ei rottehjerne klistra fast. Hjernen er ikkje vanskeleg å skjere i eller trengje inn i:

- Den er som smør, seier Edvard.

Men før rottene får opptre i laboratoriet, må dei gjennom ein lang prosess med tilvenning, for å unngå stress. Eit besøk i kjellaren der dyra ventar på å bli ekte laboratorierotter, avslører to kvitkledde rotterøktarar som passar på at dyra har det bra.

- Og vi avlivar rottene på ein human måte. Berre tenk på dei vanlege rottefellene - eller på rottegift - grøssar May-Britt, før ho gir eit av dei svarte og kvite forsøksdyra eit lite kyss på den enda mindre snuten.

Symjande rotter

Eit av forsøka forskarane gjennomfører med rottene, inneber å sleppe dei ned i ein tank med vatn, og ein delvis skjult redningsplattform. Rotter er utstyrt med gode symjeevner frå naturen si side, og dei lærer fort korleis dei skal redde seg ut av det våte element.

Redningsplattformen er plassert like under vassoverflata, og er difor usynleg. Etter at rotta har oppdaga redninga, er den i stand til å finne tilbake dit, sjølv om den blir sleppt ut i vatnet på ein annan stad.

Rottene orienterer seg utifrå rommet, for eksempel ved å hugse kva som heng på veggane omkring. Andre forsøk involverer labyrintar, eller andre typar miljø som stimulerer og utfordrar rottene, medan forskarane registrerer hjerneaktiviteten.

Pip eller popkorn

Dei ørsmå signala som rottene sender frå hjernen, for eksempel når dei kjenner ei ny lukt, blir registrert av datamaskiner i Moserlaboratoriet. Forskarane brukar ultratynne elektrodar som registrerer signala frå enkeltvise hjerneceller. Dette er tynne metalltrådar som er ført inn i rottehjernen, og som lyttar til hjerneceller i arbeid.

Bokstavelig talt lyttar altså: Enkeltvise hjerneceller i rottehjernen står i samband med ei datamaskin som overset fyringane frå cella til både kurver på skjermen og lyd frå høgtalarane.

- Nokre av cellene seier pipp, andre seier popp, seier May-Britt mens vi høyrer på datamaskinen som er knytt til rotta gjennom sofistikert teknologi - den knitrar som ein gammal radio. Kvart pipp eller popp er ein impuls frå ei celle.

Sensorane fangar opp signala, og fortel kva for celler og grupper av celler som er aktive. Utfordringa for forskarane er å finne ut kva slags aktivitetsmønster som gjer at minne oppstår.

Ein sjøhest i tinninglappen

Ekteparet er spesielt opptekne av ein bestemt del av hjernen som heiter hippocampus. Denne ligg i både venstre og høgre hjernehalvdel under hjernebarken. Den har same storleik som ein tommelfinger hos menneske, og i tverrsnitt form som ein sjøhest. Hos rotta er hippocampus veldig stor, og utgjer ti prosent av rottehjernen, samanlikna med berre to prosent av menneskehjernen.

Hippocampus er heilt avgjerande for vår evne til å hugse hendingar og lære fakta, og for at vi skal klare å fordele og lagre alle inntrykka i hjernebarken. Den er ikkje så viktig for permanent lagring av minne, men essensiell for at vi skal få noko inn i hovudet, og for at det utviklar seg permanente hukommelsesspor andre stader i hjernen.

- Den registrerer daglegdagse hendingar som ansikt, stader eller namn, seier Edvard.

Kartlegg hjernefunksjonar

Det er truleg at skadar i hippocampus kan vere årsak til hjerneskadar som forvirring og minnebrist. Dette er typiske problem for menneske som for eksempel har vore utsett for drukningsulykker, eller sjukdommar som Alzheimers og aldersdemens.

- Men funksjonen varierer litt i forhold til forskjellige typar minne. Den delen av hippocampus som ligg øvst, er viktigare for å hugse stader. Tidligare trudde vi denne funksjonen blei ivareteken av heile hippocampus. Den andre enden kontrollerer mellom anna fryktrelatert åtferd, forklarer May-Britt.

Fryktlause rotter

Ved laboratoriet har forskarane gjort forsøk med rotter der den nedste delen av hippocampus var fjerna. Det viste seg at dei blei meir fryktlause etter fjerninga - rottene var ikkje like redde for å gå ut på opne plassar som artsfrendane som hadde hippocampus i behald.

- Det var nesten som om dei hadde fått valium. Dette kan fortelje noko om kva for delar av denne hjernestrukturen som snakkar med resten av hjernen. Den øvste delen har mest med sanseinformasjon å gjere, medan den nedste kommuniserer meir med kjensleregionane i hjernen, seier May-Britt.

Med liknande metodar har forskarane funne ut at innlæring skjer ved at hukommelsessporar blir spreidd over heile strukturen i denne delen av hjernen.

Når rottene fekk fjerna ein liten del av hippocampus før innlæring, klarte dei oppgåvene sine perfekt. Når fjerninga skjedde etter innlæring, gjekk det ikkje like bra.

Rotters orienteringsevne

Allereie som hovudfagsstudentar var Edvard og May-Britt i gang med forsking, og begge tok doktorgraden på rottenes evne til å orientere seg i rommet.

Edvards første Science-arbeid (1993) var basert på doktorgraden, og undersøkte om det er mogeleg å finne endringar i kommunikasjonen mellom hjernecellene i hippocampus som kan relaterast til minnet.

Han fann endringar i kommunikasjonen mellom cellene, men avslørte også ein feil i tidligare forsking på rottenes hjerneceller: Fleire av endringane ein meinte var læringsendringar, kom eigentleg på grunn av at rottenes kroppstemperatur aukar med opp til to grader celsius når rottene utfører læringstestar.

Konklusjonen var at ein måtte bruke andre metodar for registrering av kommunikasjonen; nemleg ved å registrere signal frå enkelte hjerneceller.

Med kjende mentorar

"Rottehjernen er knøttliten."
"Rottehjernen er knøttliten."

Parallelt skreiv May-Britt sin doktorgrad, der ho telte opp kontaktpunkt (synapsar) på rottenes hjerneceller. Ho plasserte vaksne rotter i eit stimulerande miljø som blei endra kvar dag i 14 dagar, og registrerte at dette førte til at nokre av nervecellene utvikla seg med fleire kontaktpunkt.

På denne tida studerte både May-Britt og Edvard under den kjende norske hjerneforskaren Per Andersen ved Nevrofysiologisk institutt ved universitetet i Oslo.

I den neste forskingsfasen samarbeidde forskarparet med dei framståande professorane Richard Morris ved universitetet i Edinburgh og John O’Keefe ved University College of London. I London lærte dei heilt nye metodar for å registrere signal frå enkeltvise hjerneceller. Dei tok i bruk ekstremt tynne trådar (17 mikrometer) i ei metallegering som kunne fange opp signal frå individuelle celler.

Ved å bruke dei nye metodane har mange oppdagingar og nye publikasjonar funne vegen ut i det internasjonale hjerneforskarmiljøet frå laboratoriet i Trondheim.

Hjerneknitring avslører rotta

- Dersom vi plasserer ei rotte i eit kjedeleg miljø, kan vi faktisk finne ut kvar den står i miljøet med presisjon på nokre få centimeter, berre ved å lytte til eit titalls celler i hippocampus, seier May-Britt.

- Og vi har funne ut at fleire celler blir aktive når rotta bevegar seg forbi eit viktig punkt i eit miljø - for eksempel der den forventar å finne ein skjult plattform i ein vannlabyrint, utfyller Edvard.

I sin siste publikasjon i journalen Science presenterer forskarane eit nyoppdaga system for hukommelse i hjernen, og viser at det eksisterer to nettverk for minne i hippocampus. Dei to forskjellige minnetypane er gjenkalling og gjenkjenning.

To minnekretsar

Forskjellen er kjend frå dagleglivet: Om du lærer ei liste med namn og må avgjere om eit bestemt namn var med på lista eller ikkje, er det gjenkjenning som blir testa. Dersom du blir bedt om å huske så mange namn du klarer, handlar det om gjenkalling. Ei av utfordringane for den framtidige forskinga ved laboratoriet er å forstå korleis desse minnestrukturane kommuniserer med resten av hjernen.

- Gjenkjenning er litt enklare; cellene klarer seg her med ei direkte rute til hjernebarken. For gjenkalling er det litt meir komplisert, med eit tett integrert nettverk, forklarer May-Britt.

Gjeld for alle pattedyr?

- Nylig har vi også sett at celler i hippocampus blir aktivert når ting ikkje er slik dei skal vere; for eksempel når vi flyttar redningsplattformen i bassenget. Då fyrer celler som tidlegare ikkje har vore aktive ein voldsom serie av aksjonspotenisal, seier Edvard. Han meiner det går fint å trekke parallellar mellom den menneskelege hjernen og rottehjernen.

- Vi trur funna gjeld for alle pattedyr. Rotter og menneske er ikkje så forskjellige når ein ser på artsutviklinga. Til og med havsneglar utvikla grunnleggande mekanismar for læring veldig tidlig. Dette er ein eigenskap som er bevart over mange artar, og som ein også finn enkle former av hos så forskjellige organismar som rundorm og sjøanemoner, seier Edvard, men nemner at nye læringsformer har kome til i artsutviklinga, og at språket er innvevd i mange former for minne hos mennesket.

Bygger bru over forskingskløft

Ein kan studere hjernen på fleire nivå, frå molekyl, individuelle celler og nettverk, til nevrologiske system og mentale fenomen. Minnet har tradisjonelt blitt studert ved hjelp av to strategiar. Den eine startar med å ta tak i kognitivt minne eller åtferdsminne, og arbeider seg nedover mot å identifisere dei regionane i hjernen som er involvert, heilt ned til dei individuelle cellene og molekyla som bør stillast til ansvar.

Den andre strategien går nedanfrå og opp, og byrjar med dei molekylære mekanismane for endringar av strukturane i hjernen, og arbeider seg opp mot eit overblikk over åtferdsminnet. Åleine har ikkje tilnærmingane vore i stand til å etablere faste samanhengar mellom molekylar og åtferd.

Midt imellom

Det internasjonale senteret for minnets biologi i Trondheim har hovudfokus på analyser som ligg midt imellom dei tradisjonelle tilnærmingsmetodane; nemlig der nettverk av nerveceller kodar inn og lagrar informasjon som kan bli henta opp igjen på eit seinare tidspunkt.

Teknologiske nyvinningar har gjort gruppene med nerveceller meir medgjerlege for eksperimentell analyse, slik at det er mogeleg å bygge bru over kløfta mellom molekylære hendingar i enkelte celler, og komplekse dataoperasjonar i store minnekrinsar.

Statusen som framifrå

Edvard og May-Britt er svært glade for å ha fått status som framifrå, og dermed også lovnad om finansiering i mange år framover.

- Dette er ei løyving som går over ti år, dersom evalueringa etter fem år er vellukka. Det gjer at vi kan tenke veldig langsiktig, og tørre å satse skikkeleg. I ein internasjonal samanheng er dette ganske unikt, og det gjer oss meir interessante for våre kontaktar, seier Edvard.

I dag har senteret knytt til seg sju forskarar i ei internasjonal gruppe, i tillegg til forskarane med fast tilknyting i Trondheim.

Onsdag 2. oktober fann den faglege opninga av senteret stad, sjølv om den offisielle opninga ikkje finn stad før den 18. november (inkludert signering av kontrakten). Poenget var at Edvard og May-Britt ikkje klarte å vente så lenge. Den faglege opninga bestod av eit eindagssymposium, der seks av sju i den internasjonale gruppa var på plass, gav førelesningar og feira.

- Dette forskingsfeltet er basert på internasjonalt samarbeid - ein er avhengig av det fordi feltet er så komplisert, og dette sikrar vårt nettverk, seier Edvard.

Ein tredje grunn til at SFF-statusen er viktig, er at forskarane kan få konsentrere seg om forsking, og langt på veg får fritak frå undervisning og andre administrative oppgåver.

Gammal gåte god som ny

Hjerneforskarar har gjort store oppdagingar om hjernen. Men innanfor feltet finst det også saker det er vanskeleg å ta tak i. Problemet kokar ned til eitt stort uforklarlig spørsmål:

Korleis kan mekaniske rørsler i hjernen gi oss medvitne opplevingar?

Ein kan trygt seie at forskarane i dagens avanserte hjerneforskingslaboratorium studerer medvitsfenomen. Men korleis hjerneaktivitet gir medvitne opplevingar, er dei langt frå å kunne svare på.

Dette er et like stort mysterium for forskarane i dag som det alltid har vore. Forskjellen er kanskje berre at den naturvitskaplege ukorrekte sjela er blitt ståande heilt vekkgløymt og hutrande ute i kulden.

- Vi studerer det materielle

- Dei som forskar på synet har også problem med å forstå kvifor vi kan sjå. Dei kan seie at bildet blir produsert her eller der, men dei kan ikkje forklare opplevinga, seier May-Britt.

- Det er vanskeleg å forklare medvit. Det vi studerar er materielle komponentar. “Sjel” er eit ikkje-materialistisk omgrep, og det kan ikkje vi forholde oss til. Det er lettare å operasjonalisere - å måle at minne har skjedd, seier Edvard. Nesten alle hjerneforskarar i dag meiner det ikkje er forskjell på kropp og sjel.

- Vi, som dei fleste andre, meiner det som finst i hjernen er alt som skal til for å lage dei fenomen vi knyttar til medvit, avsluttar han.

Edvard Mosers heimeside
May-Britt Mosers heimeside
The neuroscience unit
The Society for Neuroscience

Powered by Labrador CMS