Hukommelsen kommer i pakker

Noen ganger våkner vi forvirra opp på et fremmed sted og tror vi fortsatt er hjemme. Hva skjer i hjernen når den jobber med å hente fram det riktige minnet? 

Published
 (Foto: (Illustrasjon: iStockphoto))
(Foto: (Illustrasjon: iStockphoto))

Hukommelsen er ekstremt rask. I overgangen fra det ene til det andre, kan hjernen flimre mellom ulike minner i løpet av 125 millisekunder – bare litt mer enn en tiendedels sekund.

Vi opplever det til daglig, for eksempel når vi tenker på én ting og plutselig kommer på noe annet.

Eller i et øyeblikks forvirring på hotellrommet om morgenen, før minnet om den sene ankomsten i en fremmed by faller på plass.

Forskere ved Moserlaboratoriet ved NTNU i Trondheim har “teleportert” rotter for å undersøke hvordan overgangen fra ett minne til et annet virker.

Overgang

En av oppdagelsene er at minner ikke kommer i en kontinuerlig strøm, men at hukommelsen er “kvantal”, altså organisert i små pakker.

- Det er enten det ene minnet eller det andre - ingen gradvis overgang, forteller professor Edvard Moser ved laboratoriet som offisielt heter Centre for the Biology of Memory.

I fysikken er en kvant den minste enheten av noe fysisk som er involvert i en interaksjon. Lyset har for eksempel fotonet som sin minste enhet.

I et bestemt område i hjernen finnes det “kvanter” i form av thetabølger, svingninger i celleaktiviteten som varer i 125 millisekunder. Ett millisekund er en tusenedel av et sekund.

Lyttet til celler

Forskerne i Trondheim har funnet ut at minnene er organisert i kvanter ved å lytte etter aktiveringen av enkeltvise hjerneceller i en pølseformet del av hjernebarken kalt hippocampus.

Dette er en del av hjernen som er veldig viktig for hukommelsen.

Moser og kollegaene har studert hjernene til rotter i et finurlig eksperiment hvor de lurte dyra til å tro at de ble teleportert fra ett sted til et annet.

Ei av rottene som bidrar til å utvide vår forståelse av hjernen ved Moserlaboratoriet i Trondheim. (Foto: Raymond Skjerpeng, NTNU)
Ei av rottene som bidrar til å utvide vår forståelse av hjernen ved Moserlaboratoriet i Trondheim. (Foto: Raymond Skjerpeng, NTNU)

- Vi trente rottene i en boks i et veldig mørkt rom, hvor lysmønstre var det eneste som fortalte dem hvor de var, forteller Moser.

En og en rotte ble tatt inn og ut av boksen, og dermed trent til å oppfatte at den var på forskjellige steder når det var stjernemønster i gulvet kontra mønster i veggene.

“Teleporterte”

- Fordi dette var kontrollert av lys ble det mulig for oss å “teleportere” rotta fra ett sted til et annet ved å skifte lysmønsteret mens rotta var i boksen, forklarer Moser.

- Dermed introduserte vi en slags konflikt: Rottas sanseinntrykk fortalte at den var på et nytt sted, mens hukommelsen sa at den fortsatt var i den forrige boksen.

Mens dette skjedde, målte forskerne aktiviteten fra opp til 100 av rottas hjerneceller ved hjelp av supertynne elektroder – metalltråder inne i rottehjernene.

Cellenes aktivitetsmønster fortalte forskerne om rottehjernen på ethvert tidspunkt oppfattet at den var i boks A eller boks B.

Minnekart

Bakgrunnen for at trondheimsforskerne faktisk kan lese av dette, er mange år med avsløringer av aspekter ved minnets virkemåter.

Moserlaboratoriet har for eksempel dokumentert at minner er kodet inn i store nettverk av celler i hippocampus, og de har blitt eksperter på å identifisere dem ved å lytte til celleaktiviteten.

De har vist at hjernen sørger for aktivisering av ulike grupper av celler i hvert enkelt minne, for å holde cellenes minnemønstre fra hverandre. Hjernepølsa anstrenger seg altså for å gjøre minnene så forskjellige som mulig.

Det betyr at bestemte celler i hippocampus er aktive i ett bestemt miljø, men helt stille i andre miljøer. Slik gir cellenettverkene hjernen en direkte representasjon for hvert enkelt miljø, og som du sikkert merker selv, er minner nært koblet til steder.

Kamp mellom minner

Hos rotta som ble teleportert, var Moser og kollegaene på jakt etter hvordan overgangen var fra det ene minnet til det andre.

Rett etter teleporteringen målte de derfor hjernecellenes aktivitet nærmest millisekund for millisekund.

De delte så opp målingene i blokker på 125 millisekunder, som er tidsintervallet for en kjent syklus for hjerneaktivitet kalt thetasyklusen.

- For hver blokk spurte vi: ‘Hvor er rotta nå?’ Vi så at det var en periode rett etter teleporteringen at de to minnene faktisk slåss med hverandre, forteller Moser.

Enten-eller

Selv for de ørsmå tidsintervallene var det enten-eller for de to forskjellige minnene. Det skjedde altså ingen miksing av minner før rottehjernen slo seg til ro med det ene eller det andre.

Professorene May-Britt og Edvard Moser, ekteparet som står i spissen for Moserlaboratoriet ved NTNU. (Foto: Geir Mogen/ NTNU) (Foto: Geir Mogen/NTNU)
Professorene May-Britt og Edvard Moser, ekteparet som står i spissen for Moserlaboratoriet ved NTNU. (Foto: Geir Mogen/ NTNU) (Foto: Geir Mogen/NTNU)

- Den minste enheten vi var i stand til å oppdage var én thetasyklus, altså 125 millisekunder. I dette tidsintervallet kan et helt minne aktiveres, sier Moser.

I den aller første fasen etter teleporteringen kunne rottehjernen svinge mellom de to ulike minnene hvert 125. millisekund, og når den vekslet slik, gjorde den det fullt og helt. Forskerne kaller det flimring.

Organisert i små biter

For Moser sier dette noe mer enn bare hvordan overgangen mellom to ulike minner ser ut.

- Det forteller noe om organiseringen av hukommelsen – at den er organisert i små biter, nemlig tidsstrukturen for hukommelsen, som er en slags minste fulle enhet for minnet.

Moser forteller at thetasyklusen har vært kjent i 50 år. Nyheten er altså at hukommelsen er i stand til å hente fram et helt minne i løpet av så kort tid.

Syklusen dannes ved at mange celler i hippocampus er aktive og roer seg samtidig.

Går i takt

- Du kan tenke deg at du lytter til alle cellene der inne, og fanger opp gjennomsnittet av aktivitet. Da vil du se at aktivitetsmønsteret danner en sinusbølge som går opp og ned.

I bølgedalene er cellene i gjennomsnitt ganske stille, mens på bølgetoppene er aktiviteten høy. Hjernecellene i hippocampus går altså i takt.

- Det ligger et klart signal til hjernen der. Vi kan snakke om aktive og passive perioder. Den aktive perioden strekker seg over litt mer enn halvparten av de 125 millisekundene.

Klokke som gir presisjon

Men hvorfor er det slik? Moser kan tenke seg fordeler med denne typen organisering.

- Det blir som en klokke som koordinerer alt som skjer i hippocampus. Det gir presisjon i hvordan de ulike cellene oppfører seg i forhold til hverandre.

I tillegg til at de ikke sender ut signaler, er cellene nemlig også mye mindre mottakelige for signaler fra andre celler når de er i sin stille fase.

- Uten en slik klokke ville det fort bli kaos, med celler som ikke kunne snakke med hverandre fordi de ikke var i takt, sier Moser.

Starter på nytt

Han åpner for at det kan ligge mer glidende overganger mellom minnene innenfor hver av thetasyklusene.

Moser ser på mønstrene i den teleporterte rottehjerna som et uttrykk for at hippocampus nærmest starter på nytt for hvert 125. millisekund. For å se enda nærmere på dette, brøt forskerne hver thetasyklus ned i to deler.

De oppdaget at i første del var minnene litt blandet, mens hippocampus gikk fullstendig inn i det ene eller andre minnet i syklusenes andre del.

- Det er som om hjernen prøver om igjen og om igjen. Dette er nok spesielt for hippocampus. Her har hjernen råd til å prøve i mange sekunder for å huske noe, det gir en større sjansen til å hente opp et minne, som er en fordel, forklarer Moser.

Han tror ikke et slikt system ville fungert like bra for andre deler av hjernen, for eksempel for synshjernebarken.

- Der kan det være livskritisk om man ikke klarer å se noe i løpet av veldig få millisekund, sier Moser.

Han tror derfor at de avdekte mekanismene er spesielle for hukommelsen.

- Vanvittig komplisert

Hjerneforskerne i Trondheim fortsetter jakten på de grunnleggende kodene som hjernen bruker for å lagre informasjon – samspillet mellom store grupper av celler i hjernen.

Moserlaboratoriet har fått stor anerkjennelse internasjonalt, og må nå bremse tilstrømmingen av forskere som ønsker å komme dit.

På tross av alle de eminente hjernecellene i Trondheim som fyrer av signaler for å forstå seg selv, er ikke Moser redd for at han skal våkne en dag uten å lure på noe.

- Nei, når vi forstår en ting om hukommelsen kommer det samtidig to nye spørsmål, sier han.

- Jeg mener jo at alt det som skjer inne i hjernen kan brytes ned til elektriske og kjemiske prosesser.

- Men uansett er samspillet mellom disse prosessene vanvittig komplisert. Hjernen har hundre milliarder hjerneceller, og det vi forstår er bare biter og fragmenter, sier Moser.

Referanse:

Karel Jezek, Espen J. Henriksen, Alessandro Treves, Edvard I. Moser & May-Britt Moser; Theta-paced flickering between place-cell maps in
the hippocampus; Nature 29. september 2011; doi:10.1038/nature10439.

Lenke:

NTNU: Moserlaboratoriet