Hjernekart til små og store rom

Vi forholder oss lett til miljøer av ulike størrelser – fra store sletter til trange toaletter. En liten hjernekanal kan spille en nøkkelrolle i vår svitsjing mellom livets rom.

Publisert
En mus i forsøket utforsker miljøet sitt. (Foto: Matias Okawa, Hannah Eggink)
En mus i forsøket utforsker miljøet sitt. (Foto: Matias Okawa, Hannah Eggink)

Du står og stirrer på et kart, og grunner på hvordan miljøet du befinner deg i samsvarer med den rutenettbelagte tegningen du har i hendene. For hva har skjedd med kartet ditt?

Plutselig kan du ikke kjenne det igjen – koordinatlinjene har flyttet på seg og rutene har blitt større!

En slik oppskalering av hjernens indre kartkoordinater ser forskere i en ny studie av mus.

Musene hadde fått blokkert en bestemt kanal inn til celler i en del av hjernebarken. Kanalen er ansvarlig for å slippe inn viktige ioner.

Nå tror forskerne at denne kanalen er del av et slags justervesen for vårt indre kart, som holder orden store og små miljøer som mus, og kanskje også mennesker, farter gjennom.

Lager trøbbel for de små ting

- Tenk deg at du mistet annenhver lengdegrad og breddegrad. Da ville du ikke få en god representasjon av miljøet på et detaljert nivå, sier Lisa Giocomo.

Gittercellene til venstre tilhører en normal mus, mens de til høyre tilhører en mus som har fått ione-kanalen satt ut av funksjon. Her var avstanden mellom fyrende celler større enn normalt. (Foto: Lisa Giocomo)
Gittercellene til venstre tilhører en normal mus, mens de til høyre tilhører en mus som har fått ione-kanalen satt ut av funksjon. Her var avstanden mellom fyrende celler større enn normalt. (Foto: Lisa Giocomo)

Hun er postdoktor og forsker ved Kavli Institute of Systems Neuroscience (CBM) ved NTNU, som ledes av Edvard og May-Britt Moser.

Mens gruppa av intetanende genmanipulerte mus snuste rundt i en innhegning på én kvadratmeter, studerte Giocomo aktiviteten i en del av hjernebarken deres som heter entorhinal cortex.

Entorhinal cortex ligger oppå hukommelsessenteret hippokampus, dypt inne i hjernen.

Så sammenlignet hun dette med mus som hadde kanalen intakt. Hos de genmanipulerte musene så Giocomo at nettverket av celler som danner det indre kartet ble blåst opp, ifølge studien som nå er publisert i tidsskriftet Cell

Hjernekartet til musene mistet sine minste skalatrinn - det ble rett og slett grovere.

- Nå tror vi at denne kanalen antakeligvis er en del av maskineriet som danner det medfødte skaleringssystemet for koordinatmålene, og at skaleringen kanskje hjelper til med å navigere i omgivelser som krever detaljert kunnskap om miljøet, sier Giocomo.

Gitterceller

Det var forskerekteparet Moser som i 2005 sammen med sine studenter oppdaget gittercellene, som er sentrale i den indre kartdannelsen. 

De norske forskerne viste, ved forsøk med rotter, at disse cellene danner et indre kart over miljøet rotta befinner seg i.

De svarte strekene er en gnagers bevegelsesmønster i et miljø. De røde feltene markerer feltene der gittercellene dens var spesielt aktive. (Foto: Matias Okawa)
De svarte strekene er en gnagers bevegelsesmønster i et miljø. De røde feltene markerer feltene der gittercellene dens var spesielt aktive. (Foto: Matias Okawa)

Dette skjer ved at cellene fyrer av et signal når dyret beveger seg over bestemte punkter på flaten.

Gittercellenes gnistringer danner “knutene” i et regelmessig nett, ikke helt ulikt et hønsenetting-mønster. Cellene danner dette nettet uavhengig av hvor raskt, og i hvilken retning, dyret beveger seg i.

Se video fra NTNU av May-Britt og Edvard Moser som forteller om gittercellene.

Selv om forskerne har sett dette hos rotter og mus, kan de antakeligvis også si noe om hvordan menneskehjernen er.

Hvis man ser på hvordan signalbanene og cellene er ordnet, er hjernene nemlig svært like, forklarer Moser.

Flere kartlag - organiseres av kanalen?

De fleste av oss ikke har noen problemer med å bevege oss fra en åpen plass til en trappeoppgang med mange dører og retninger.

Men det er antakeligvis nettopp når man skal orientere seg i flere ulike omgivelser, at behovet for et aldri så lite justervesen oppstår, ifølge Lisa Giocomos nye funn.

Gittercellene lager seg nemlig ikke bare ett rutenett - de danner flere som ligger oppå hverandre. Det kan se ut til at de lagvise nettene brukes som kart i miljøer av forskjellige størrelser.

Nederst i entorhinal cortex, nær bunnen av musehjernen, ligger de mest stormaskede lagene, der gittercellene fyrer av med stor avstand til hverandre. Det kan se ut til at det er de groveste nettene vi bruker når vi navigerer gjennom store områder der de små detaljene ikke er så viktige.

De stadig finere og tettere nettene som ligger oppover i entorhinal cortex kan tenkes å bidra til at vi kan operere med større presisjon der det trengs.

Mus med anordning på hodet slik at forskerne kan høre hjerneaktiviteten. Den festes under full narkose, og dyra får smertelindring etterpå, selv om forskerne ikke ser noen tegn til at de har det vondt. Musene har i tillegg hver sin ansvarsperson i laboratoriet, som passer ekstra godt på dem, ifølge May-Britt Moser. (Foto: Matias Okawa)
Mus med anordning på hodet slik at forskerne kan høre hjerneaktiviteten. Den festes under full narkose, og dyra får smertelindring etterpå, selv om forskerne ikke ser noen tegn til at de har det vondt. Musene har i tillegg hver sin ansvarsperson i laboratoriet, som passer ekstra godt på dem, ifølge May-Britt Moser. (Foto: Matias Okawa)

Samtidig som dette kan virke logisk, er antakelig hele forklaringen på hvordan de skalerte kartene fungerer mer komplisert enn som så, ifølge Edvard Moser.

- Det er fristende å tro at man trenger de tetteste nettene for å operere på korte avstander med høy oppløsning, og at største maskestørrelsene er nødvendige på lange avstander, men jeg tror det bare er en del av svaret.

- For å navigere må man kombinere de forskjellige størrelsene, og det er først når man gjør det at man får en veldig god kode for hvor musa er til en hver tid, sier Moser.

I museperspektiv

En liten mus er avhengig av stedsansen for å finne mat og hjem, akkurat som mennesker.

Selv om forskerne ikke gjorde atferdstester for å finne ut hvordan de taklet den tilrotede stedsansen, er Lisa Giocomo villig til å spekulere litt.

- Jeg tror det er mulig at de kan oppleve alle slags romlige miljøer litt annerledes. De klarer kanskje ikke å skille mellom ting som er veldig nære hverandre. Men de kan nok klare å finne fram – de har fremdeles gitterceller, sier hun.

- Men hvis de må huske ting som: Gikk jeg inn gjennom den høyre eller den venstre døra - som kanskje sitter nære hverandre i avstand – da kan det hende de blir forvirret.

Kan gi innsikt i Alzheimer-svikt?

Kanskje kan man finne ut mer om dette i framtiden.

- Framtidig forskning kan ta sikte på å undersøke om det å miste det detaljerte romlige systemet kan påvirke evnen til å navigere gjennom ulike typer av miljøer, sier Giocomo.

Overføringsverdien fra mus til menneske tatt i betraktning - Edvard Moser mener de nye funnene kanskje også kan bidra til at vi skjønner mer av enkelte sykdommer som rammer mennesker.

- Betydningen av denne kanalen hos mennesker, og det å forstå hvordan nettverket opererer, er et nødvendig skritt på veien for å forstå hvordan denne delen av hjernen svikter, for eksempel under tidlig Alzheimer.

 (Foto: Matias Okawa, Hannah Eggink)
(Foto: Matias Okawa, Hannah Eggink)

- Det er nemlig nettopp i dette området det vanligvis skjer, sier han. 

Fikk mystisk kartleserevne

Smågnagerne som hjalp forskerne på vei til ny kunnskap, kom flyvende over Atlanterhavet fra den nobelprisvinnende hjerneforskeren Eric Kandels laboratorium ved Colombia University i New York, til NTNU i Trondheim.

Her fikk de en uke på seg før forsøkene startet til å komme over jetlagen, ifølge Edvard Moser.

Han understreker at det både er i musenes og forskernes interesse at dyrene ikke er stresset, men har det bra.

- De var friske og fine hele tiden, sier han.

- Føler dere noen ganger at det er synd på musene, for eksempel disse som har fått stedsansen rotet til?

- Nå var det ikke så synd på disse musene da. Det viste seg faktisk at de lærte en del ting bedre enn de vanlige musene. En av tingene som Lisa fant, var at kartene de dannet seg av miljøet ble mer stabile fra gang til gang, enn hos de andre musene.

- Akkurat det har jeg ingen god forklaring på. Kanskje har det sammenheng med at samme kanal påvirker styrken på nye koblingen mellom nerveceller.

- Men jeg tror nok at oppskaleringen av gittercellene er en uavhengig prosess fra at disse musene så ut til å lære godt, sier Moser.

Referanse:

L.M. Giocomo, S. A. Hussaini, F. Zheng, E. R. Kandel, M. Moser and E. I. Moser. Grid Cells Use HCN1 Channels for Spatial Scaling  Cell, 17.november 2011. DOI: 10.1016/j.cell.2011.08.051

(Foto forside: Istockphoto)