Når rotter utforsker omgivelsene, bruker de tid på alle fire, en slags nøytral posisjon. Men de stiller seg også opp på bakbeina. Forskerne oppdaget at flere nevroner var aktive når rottene befant seg i mer uvanlige posisjoner. (Illustrasjon: Goran Radosevic)
Når rotter utforsker omgivelsene, bruker de tid på alle fire, en slags nøytral posisjon. Men de stiller seg også opp på bakbeina. Forskerne oppdaget at flere nevroner var aktive når rottene befant seg i mer uvanlige posisjoner. (Illustrasjon: Goran Radosevic)

Slik registrerer hjernen kroppens posisjon

Selv de mest grunnleggende bevegelsene våre krever langt mer koordinering enn du kanskje tror.

Published

31. oktober 1905 fjernet den britiske kirurgen sir Victor Horsley en kreftsvulst på seks centimeter i diameter fra hjernen til en mann kalt «George M.»

Dette fikk slutt på anfallene som svulsten hadde forårsaket hos George M. Likevel ville han sannsynligvis vært glemt nå om det ikke var for de to nysgjerrige legene og nevrologene Henry Head og Gordon Holmes. De fulgte opp George M. og dusinvis av andre pasienter som ham.

Målet deres var å lære hvordan hjernen jobbet ved å observere hva som ikke fungerte riktig hos pasienter som hadde fått ulike deler av hjernen skadet eller fjernet.

Etter å ha undersøkt flere pasienter, skjønte de at når en del av hjernen kalt parietal cortex ble skadet, kunne pasientene miste følelsen av posisjonen til kroppsdelene sine.

Pasientene var ikke blinde. De kunne se en kroppsdel, som en arm eller en hånd eller et ben. Men da de lukket øynene, kunne de ikke fortelle hvor denne kroppsdelen befant seg.

Dette kan virke trivielt, men det er det slett ikke. Den ubevisste oppfatningen av hvor du er plassert i rommet dannes i hjernen din ved å kombinere inntrykk fra alle sansene dine. Det gjør at du kan skrive på maskin uten å kikke på tastaturet, klø deg i hodet, ta en øl fra kjøleskapet og endre kroppsstillingen din.

– Uten denne kroppsfølelsen kunne vi ikke bruke en pinne til å sondere med, eller bruke en skje med mindre vi kikket på tallerkenen, skrev de to i en artikkel i 1911.

Head og Holmes kalte denne posisjonsfølelsen et «kroppsskjema».

Slik lages kroppsskjemaet

Mer enn 100 år etter at ideen om et kroppsskjema først ble beskrevet, har forskere ved Kavliinstituttet for nevrovitenskap ved NTNU funnet at områdene i hjernen som er ansvarlige for bevegelsesplanlegging og romnavigasjon reagerer veldig sterkt på kroppens posisjon. Disse nevronene ligger i den bakre delen av parietal cortex (i hjernebarken), og i den fremre delen av den motoriske hjernebarken.

Forskerne mener altså at nevronene i disse områdene sender signaler som hjernen bruker for å lage kroppsskjemaet. Altså følelsen av hvor vi befinner oss i rommet.

Seks kameraer og infrarødt kamera

Forskerne ville forstå mer av hva som skjer i den bakre parietale cortexen og den fremre delen av den motoriske hjernebarken.

De satte opp en to meter bred åttekantet boks med seks kameraer. De utstyrte 11 rotter med spesielle sensorer som lot forskerne registrere 800 nevroner i den ene delen av hjernen og 700 i den andre. Hver enkelt rotte hadde også syv infrarøde sporingspunkter, det vil si at de kan filmes med et infrarødt kamera. Rottene fikk fire punkter på hodet og tre fordelt langs ryggen til halen.

Rottene brukte 20 minutter i boksen om gangen. Der fikk de vandre rundt og utforske, og til og med finne en bit sjokoladekjeks. Bevegelsene deres ble registrert visuelt, mens sondene på hodene sendte informasjon om hvilke nevroner som ble brukt til enhver tid.

Dermed kunne forskerne måle dyrets bevegelse tredimensjonalt, både hvordan det bevegde seg i boksen i jakten på godbiter, men også hvordan det snudde på hodet, eller reiste seg opp på to bein eller vred seg i en bestemt retning.

De fant at når ei rotte befant seg i «standardposisjon», det vil si på alle fire med hodet senket, var bare noen få nevroner aktive i å holde rede på kroppsposisjonen. Men da rotta gikk ut av standardposisjon, for eksempel når den skulle stå på to ben for å snuse på noe, fyrte flere nevroner av.

Whitlock-gruppen. Fra venstre Benjamin Dunn, Tuce Tombaz, Karoline Hovde, Jonathan Whitlock, Andrea Marie Hegstad, Ece Gözde Demirci, Bartul Mimica. (Foto: TiTT Melhuus/Kavliinstituttet for nevrovitenskap)
Whitlock-gruppen. Fra venstre Benjamin Dunn, Tuce Tombaz, Karoline Hovde, Jonathan Whitlock, Andrea Marie Hegstad, Ece Gözde Demirci, Bartul Mimica. (Foto: TiTT Melhuus/Kavliinstituttet for nevrovitenskap)

Tredimensjonal visning

– Dette eksperimentoppsettet ga oss for første gang muligheten til å se tredimensjonalt hvordan disse nevronene reagerer når dyret flytter seg fritt rundt, sier Jonathan Whitlock.

Han er seniorforfatter av artikkelen og leder av en forskningsgruppe ved Kavli-instituttet. Den mest detaljerte kunnskapen vi har om disse områdene, kommer fra forsøk der dyr som har fått bevegelsene sine begrenset mekanisk, gjør enkle bevegelser med en hånd, arm eller med øynene.

– Her kunne vi for første gang se hvordan hjernen reagerer når kroppen beveger seg fritt, sier Whitlock.

Forskerne utførte også noen tester i mørket. Da hadde forskerne på seg nattbriller som lot dem se hva rottene gjorde. Dette gjorde de for å sikre at informasjonen de fikk fra rottene ikke bare var basert på det dyrene så, men fra hvordan rottene faktisk bevegde seg.

– Vi ville være sikre på at disse cellene ikke bare responderte på synsinntrykk, sier Bartul Mimica.

Mimica er doktorgradskandidat ved Kavli-instituttets Whitlock-gruppe og én av forskerne bak studien.

Statistisk modell fant mønstre

Forskerne brukte dataene til å matche nevronene som fyrte av med bevegelsene og posisjonene de registrerte med de infrarøde sensorene og de seks kameraene.

En statistisk modell de hadde utviklet lot dem sortere gjennom og tolke alle dataene.

– Modellen hjalp oss til å se hva nevronene reagerte på, sier Benjamin Dunn. Han utviklet modellen og begynner nå som førsteamanuensis i datavitenskap ved NTNU.

De testet hvor robust modellen var ved å snu det hele tvert om. De sjekket da om dataene kunne forutsi hvordan rotta bevegde seg. Det kunne de.

Whitlock sier det var spesielt spennende å se at funnene støtter de 100 år gamle observasjonene som nevrologene gjorde.

– Det ga et ekte aha-øyeblikk å lese om arbeidet til Head og Holmes, Balint og andre nevrologer. På meg virket det veldig klart at de nevrale signalene vi observerte hos rotter, trolig var det som manglet hos disse pasientene, sier han.

Sparer energi

Analysen gjorde det også mulig for forskerne å oppdage en uventet detalj. Nøytrale stillinger, for eksempel det å gå rundt på alle fire, krever langt færre aktive nevroner enn mer uvanlige stillinger, som det å stå på bakbeina.

Forskerne ser dette som en måte hjernen kan spare energi på. Dette er viktig fordi hjernen bruker opptil 25 prosent av energien som kroppen forbrenner.

– Det er veldig effektivt for cellens metabolske forbruk, sier Tuce Tombaz, medforfatter av artikkelen og også doktorgradskandidat ved Kavli-instituttets Whitlock-gruppe.

– Hvorfor skulle vi få celler til å fyre av hele tiden i stillinger som vi inntar ofte? På denne måten trenger ikke nevronene å bruke så mye energi.

Fra grunnleggende forskning til læring og robotteknologi

Forskerne er interessert i å forstå hvordan hjernen fungerer, uten å ha noe bestemt klinisk eller anvendt mål for forskningen.

Men å forstå hvordan hjernen jobber for å registrere kroppsstilling sammen med bevegelse, kan bidra til en rekke andre disipliner, mener forskerne.

– Et eksempel kan være å forstå bedre hvordan vi kan behandle slagpasienter som har fått skader i dette området av hjernen, sier Dunn. – Du kan ikke løse et problem hvis du ikke forstår det.

Et annet bruksområde kan være innenfor robotikk, legger han til.

– Hjernen har alltid vært en inspirasjonskilde for kunstig intelligens, sier Dunn.

– Dette kan bidra til at roboter i fremtiden beveger seg og interagerer med et stadig skiftende miljø på en mer menneskelig måte.

– Men et større spørsmål er hvorfor hjernen er organisert på denne måten, sier Mimica.

– Hvorfor ville den mest sofistikerte delen av hjernen bry seg så mye om dette? Det må være en grunn til dette. Ved å finne denne grunnen, kanskje ved å finne en liten detalj, kan vi lære noen dypere sannheter om hjernen og hvordan den er organisert. Det vi gjør er å finne ut presis hva som skjer i hjernen.

Hør Kavli-forskerne selv forklare om hvordan de fant nervecellene som kontrollerer kroppens positurer og hva denne oppdagelsen kan være nyttig for, i denne engelskspråklige videoen:

(Video: Rita Elmkvist Nilsen / Kavli Institute for Systems Neuroscience, NTNU)

Referanse:

Mimica, B. m.fl: Efficient cortical coding of 3D posture in freely behaving rats. Science 02 Nov 2018: Vol. 362, Issue 6414, pp. 584-589. (Sammendrag) DOI: 10.1126/science.aau2013