Du har mindst fire stedsanser

Din hjerne har mindst fire separate stedsanser – og måske helt op til 10.

Nye fund fra Kavli Institute for Systems Neuroscience ved NTNU, Norges teknisk-naturvidenskabelige universitet i Trondheim, viser, at stedsansen er organiseret i grupper af GPS-lignende moduler, hver med unikke egenskaber.

»Vi har mindst fire stedsanser. Hvert kortmodul har en helt specifik opløsning med en præcision som spænder fra centimeter til flere meter. Disse moduler reagerer forskelligt på ændringer i miljøet ved, at nogle ændrer sig med miljøet, mens andre er som hidtil. Stedsansen opererer med flere uafhængige systemer,« siger Edvard Moser, direktør for Kavliinstituttet.

Hjernens stedsans består af mentale gitterkort over miljøet. Kortene laves af hjerneceller med et gitterlignende aktivitetsmønster, som fortæller, hvor man befinder sig. Disse gitterceller danner et koordinatsystem over miljøet på samme måde som linjerne på et vejkort, men består af trekanter i stedet for de længde- og breddegrader, vi er vant til. Denne GPS-lignende egenskab har givet cellerne navnet gitterceller.

Indtil nu har man antaget, at gittercellerne arbejder sammen som en del af et stort maskineri, som overvåger vores position i rummet, men forskerne ved Kavliinstituttet har nu vist, at gittercellerne arbejder som uafhængige grupper med hver deres egenskaber.

Det er første gang, at det er lykkedes forskerne at vise, at en del af hjernen, som ikke reagerer direkte på sanseindtryk, er organiseret i moduler. Forskningen er foretaget på rotter.

Annonce:

Målte aktivitet i 900 stedsansceller

En rottehjerne er på størrelse med en drue, mens området, som holder styr på stedsans og hukommelse, størrelsesmæssigt kan sammenlignes med en lille druesten.

I dette lille område er der tusindvis af nerveceller. Et forskerteam på seks personer har været i gang i næsten fire år med omfattende elektrofysiologiske målinger i det druestenstore område.

Nye metoder skulle udvikles, og et teknisk gennembrud har gjort det muligt for blandt andre Hanne Stensola at måle aktiviteten i så mange som 186 forskellige gitterceller i en og samme rottehjerne.

»Vi vidste jo, at der var forskellige målestokke på kortopløsningen i dette område, men vi vidste ikke, hvor afhængige de forskellige kort var af hinanden,« fortæller Hanne Stensola.

»Men så fandt vi ud af, at kortene faktisk var organiseret i mindst fire moduler med forskellig opløsning, og at disse til og med var uafhængige af hinanden. En samling af uafhængige kort kan bruges af hjernen til at skabe nye kombinationer – ganske mange kombinationer – som er meget nyttige til at danne erindringer.«

Stedsansen består af flere separate gitterkort, hvert med unikke egenskaber. Hvert kort har en helt specifik opløsning (maskestørrelse) og påvirkes forskelligt af miljøændringer. Et system med flere uafhængige kort (illustreret til venstre i grafikken) kan skabe store mængder af unikke kombinationskoder og bruges til at associere hver erindring med specifik stedsinformation (højre side af grafikken). (Grafik: Tor Stensola)

Efter at have analyseret aktiviteten i næsten 900 stedsansceller kunne forskerne konkludere, at der ikke bare er én stedsans, men flere.

Måske helt op til 10 stedsanser

»Vi kan fastslå, at vi har mindst fire stedsanser. Vi ser tydelige spor af en femte, og vi kan have så mange som 10.«

Annonce:

»Men det kan vi ikke fastslå, før vi har foretaget målinger i hele det hjerneområde, hvor stedsansen befinder sig. Indtil nu har vi kun målt halvdelen,« siger Edvard Moser.

Og det er der en god grund til. Den nedre del af stedsansområdet, entorhinal cortex, har en opløsning, som er så grovmasket, at det nærmest er umuligt at måle på det.

»Der er tale om, at det, rotterne registrerer som koordinatpunkter i disse kort, ligger så langt som 10 meter fra hinanden,« forklarer Edvard Moser og fortsætter:

»For at måle på dette, skulle vi have haft et laboratorium, som var ufatteligt meget større, end det vi havde. Vi arbejder jo med rotter. De skal løbe rundt, mens vi registrerer ændringer i deres hjerner. Tænk bare på, hvor lang tid det ville tage at registrere aktiviteten hos en rotte, hvis den skulle løbe frem og tilbage og dække hver en krog af en fodboldbane. Så vi har nogle udfordringer med opskalering af forsøgene.«

Ny måde at organisere funktioner i hjernen

Noget af det, der gør fundet af stedsansmodulerne så specielt, er, at det viser en helt ny måde at organisere funktioner i hjernen på.

Tidligere har forskning i sansesystemet vist, at celler i hjernen, som ligger lige ved siden af hinanden, har en tendens til at have samme reaktionsmønster. Sådan har forskerne kunnet lave detaljerede kort over, hvilke dele af hjernen, der gør hvad.

De nye fund viser, at en sådan organisering også findes i de højeste dele af hjernebarken, langt væk fra sanserne. Kortene er imidlertid forskellige i den forstand, at de overlapper eller infiltrerer hinanden.

Annonce:

Det er nemlig ikke muligt at finde de forskellige stedsanser med et mikropskop, fordi cellerne, som arbejder sammen, ikke nødvendigvis ligger ret op og ned ad hinanden.

»De forskellige dele af stedsansen ligger ikke pænt og nydeligt på hver sin plads,« forklarer Edvard Moser.

Entorhinal cortes er en del af hjernebarken, hvor stedsans udtrykkes ved hjælp af hjerneceller, som har GPS-lignende egenskaber. Hver celle beskriver miljøet som et heksagonalt rutenet, noget som gav dem navnet gitterceller. Billederne viser en rottes bevægelser (grå linjer) i en 2,2 x 2,2 meter boks set oppefra. Hvert af de fire paneler viser én gittercelles aktivitetsmønster (røde prikker) med én bestemt kortopløsning, givet af rottens bevægelser. (Ill.: Kavliinstituttet)

»De overlapper. Dette er første gang, at nogen har set sådan en organisering af hjernefunktion. Vi har afdækket en ny måde at fordele funktioner på i neurale netværk.«

Overraskende matematisk kodesystem

Forskerne fik sig en overraskelse, da de begyndte at regne på forskellen mellem målestokkene. De kan have afsløret et sindrigt matematisk kodesystem. Og et tal, en konstant.

Hver af stedsansens målestokke er nemlig 42 procent større end den forrige.

»Vi kan måske ikke med sikkerhed sige, at vi har fundet en matematisk konstant i hjernens stedsberegninger, men det er jo ganske morsomt, at vi skal gange hver målestok med 1,42 for at få den næste. Det tal er jo ganske nøjagtigt kvadratroden af tallet to,« siger Edvard Moser.

Sådan bliver erindringer til

Edvard Moser mener, at det er slående, at der er et så ordentligt forhold mellem de forskellige funktionelle lag. Han tror, at denne ordentlighed viser, at måden, stedsanserne er organiserede på, er genetisk indlagt i os og altså ikke et resultat af erfaring og samspil med omgivelserne.

Annonce:

Så hvorfor har evolutionen udstyret os med ikke bare en, men i hvert fald fire stedsanser?

Edvard Moser tror, at stedsansen opstod meget tidligt i evolutionen. Han forklarer, at alle arter har behov for navigation, og at nogle typer af hukommelse kan være opstået fra hjernesystemer, som egentlig var udviklet til stedsans.

»Vi ser, at de gitterceller, som er i hvert af lagene i stedsansen, sender signaler videre til samme celler i hippocampus, som er en meget vigtig komponent i hukommelsen,« forklarer Edvard Moser.

»Den er på en måde et næste led i rækken af signaler i hjernen. Det betyder i praksis, at stedsansen sender en forskellig kode ind i hippocampus for hver lille ændring i omgivelserne i form af et nyt aktivitetsmønster.«

»Så hver eneste lille bitte erindring giver en ny kombination af aktivitet, som kan bruges til at kode en ny erindring i hukommelsen, og sammen med input fra omgivelserne bliver det til det, vi kalder erindringer,« siger Edvard Moser.