Hukommelsen er organiseret i pakker

Hukommelsen er ekstremt hurtig. I overgangen fra det ene til det andet kan hjernen flimre mellem forskellige minder, hvor hvert kan fremkaldes i løbet af 125 millisekunder – kun lidt mere end en tiendedel sekund.

Vi oplever det til daglig, for eksempel når vi tænker på én ting og pludselig kommer på noget andet.

Eller i et øjebliks forvirring på hotelværelset om morgenen, før mindet om den sene ankomst i en fremmed by falder på plads.

Forskere ved Moserlaboratoriet ved NTNU i Trondheim har "teleporteret" rotter for at undersøge, hvordan overgangen fra et minde til et andet virker. Forsøget er beskrevet i det ansete tidsskrift Nature.

Vi fremkalder kun ét minde af gangen

En af opdagelserne er, at minder ikke kommer i en kontinuerlig strøm, men at hukommelsen er "kvantal", altså organiseret i små pakker.

»Det er enten det ene minde eller det andet – der er ikke en gradvis overgang,« fortæller professor Edvard Moser ved laboratoriet, som officielt hedder ’Centre for the Biology of Memory’.

I fysikken er en kvant den mindste enhed af noget fysisk, der er involveret i en interaktion. Lyset har for eksempel fotonet som sin mindste enhed.

I et bestemt område i hjernen findes der "kvanter" i form af theta-bølger, som er svingninger i celleaktiviteten, der varer 125 millisekunder. Et millisekund er en tusindedel af et sekund.

Forskerne i Trondheim har fundet ud af, at minderne er organiseret i kvanter ved at lytte efter aktiveringen af de enkelte hjerneceller i den pølseformede del af hjernebarken kaldet hippocampus.

Denne del af hjernen er ekstremt vigtig for hukommelsen.

Rotterne skulle tro, de blev teleporteret

Moser og kollegaerne studerede rotternes hjerner i et finurligt eksperiment, hvor de lurede dyrene til at tro, de blev teleporteret fra ét sted til et andet.

»Vi trænede rotterne inde i en boks i et meget mørkt rum, hvor lysmønstre var det eneste, som fortalte dem, hvor de var,« fortæller Moser.

Én efter én blev rotterne taget ind og ud af boksen og dermed trænet til at opfatte, at de var på forskellige steder, alt efter om der var stjernemønster på gulvet eller mønster på væggene.

»Fordi det var kontrolleret af lys, blev det muligt for os at "teleportere" rotterne fra et sted til et andet ved at skifte lysmønsteret, mens rotterne var i boksen,« forklarer Moser.

»Dermed introducerede vi en slags konflikt: rottens sanseindtryk fortalte, at den var på et nyt sted, mens hukommelsen sagde, at den stadig var i den forrige boks.«

Under denne proces målte forskerne hjernecelleaktiviteten på op til 100 af rotterne ved hjælp af supertynde elektroder i form af metaltråde i rotternes hjerner.

Cellernes aktivitetsmønster fortalte løbende forskerne om rotternes hjerneaktivitet, mens den troede, den var i boks A eller boks B.

Hjernen aktiverer forskellige grupper af minder

Baggrunden for, at det var muligt for Trondheim-forskerne at aflæse resultaterne, er mange års undersøgelser af minders virkemåder.

Moserlaboratoriet har for eksempel dokumenteret, at minder er kodet ind i store netværk af celler i hippocampus, og de er blevet eksperter i at identificere dem ved at lytte til celleaktiviteten.

De har vist, at hjernen sørger for aktivering af forskellige grupper af celler i hvert enkelt minde for at adskille cellernes mindemønstre fra hinanden. Hippocampus anstrenger sig altså for at gøre minderne så forskellige som muligt.

Det betyder, at bestemte celler i hippocampus er aktive i et bestemt miljø, men helt stille i andre miljøer. Sådan giver cellenetværket hjernen en direkte repræsentation for hvert enkelt miljø, og som du sikkert har lagt mærke til selv, er minder tæt koblet til steder.

En kamp mellem minder

Hos rotterne, der blev teleporteret, ville Moser og kollegaerne finde ud af, hvordan overgangen var fra det ene minde til det andet.

Lige efter teleporteringen målte de derfor hjernecellernes aktivitet nærmest millisekund for millisekund.

Herefter delte de målingerne op i blokke af 125 millisekunder, som er tidsintervallet for en kendt cyklus for hjerneaktivitet kaldet theta-cyklussen.

»For hver blok spurgte vi: 'Hvor er rotten nu?' Vi så, at der var en periode lige efter teleporteringen, hvor de to minder faktisk slås med hinanden,« fortæller Moser.

Fuldstændig veksling mellem minder

Selv for de bittesmå tidsintervaller var det enten/eller for de to forskellige minder. Der skete altså ingen blanding af minderne, før rottehjernen besluttede sig for at holde sig til det ene eller det andet.

»Den mindste enhed, vi var i stand til at opdage, var én theta-cyklus - altså 125 millisekunder. I dette tidsinterval kan et helt minde aktiveres,« siger Moser.

I den allerførste fase efter teleporteringen kunne rottehjernen svinge mellem de to forskellige minder hvert 125. millisekund, og når den vekslede, gjorde den det fuldt og helt. Forskerne kalder det flimring.

Minderne er organiseret i små bidder

For Moser siger det mere end bare om, hvordan overgangen mellem to forskelle minder ser ud.

»Det fortæller noget om organiseringen af hukommelsen – at den er organiseret i små bidder, nemlig i tidsstrukturen for hukommelsen, som er en slags mindste fulde enhed for mindet.«

Moser fortæller, at theta-cyklussen har vært kendt i 50 år. Nyheden er altså, at hukommelsen er i stand til at hente et helt minde i løbet af så kort tid.

Cyklussen dannes ved, at mange celler i hippocampus er aktive såvel som rolige samtidig.

Hjernecellerne går i takt

»Forestil dig, at du lytter til alle cellerne derinde og indfanger gennemsnittet af aktivitet. Så vil du se, at aktivitetsmønsteret danner en sinusbølge, som går op og ned.«

I bølgedalene er cellerne i gennemsnit ganske stille, mens aktiviteten på bølgetoppene er høj. Hjernecellerne i hippocampus går altså i takt.

»Her gives et klart signal til hjernen. Vi kan snakke om aktive og passive perioder. Den aktive periode strækker sig over lidt mere end halvdelen af de 125 millisekunder.«

Klokke, som koordinerer cellernes opførsel

Men hvorfor er det sådan? Moser påpeger nogle tænkelige fordele ved denne type organisering.

»Organiseringen bliver som en klokke, der koordinerer alt, der sker i hippocampus. Det giver mulighed for at præcisere, hvordan de forskellige celler opfører sig i forhold til hinanden.«

Oven i, at de ikke sender signaler ud, er cellerne nemlig også meget mindre modtagelige for signaler fra andre celler, når de er i den stille fase.

»Uden en ’klokke’ ville det hurtigt blive kaotisk med celler, der ikke kunne snakke med hinanden, fordi de ikke er i takt,« siger Moser.

Glidende overgange inden for hver cyklus

Moser åbner muligheden for, at der kan være mere glidende overgange mellem minderne inden for hver af theta-cyklusserne.

Han ser på mønstrene i den teleporterede rottehjerne som et udtryk for, at hippocampus nærmest starter på ny for hvert 125. millisekund. For at se endnu nærmere på det, brød forskerne hver theta-cyklus ned i to dele.

De opdagede, at minderne var lidt blandede i første del, mens hippocampus gik fuldstændig ind i det ene eller andet mindet i cyklussens anden del.

»Det er, som om hjernen prøver om igen og om igen. Dette er nok specielt for hippocampus. Her har hjernen overskud til at bruge mange sekunder på at huske noget, hvilket giver større chance for at finde et minde frem,« forklarer Moser.

Han tror ikke, et lignende system ville fungere lige så godt for andre dele af hjernen, for eksempel for synshjernebarken.

»Det kan det være livskritisk, om man ikke formår at se noget i løbet af meget få millisekunder,« siger Moser.

Han tror derfor, at de afdækkede mekanismer er specielle for hukommelsen.

For hvert spørgsmål besvaret kommer to nye

Hjerneforskerne i Trondheim fortsætter jagten på de grundlæggende koder, som hjernen bruger til at lagre information – samspillet mellem store grupper af celler i hjernen.

Moserlaboratoriet har fået stor anerkendelse internationalt og må nu bremse tilstrømningen af forskere, der ønsker at komme dertil.

På trods af alle de eminente hjerneceller i Trondheim, som fyrer signaler af sted for at forstå sig selv, er Moser ikke bange for, at han en dag vil vågne op uden at undre sig over noget.

»Nej, når vi har forstået én ting om hukommelsen, dukker der to nye spørgsmål op,« siger han.

»Jeg mener jo, at alt det, der sker inde i hjernen, kan brydes ned til elektriske og kemiske processer.«

»Men uanset hvad er samspillet mellem disse processer vanvittig kompliceret. Hjernen har hundrede milliarder hjerneceller, og det, vi forstår, er kun bider og fragmenter,« siger Moser.