Sådan opstår hjernens gittermønstre

En ligevægtstilstand i nerveceller, som gensidigt hæmmer hinanden, kan forklare, hvordan rottehjerner laver mentale kort over omgivelserne. Dette forklarer ikke kun, hvordan stedsansen kan eksistere, men det giver også indsigt i, hvordan hjernen laver sine egne mønstre.

Det vakte international opsigt, da de såkaldte gitterceller i rottehjernen blev opdaget af Edvard og May-Britt Moser og deres studerende ved Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet (NTNU) i Trondheim i 2005.

Gittercellerne er en speciel type neuroner (nerveceller), som spiller en central rolle i rottehjernens stedsans, fordi de ’affyrer’ signaler - det vil sige, at de sender elektriske signaler til andre neuroner, når rotterne passerer bestemte punkter i det miljø, som de bevæger sig i.

Forskerne i Trondheim studerer stedsansen hos rotter og andre pattedyr, fordi stedsansen er ’hukommelsens mor’. Hukommelse er nemlig næsten altid knyttet til ét sted – alle husker, hvor de befandt sig 22. juli 2011 eller den 11. september 2001 (terrorangrebene i Norge og USA, red.).

»Det betyder i praksis, at vi lærer mere om menneskets hukommelse, når vi studerer rotternes stedsans,« fortæller professor Menno Witter ved Centre for Neural Computation (CNC) i Trondheim.

Udgangspunkt for at forstå rottens stedsans

Det mest opsigtsvækkende ved opdagelsen i 2005 var, at gittercellernes elektriske signaler tilsammen tegner et kinaskak-lignende mentalt gitter over rottens omgivelser.

Rottehjernen bruger dette gitter omtrent på samme måde, som vi mennesker bruger vores gitter med længdegrader og breddegrader.

Rottehjernens gitter rulles kontinuerligt ud rundt om dyret, mens det bevæger sig. Ruterne i nettet er lige store og er organiseret langs tre gitterakser, uanset rottens hastighed og retning.

Menneskelige kort bliver tegnet med et firkantet gitter, mens rottehjernen tegner et gitter, som består af ligesidede trekanter i et sekskantet mønster.

Gittercellerne findes i en lille del af hjernen, som hedder entorhinal cortex, og som forbinder ’hukommenlsescentret’ i hippocampus med resten af hjernebarken.

Efter 2005 har hjerneforskerne i Trondheim vist, at disse områder af rottehjernen også indeholder neuroner, som fungerer som henholdsvis GPW, speedometer, kompas og grænsemarkeringer. Tilsammen giver dette et udgangspunkt for at forstå, hvordan stedsansen i rottehjernen fungerer.

Derfor bliver gitrene til

Men forskerne bliver aldrig helt tilfredse. Hver gang de finder et nyt svar, stiller de et nyt spørgsmål.

Lige da gittercellerne var blevet opdaget, spurgte forskerne derfor, hvordan et sådant regulært gitter kunne blive til.

Svaret kom i vinters:

»Vi har fundet ud af, at principperne, som styrer gittercellerne, antageligt er enklere, end vi antog på forhånd. Det er en god nyhed,« opsummerer Menno Witter.

Neuroner forsøger at nå stabil tilstand

Efter at forskerne i Trondheim opdagede gittercellerne, blev der nemlig lanceret flere teorier, som skulle forklare, hvordan gittercellernes dannes.

En af modellerne tager udgangspunkt i, at gittercellerne danner et netværk af neuroner, som altid vil forsøge at nå en stabil tilstand med et så lavt energiforbrug som muligt.

»Tænk på en bold, som ruller hen over et ujævnt underlag. Så vil bolden altid standse i et hul, og så må du tilføre energi for at få bolden ud af hullet. Sådan er det også med gittercellerne. De danner de mønstre, som er energimæssigt mest stabile,« forklarer Menno Witter.

Forskerne i Trondheim bestemte sig for at teste denne model, og dermed startede de et stort projekt, som varede i to år. Én gruppe studerede gitterceller i levende rotter, og en anden studerede forbindelser mellem nerveceller i snit af rottehjerner.

Den tredje gruppe satte sig foran computerne og byggede en model af gittercellernes netværk op, baseret på de eksperimentelle observationer.

Hippocampus fungerer som gaspedal

På denne måde fandt forskerne ud af flere nye ting. De har blandt andet påvist, at to gitterceller aldrig ’snakker’ direkte med hinanden – der er altid et såkaldt 'inter-neuron' mellem to gitterceller.

Dette interneuron fungerer som en hæmmer eller en bremse, i den forstand, at den gør det sværere for gittercelle nummer to at ’affyre’, efter den har modtaget et signal fra gittercelle nummer ét.

Men der er jo ikke meget fut i et netværk, hvor alle signaler mellem gitterceller bliver bremset, så netværket må også få tilført energi i form af elektriske signaler. Disse signaler – ’gas-pedalen’ – kommer fra hippocampus, som er en lille hjernestruktur i nærheden af entorhinal cortex.

»Vi fik en stor overraskelse, da vi lagde disse to faktorer ind – bremser i entorhinal cortex og en gaspedal udefra – i vores model. Resultaterne viste nemlig, at dette var nok til at skabe det samme gittermønster, som de ’ordentlige’ gitterceller laver i en levende hjerne,« fortæller Menno Witter.

Naturen foretrækker sekskantede mønstre

Gittercellerne tegner et sekskantet mønster, som minder om en bikube.

»Det er meget almindeligt at finde sekskantede mønstre i naturen. Det er oftest de mønstre, som er mest stabile.«

»Vi ved ikke specifikt, hvorfor gitterceller opfører sig på denne måde, men det kan have noget at gøre med, at sekskantet geometri er en ligevægtstilstand, som opstår, når alle gittercellerne hæmmer alle cellerne rundt om sig inden for en vis omkreds,« fortæller Menno Witter.

Hjernen bygger på enkle principper

Forskerne i Trondheim bruger rottehjernen som et udgangspunkt for at forstå menneskehjernen, som indeholder omtrent 100 milliarder neuroner. Hver af disse neuroner ’snakker’ med cirka 10.000 andre neuroner i netværk, som er ufatteligt komplicerede.

»Det var en lettelse at opdage, at gittercellerne kan forklares med en ganske simpel model. Dette studie fortæller os, hvordan én funktion i hjernen virker, men det giver os grund til at tro, at også de andre funktioner i hjernen bygger på enkle principper.«

»Så bliver det måske lidt nemmere at forstå, hvordan også de større dele af hjernen virker,« opsummerer Menno Witter.

© forskning.no Oversættelse: Julie M. Ingemansson