Født med en grensepatrulje i hjernen

Vi er født med et system som registrerer grenser, avsatser og klippekanter. Ikke bare de skremmende og farlige, men alle slags hinder og vertikale endringer i omgivelsene.

Du har kanskje følt kribling eller blitt svett i hendene når du har stått på en avsats? Eller til og med når du ser bilder av mennesker på toppen på verdens høyeste bygninger.

Følelsen du får når du nærmer deg kanten av klippen er delvis frykt, delvis spenning og definitivt ikke likegyldighet. Sansene dine er våkne og skjerpet.

Det pågår faglig diskusjon om dette er en reaksjon du ble født med. Må du utforske et miljø for å skaffe deg erfaringen du trenger for å utvikle det indre varselsystemet for farlige høyder? Spørsmålet går også rett inn i den filosofiske debatten om vi fødes som blanke lerreter eller om hjernen kommer ferdig utrustet med noen mentale strukturer for tanker og opplevelser.

Slike ting er ikke så lett å teste på mennesker, men hvis vi vender oss mot gnagere kan vi kanskje finne svaret. Spoiler: Hjernens grensesensor behandler faktisk skumle klippekanter og lave fortauskanter likt.

Rottas navigasjonssystem 101

Det du trenger å vite om hvordan hjernen registrerer omgivelsene er at det nesten virker som en GPS. For å fastslå hvor du er bruker hjernen signaler fra sansene dine, i tillegg til indre beregninger av hvor langt og raskt du beveger deg.

For å fastslå hvor du er bruker hjernen signaler fra sansene dine, i tillegg til indre beregninger av hvor langt og raskt du beveger deg. Foto: Thinkstock VIS MER

Noen celler i hjernen kalt «gitterceller» reagerer i utgangspunktet ikke på sanseinntrykk, men beregner isteden bevegelsene dine i et system som kan sammenlignes med lengde- og breddegrader. Disse beregningene fastslår hvor du er, ifølge et indre kart over omgivelsene.

• Les også: GPS-celler funnet i menneskehjernen

Gitterceller er altså aktive i posisjonsregistrering, hvor langt og i hvilken retning man har beveget seg. For å kontrollere beregningen samsnakker disse cellene med de som registrerer fra sansene, slik at informasjonen blir korrekt. Det kan sammenlignes med at du skulle ha bind for øynene og bevege deg etter instruksjoner. Du vet hvor mange skritt du har gått, men det er nyttig å smugkikke på omgivelsene for å korrigere kursen.

Hjernen har også kompass-celler som registrerer retningen til hodet, og celler som reagerer på vertikale endringer i landskapet, grenseceller.

• Les også: Lysbrytere i hjernen avslører samarbeid

Alle disse cellene mater signaler til celler i hippocampus, en sjøhestformet hjernestruktur som ligger innenfor tinningen på mennesker. Hippocampus er en del av hjernen som behandler informasjon knyttet til hukommelse og romlig orientering.

Dersom hippocampus ikke fungerer som den skal vil vi få problemer med både stedsansen og med å lagre og fremkalle minner. Signalene som kommer inn til hippocampus samles i såkalte stedsceller. Disse cellene vil kun være aktive når rotta er på et bestemt sted i den labyrinten som utforskes, fordi labyrinten er relativt liten. Hver plasscelle kan være aktiv på flere steder. Disse stedene omtales ofte som cellenes plassfelt. Plassfelter er altså steder som vekker en respons i en bestemt plasscelle i hippocampus. De blir nærmest stedsmarkører for et indre kart.

– Hjernen skulle ikke være i stand til å gjøre dette

Den store gåten er at disse plassfeltene, som identifiserer sted, viser en modenhet og spesifikk reaksjon som de ikke kan ha dersom de skal basere seg på innkomne signaler fra gittercellene alene slik forskere har trodd en stund . Gittercellene har ikke utviklet tilstrekkelig modenhet før ved fire ukers alder. Det blir en for-godt-til-å-være-sant-historie, der svaret på spørsmålet dukker opp som om det var magi, uten at vi skjønner hvorfor.

Signalet fra plassfelt er tydelig, men årsaken har vært uklar. Inntil nå.

Forskere ved Kavliinstituttet ved NTNU har sett nærmere på de før nevnte grensecellene og deres rolle i mysteriet. Resultatene ble publisert i Neuron 6. mars i år.

Oppsiktsvekkende forskning

Hovedforfatter Tale Bjerknes forklarer det slik:

– En måte å finne ut om noen celletyper trenger erfaring for å utvikles fullstendig er å sjekke om de virker på et tidspunkt der rotter har svært begrenset erfaring med å navigere, og følge endringer i cellene etter hvert som dyrene blir eldre. Det gjorde vi.

Tale Bjerknes og May-Britt Moser. Foto: Kavli Institute for Systems Neuroscience VIS MER

Elektroder ble festet til rotteungers hjerner før øynene deres åpnet seg. Øynene åpner seg etter rundt 14 dager.

Forskerne brukte 9 hunner og 11 hanner. Elektrodene registrerte aktivitet i cellene i et område av hjernen kalt entorhinal cortex. Da rottene åpnet øynene fikk de løpe rundt i bokser med en størrelse på 70 ganger 70 centimeter med 50 cm høye vegger. Der kunne de bevege seg fritt mens de spiste kjeksbiter. Ulike hjerneceller ble identifisert ut fra signalmønsteret. Ni av 128 celler ble klassifisert som grenseceller. Flesteparten av disse cellene responderte på én vegg, mens noen responderte på to vegger.

Reaksjonsmønsteret for grensecellene var stabilt fra rottene var to uker til de ble voksne. Den funksjonelle identiteten til grensecellene ble bekreftet da forskerne endret omgivelsene ved å sette en ekstra vegg inn i boksen. Den ekstra veggen ga en ny grenserespons.

Gitterceller trenger et modent nettverk

Det samme skjedde ikke med gittercellene. De utviklet ikke voksent aktivitetsmønster før rottene var rundt fire uker gamle.

Gitterceller er altså litt som folk. Vi er ikke så flinke til å kalkulere før vi har fått nok erfaring og øvelse med det. Vi skal ha levd en stund før vi behersker abstrakt analyse og avanserte beregninger. Likevel er det ingen tvil om at vi har visse medfødte egenskaper som setter oss i stand til å forstå de grunnleggende konseptene bak disse beregningene, som heltall, addering, subtraksjon og så videre.

Gitterceller har disse grunnleggende funksjonene når rotter blir født, men det tar en stund før de perfeksjonerer seg.

Den filosofiske duellen

– Resultatene tyder på at evnen til å reagere på grenser, kanter og avsatser er noe rotter er født med, eller utvikler før de begynner å utforske omgivelsene aktivt, sier May-Britt Moser, leder for Centre for Neural Computation ved NTNU.

Vi har visse medfødte egenskaper som setter oss i stand til å forstå de grunnleggende konseptene. Foto: Kavli Institute for Systems Neuroscience VIS MER

– Selvsagt opplever rotter også en form for grense selv i livmoren, så vi blir kanskje aldri i stand til å bevise at dette virkelig er en iboende egenskap. Likevel er det klart at nyfødte rotter, som har svært begrenset sanseerfaring, har grenseceller med en aktivitet som er like fininnstilt som de hos voksne rotter. Om dette er en prosess som foregår før rottene begynner å sanse, gir dette filosofen John Locke tommelen ned. Vi fødes ikke som blanke lerreter. Immanuel Kant var derimot inne på noe da han fastslo at hjernen har noen strukturer som ligger som et fundament for tenking og sansing, fra fødselen av. Et solid startpunkt som gir logisk struktur til objekter og empirisk erfaring.

– Hvis vi ser bort fra filosofien peker disse resultatene på at grenseceller har en hittil ukjent rolle i det å skape stedsknagger for hukommelsen og våre indre kartreferanser, i påvente av at gittercellene skal bli modne nok til å fylle rollen sin. Grensecellene hjelper altså stedsansen i gang hos nyfødte dyr, avslutter Moser. – Grenseceller, muligens sammen med retningsceller som en ekstra kilde, kan være kilden til romfølelse i ungdyr som ikke har fullt utviklede gitterceller.

Hva betyr dette for deg? At forskerne sakte begynner å forstå hvordan hjernen fungerer, i detalj. Hver bit av puslespillet er et bidrag til økt, generell kunnskap. Du vet, til å begynne med var det ikke mange som kunne se vitsen med datamaskiner eller fjernsyn. Tenk på det, mens forskerne fortsetter å finne ut hvordan hjernen din virker.

Saken ble første gang publisert 26. mars 2014