Du har minst fire stedsanser

Hjernen din har minst fire separate stedssanser – og kanskje så mange som 10.

Nye funn fra Kavli Institute for Systems Neuroscience ved NTNU viser at stedsansen er organisert i grupper av GPS-liknende moduler, hver med unike egenskaper.

– Vi har minst fire stedsanser, forteller Edvard Moser, direktør for Kavliinstituttet.

– Hver kartmodul har en helt spesifikk oppløsning med presisjon som spenner fra centimeter til flere meter. Disse modulene reagerer forskjellig på endringer i miljøet ved at noen endrer seg med miljøet mens andre holder seg som før. Stedsansen opererer med flere uavhengige systemer, sier han.

Hjernens stedsans består av mentale gitterkart over miljøet. Kartene lages av hjerneceller med et gitterlignende aktivitetsmønster som forteller hvor dyret befinner seg. Disse gittercellene danner et koordinatsystem over miljøet på samme måte som linjene på et veikart, men består av trekanter i stedet for lengde- og breddegradene vi er vant til. Denne GPS-liknende egenskapen gav cellene navnet gitterceller.

Til nå har det vært antatt at gittercellene jobber sammen som del av et stort maskineri som overvåker vår posisjon i rommet. Forskerne ved Kavliinstituttet har vist at gittercellene arbeider som uavhengige grupper med hver sin sine egenskaper.

Dette er også første gang forskere har klart å vise at en del av hjernen som ikke reagerer direkte på sanseinntrykk er organisert i moduler. Forskningen er gjort på rotter.

Teknisk gjennombrudd

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

I dette lille området er det tusenvis av nerveceller. Et forskerteam på seks personer har holdt på i nesten fire år med omfattende elektrofysiologiske målinger i det druesteinstore området.

Nye metoder måtte utvikles, og et teknisk gjennombrudd har gjort det mulig for blant andre Hanne Stensola å måle aktiviteten i så mange som 186 forskjellige gridceller i en og samme rottehjerne.

– Vi visste jo at det var ulike målestokker på kartoppløsningen i dette området, men vi visste ikke hvor avhengige de forskjellige kartene var av hverandre, forteller Stensola.

–  Men så fant vi at kartene faktisk var organisert i minst fire moduler med forskjellig oppløsning, og at disse til og med var uavhengige av hverandre. En samling av uavhengige kart kan brukes av hjernen til å skape nye kombinasjoner – veldig mange kombinasjoner – som er svært nyttig for a danne minner.

Etter å ha analysert aktiviteten i nesten 900 stedsansceller kunne forskerne konkludere med at det ikke bare er en stedsans, men flere.

Kanskje ti kartmoduler

– Vi kan fastslå at vi har minst fire stedsanser. Vi ser tydelig spor av en femte, og kan ha så mange som ti.

– Men det kan vi ikke fastslå før vi har gjort målinger i hele hjerneområdet der stedsansen befinner seg. Så langt har vi bare målt halvparten, sier Moser.

Og det er en god grunn til det. Den nedre delen av stedsansområdet, entorhinal cortex, har en oppløsning som er så grovmasket at det nærmest er umulig å måle på det.

Entorhinal cortex er en del av hjernebarken hvor stedssans utrykkes ved hjelp av hjerneceller som har GPS-liknende egenskaper. Hver celle beskriver miljøet som et heksagonalt rutenett, noe som gav dem navnet gitterceller. Bildene viser en rottes bevegelser (grå linjer) i en 2,2 x 2,2 m boks sett ovenfra. Hvert av de fire panelene viser aktivitetsmønsteret til én grid celle (røde dotter) med én bestemt kartoppløsning, gitt rottens bevegelser. (Illustrasjon: Kavliinstituttet) VIS MER

– Det er snakk om at det rotta registrerer som koordinatpunkter i disse kartene er så langt som ti meter fra hverandre, forklarer Moser.

– For å måle på dette måtte vi hatt en lab som var ufattelig mye større. Vi jobber jo med rotter. De skal løpe rundt mens vi registrerer fra hjernen deres.

– Tenk bare hvor lang tid det ville ta å registrere aktiviteten hos en rotte hvis de skulle løpe frem og tilbake og dekke hver krik og krok av en fotballbane. Så vi har noen utfordringer med oppskalering av forsøkene.

Ny måte å organisere

Noe av det som gjør funnet av stedsansmodulene så spesielt er at det viser en helt ny måte å organisere funksjon i hjernen på.

Tidligere har forskere vist i sansesystemene at celler i hjernen som ligger rett ved siden av hverandre har en tendens til å ha samme reaksjonsmønster. Slik har de kunnet lage detaljert kart over hvilke deler av hjernen som gjør hva.

De nye funnene viser at en slik organisering finnes også i de høyeste delene av hjernebarken, langt borte fra sansene. Kartene er imidlertid forskjellige i den forstand at de overlapper eller infiltrerer hverandre.

Det er nemlig ikke mulig å finne de ulike stedsansene med et mikroskop. For cellene som jobber sammen ligger ikke nødvendigvis rett ved siden av hverandre.

– De ulike delene av stedsansen ligger ikke pent og pyntelig på hver sin plass, forklarer Moser.

– De ulike delene overlapper. Dette er første gang noen ser slik organisering av hjernefunksjon. Vi har avdekket en ny måte å fordele funksjon på i nevrale nettverk.

Kart og konstant

Edvard Moser. (Foto: Ned Alley) VIS MER

Forskerne fikk seg en overraskelse da de begynte å regne på forskjellen mellom målestokkene. De kan ha avslørt et sinnrikt matematisk kodesystem. Og et tall, en konstant.

Hver av stedsansens målestokker er nemlig 42 prosent større enn den forrige.

– Vi kan kanskje ikke si med sikkerhet at vi har funnet en matematisk konstant i hjernens stedsberegninger, men det er jo veldig morsomt at vi må gange hver målestokk med 1,42 for å få den neste. Det tallet er jo ganske nøyaktig kvadratroten av tallet to, sier Moser.

Kart er genetisk kodet

Moser mener det er slående at det er så ryddig forhold mellom de ulike funksjonelle lagene. Han tror denne ryddigheten viser at måten stedsansene er organisert på er genetisk nedlagt i oss, ikke et resultat av erfaring og samhandling med omgivelser.

Så hvorfor har evolusjonen utstyrt oss med fire stedsanser?

Moser tror stedsansen oppsto svært tidlig i evolusjonen. Han forklarer at alle arter har behov for navigasjon, og at noen typer hukommelse kan ha oppstått fra hjernesystemer som egentlig var utviklet for stedsans.

– Vi ser at de gridcellene som er i hvert av lagene i stedsansen, sender signaler videre til samme celler i hippokampus, som er en veldig viktig komponent i hukommelsen, forklarer Moser.

– Den er på en måte er neste ledd i rekka av signaler i hjernen. Det betyr i praksis at stedsansen sender en ulik kode inn i hippokampus for hver minste lille endring i omgivelsene i form av et nytt aktivitetsmønster.

– Så hver eneste bittelille endring gir en ny kombinasjon av aktivitet som kan brukes til å kode et nytt minne i hukommelsen, og sammen med input fra omgivelsene blir det til det vi kaller minner, sier Moser.

Referanse:

Stensola m.fl.: The entorhinal grid map is discretized, Nature, Vol. 492, 6 December 2012, doi:10.1038/nature11649.

Artikkelen er en del av doktorgradsarbeidet til Hanne og Tor Stensola, og prosjektet er finansiert gjennom et Advanced Investigator Grant som Edvard Moser har fått av Det Europeiske Forskningsrådet (ERC).