Lysbrytere i hjernen avslører samarbeid

Nå kan forskere se hvilke celler som snakker til hvem i hjernen, ved å slå på lyset. Dette hører til arbeidet som nobelprisvinnerne May-Britt og Edvard Moser står bak.

Dette er fortellingen om hvordan hjerneforskere bruker en serie med avanserte teknikker for å kartlegge hvilke nerveceller som snakker til hvem på ulike tidspunkt, og lager stedsansen din.

Det finnes celler i hodet ditt som kjenner igjen helt konkrete steder. De bryr seg ikke om noen andre steder. Cellene ligger et stykke innenfor tinningen din. Disse plasscellene i hippokampus får sin informasjon fra et nærliggende område, men så langt har ingen klart å finne ut akkurat hvilke type celler som sammen lager koden for hvert sted. Nerveceller kommer nemlig i mange ulike utgaver, med spesialiserte funksjoner. Noen reagerer på kanter, andre på konkrete steder, andre igjen fungerer som kompass og reagerer på hvilken vei du snur hodet ditt.

Inne i monteren på Kavliinstituttet ser vi en opplyst og sterkt forstørret utgave av en nervecelle.  Foto: Kavliinstituttet

Inne i monteren på Kavliinstituttet ser vi en opplyst og sterkt forstørret utgave av en nervecelle.
Foto: Kavliinstituttet

450 milliarder samtaler

Professor Edvard Moser ved Kavliinstituttet på NTNU forteller engasjert om prosjektet.– Oppgaven var omtrent som følger, sier han. – En rottehjerne er på størrelse med en drue. Inne i den er det omtrent femti millioner nerveceller som er koblet sammen på svimlende 450 milliarder steder, sånn omtrent. I denne druestore hjernen er det et område på hver side som er mindre enn en druestein, der hukommelse og stedsans befinner seg. Her er også de cellene som reagerer på bestemte steder. Hvilke celler får de sin informasjon fra?

Elektrisk floke

Det er en umulig oppgave å simpelthen kutte opp hjernen for å se hvilke celler som har hatt kontakt. Det blir som å ta en kjempehaug med kokt spagetti, hakke den opp i småbiter, og så finne ut hvordan de ulike spagettitrådene lå i floken før den ble kuttet.

Her må det andre verktøy i bruk, og det er her lysbryterne kommer inn i bildet, eller hjernen.

Nervecellene som sender signaler kan minne litt om elektriske kabler. De sender (en) elektrisk strøm i en retning. Fra «kroppen» og ned og ut langs en lang arm som støter borti neste nervecelle. Det betyr at plasscellene får sine små støt fra en hel rekke slike armer.

Snille virus

– Det vi gjorde først var å gi disse nervearmene en ufarlig virusinfeksjon, forklarer Moser.

– Vi laget et helt spesielt virus som ikke gir sykdom, men som fungerer som en transportvei for å levere gener til bestemte celler. (skrevet om her). Virusene snek seg inn i cellene, krabbet opp motstrøms, og brukte cellens egen fabrikk til å få laget det de hadde med seg en genetisk oppskrift på.

Oppskriften var på en «lysbryter». Slike biologiske lysbrytere som vi alle har inni øynene våre, de som gjør at vi kan se. Nervecellene som så langt har levd i mørket, langt inne i hjernen, fikk nå lysfølsomhet.

Slo på lyset ti tusen ganger

2.Utsnitt av rottehjerne. Bilder viser celler i entorhinal  cortex som er infisert av virus injisert i hippocampus. Viruset bærer genet for et grønt fluorescerende fargestoff som gjør det mulig å se de infiserte cellene.  Foto: Kavliinstituttet

Utsnitt av rottehjerne. Bilder viser celler i entorhinal cortex som er infisert av virus injisert i hippocampus. Viruset bærer genet for et grønt fluorescerende fargestoff som gjør det mulig å se de infiserte cellene. Foto: Kavliinstituttet

– Samtidig opererte vi inn optiske fibre som kunne sende lys inn til disse cellene. Og det ble operert inn tynne mikroelektroder som kilte seg ned mellom cellene og kunne registrere de signalene som ble sendt gjennom cellearmene hver gang lyset ble slått på.

Nå hadde de oppsettet klart. Lysbrytere rundt plasscellene. Lyskilde. Og registrering av aktivitet.

Mer enn ti tusen ganger ble lyset slått av og på inne i slike druestore rottehjerner, mens aktiviteten i hundrevis av enkeltceller ble overvåket og registrert. Rottene kunne kose seg med å løpe rundt og samle mat i en kvadratmeter stor boks, mens de lysfølsomme cellene gradvis avslørte hvordan hjernen laget seg kart over rotta beveget seg.

Fortsatt uløste mysterier

Da forskerne satte sammen all informasjonen etterpå, kunne de konkludere med at det er en hel rekke med ulike spesialiserte celler som sammen gir plasscellene sin informasjon. Kompassceller, kantceller, celler som ikke har noen kjent funksjon i å lage stedspunkter, og gitterceller som er hjernens egen GPS. Plasscellene får både informasjon om hva rotta har av omgivelser og landemerker rundt seg, men også kontinuerlig oppdatering om egenbevegelse, som ikke er avhengig av sanseinntrykk.

– Det er fortsatt et mysterium hva cellene som ikke er en del av stedsansen, men likevel sender signaler til plasscellene, gjør, sier Moser. – Vi lurer også på hvordan cellene i hippocampus klarer å sortere de mange forskjellige signalene de mottar. Lytter de like effektivt til alle til enhver tid eller en det noen som får mer taletid enn andre?

Funnene er publisert i Science 5. april.