Gitterceller
Gittercellene i hjernen aktiveres når rottene går rundt i forskernes kvadratiske boks. For at rottene lettere skal orientere seg, og for at de skal skille vegger og hjørner fra hverandre, vris rottenes mentale kart så det blir asymmetrisk i forhold til veggene i boksen. Ill: Kavliinstituttet

Hjernens kart vrir på virkeligheten

Moser-gruppen har avslørt et knep hjernen benytter seg av for å skille steder best mulig fra hverandre.

Det har lenge vært et mysterium hvordan hjernens indre kart henger sammen med og er forankret i våre ytre omgivelser. Det er nå ti år siden nobelprisvinnerne May-Britt og Edvard Moser først oppdaget gittercellene, som er referansepunktene for hjernens navigasjonssystem, og siden da har mysteriet stått uløst.

Nå mener forskere i Moser-gruppen ved Kavliinstituttet/Senter for nevrale nettverk at de har løst deler av mysteriet. Løsningen blir presentert i en artikkel i tidsskriftet Nature denne uken.

Se for deg hvordan et vanlig kart gjengir omgivelsene rundt deg. Når vi orienterer oss i terrenget med kart og kompass, passer vi på at kompassnålen mot nord ligger parallelt med lengdegradene på kartet. Da vet vi at kartet og terrenget stemmer overens, og kan lettere finne veien.

Vi vet at hjernen vår har flere indre kart over omgivelsene våre, klare til å hjelpe oss med å finne riktig retning. Vi vet også at disse kartene har ulike størrelser og oppløsninger, men vi har ikke visst helt hvordan de er henger sammen med omgivelsene.

Resultatene som publiseres i Nature denne uken forklarer hvilke overraskende vendinger hjernen tar for å få sine indre kart til å stemme med virkeligheten.

Hjernen legger inn noen få graders skjevhet

– Vi registrerte aktiviteten til flere hundre gitterceller, sier Tor Stensola. Han er forsker ved Kavliinstituttet.

– Da vi så på dataene fra over 800 gitterceller la vi merke til at cellenes mønstre som regel gikk i noen få retninger. Det tyder på at gitterkartet forholder seg til omgivelsene på en systematisk måte. Det virker som at alle gitterceller går parallelt med en av de lokale veggene, men alltid med noen få graders skjevhet. Dette ville vi undersøke nærmere.

Gitterrotasjon: De grå strekene viser hvordan rotten har beveget seg over tid. Klumpene med svarte prikker viser hvor en gittercelle var aktiv. De røde linjene viser at gittermønsteret ikke går parallelt med boksens vegger, men har en vinkel på 7,5 grader. Ill: Kavliinstituttet

Forskerne registrerte gittercellenes aktivitet i noen rotter mens de lette etter kakesmuler i en boks på 1,5 kvadratmeter. Gittercellenes aktivitet tegner opp rottenes indre kart for forskerne. Dersom det skulle stemme overens med målene på boksen, måtte det indre kartet se likt ut hver gang rotten løper rundt i boksen. Kartet måtte også ha blitt justert på samme måte, uansett hvilken vei rotten sprang og hvor den ble plassert i boksen. Hvert gittermønster var forankret i en av veggene, men ingen av gittercellenes akser gikk helt parallelt med noen av veggene; de var konsekvent litt ute av kurs.

– Kartet ble alltid rotert når det var ute av kurs med en vinkel på omtrent 7,5 grader i forhold til veggen det var forankret i. Vi gjorde noen beregninger og oppdaget at det kan være gode grunner for akkurat denne spesielle vinkelen. Ved vinkler på 0 og 15 grader ville kartet vært symmetrisk. Det vil si at dersom kartet samsvarte perfekt med veggen, ville det speile enten den kardinale aksen eller diagonalen av den kvadratiske boksen. Men da ville man sannsynligvis ha blandet steder sammen. Vinkelen på 7,5 graders rotasjon er den vinkelen som gjør kartet minst mulig symmetrisk med akser i omgivelsene, og minsker derfor sjansen for eventuelle feil, forklarer Stensola.

Perfekt asymmetri

Og forskerne fant mer symmetri i gitrene. Gittermønstrene var ikke helt perfekt sekskantede, men så i stedet ut til å være vridd slik at de ble asymmetriske. Selv om dette var noe de visste fra før, var det ingen som kunne forklare hvorfor.

– De innerste seks feltene i gitteret, som utgjør sentrum av kartet, ville ligget i en perfekt sirkel dersom mønsteret var helt nøyaktig sekskantet. Men asymmetrien gjør at disse blir en ellipse i stedet, sier Stensola.

Førsteforfatterne Tor og Hanne Stensola jobber ved Kavliinstituttet/Senter for nevrale nettverk.

Førsteforfatterne Tor og Hanne Stensola jobber ved Kavliinstituttet/Senter for nevrale nettverk. Foto: Tor Stensola

Forskerne undersøkte sammenhengen mellom rotasjonen og forankringen til gitteret, og forskyvningen i mønsteret. De fant en nesten perfekt sammenheng mellom retningen ellipsen pekte i og retningen som gitteret var forankret mot. Ved å vri mønsteret langs en av veggene – en prosess som kalles skjæredeformasjon – kunne forskerne kopiere både ellipsen og 7,5-gradersrotasjonen til gitteret.

Hvordan skjærkreftene forskyver en del av et objekt kommer an på hvor denne delen befinner seg. For å forstå hvordan det fungerer, kan du se for deg at du skyver en kortstokk over en bordplate. Det nederste kortet blir liggende på samme sted, det øverste kortet vil bevege seg mest, og alle kortene imellom vil bevege seg over en avstand som sier hvilken posisjon de hadde i kortstokken. Deformasjoner som dette kan man se i naturen, for eksempel i fossiler av trilobitter når krefter i bakken presser dem sammen til en ny form.

Forskerne tror at når et dyr først kommer til et nytt og ukjent område, vil de lage seg et kart av omgivelsene hvor en av aksene er helt parallell med en nærliggende vegg. Etter hvert vil skjærkreftene forskyve og vri kartet 7,5 grader bort fra veggen det er forankret i, og forme et stabilt kart med små sjanser for feil.

Når hjernen møter en kornåker

Men hva skjer med de indre kartene når et område er veldig stort, for eksempel en kornåker? Dersom det er langt mellom lokale landemerker å orientere seg etter, kan hjernen med fordel lage flere mindre og nøyaktige kart heller enn ett ukorrekt oversiktskart.

Forskerne testet dette ved å registrere gittercellenes aktiviteter i en større kvadratisk boks med 2,2 sidelengde. Kartet hadde de samme asymmetriene som i den mindre boksen, men det var likevel én viktig forskjell mellom dem.

Gitrene deler seg når du kartlegger aksene i omgivelsene dine:  Med skjæring kan man reprodusere både asymmetrien og rotasjonen som forskerne fant i gittercellene. Skjæring flytter punkter på et gitter proporsjonalt med avstanden fra en skjæringsakse (venstre del av tegningen). Når man skjærer et gittermønster blir det ellipseformet og rotert til den forrige parallelle aksen (det røde området og pilen til høyre på tegningen).

Gitrene deler seg når du kartlegger aksene i omgivelsene dine: Med skjærdeformasjon kan man reprodusere både asymmetrien og rotasjonen som forskerne fant i gittercellene. Skjæring flytter punkter på et gitter proporsjonalt med avstanden fra en skjæringsakse (venstre del av tegningen). Når man skjærdeformerer et gittermønster blir det ellipseformet og rotert til den forrige parallelle aksen (det røde området og pilen til høyre på tegningen). Ill: Kavliinstituttet

– Når boksen ble større, ble også noen av kartene forskjellige. De delte seg i to og ble til separate, lokale kart av den samme boksen, men forankret i to ulike vegger. Gitrene ble like ellipseformet som i den mindre boksen, men når kartene delte seg måtte vi tenke annerledes. Vi visste at kartene ville forankres lokalt i komplekse omgivelser. Vi tror nå at skjærkreftene kan operere ikke bare i ett område som helhet, men også lokalt, forklarer Stensola.

Det er sannsynlig at hjernen vår bruker denne forskyvningen mot asymmetri til å redusere frekvensen av feil når vi orienterer oss.

Fysikkens lover i hjernen

Professor Edvard Moser, leder av Kavliinstituttet, tror at disse funnene er viktige når vi se etter sammenhenger mellom ulike vitenskaper.

– Det føles alltid godt å finne en løsning på et mysterium man har grublet på i årevis. Disse funnene hjelper oss i arbeidet med å finne ut hvordan våre indre kart interagerer med omgivelsene. Neste steg nå er å finne ut mer om hvordan gittercellene plukker opp og prosesserer informasjon om vegger og andre flater som kan være til hjelp for å orientere det indre kartet. Kanskje finnes svaret på dette i grensecellene, men det vet vi ikke sikkert ennå.

Moser forklarer at de måtte ty til fysikkens lover for å løse mysteriet om de beskjærte kartene.

– Hvordan fysikkens lover virker på nervesystemet er et område fullt av ubesvarte spørsmål. Vi må jobbe for å finne det ut, sier han.