10 millioner euro til nye fremskritt i hjerneforskningen

Et norsk-israelsk team av hjerneforskere har fått ERC Synergy Grant for å undersøke det biologiske grunnlaget for hjernens stedsans.

Mennesker har lenge fundert på hvordan intellektet oppstår og fungerer. Hvordan kan levende vev skape minner, tanker, fantasi og evnen til å planlegge? Det at våre mentale evner oppstår fra aktivitet i hjerneceller er et av livets største mysterier.

Nye fremskritt innenfor hjerneforskningen nøster nå i denne gåten. Med et ERC-finansiert Synergy-grant har forskere ved Kavli-instituttet ved NTNU og the Edmond and Lily Safra Center for Brain Sciences ved Det hebraiske universitetet, satt seg som mål å utforske det nevrale grunnlaget for kognisjon gjennom fokuserte studier av en veldefinert kognitiv funksjon – vår evne til å lokalisere vår egen posisjon i rommet.

Fra Neuron til kognisjon

– Det ligger en spenning, en følelse av revolusjon innen nevrovitenskap i dag, forteller Edvard Moser.

Etter flere tiår med studier av enkeltceller, der man bare kunne drømme om å finne ut hva slags større dynamikk de inngår i, så opplever nevrovitere nå en total transformasjon av fagfeltet, igangsatt av helt nye teknologier.

Til venstre en nevropixel-probe. TIl høyre: Nevrale nettverksdata fra medial entorhinal cortex – som styrer vår evne til å orientere oss i rom. Ill.: Richard Gardner / Kavli Institute for Systems Neuroscience

– På Kavli-instituttet erstatter vi nå de gamle systemene for målinger fra enkeltceller – med Neuropixels silisiumprober og bærbare 2-foton-mikroskop. Disse verktøyene som er utviklet i løpet av det siste året eller to, gjør det mulig for forskere å registrere og visualisere aktivitet samtidig, fra tusenvis av nevroner som samhandler med hverandre under kognitive operasjoner.

– Den teknologiske utviklingen er ikke bare en lineær summering av informasjon fra individuelle hjerneceller. Ved å muliggjøre studier av hvordan store populasjoner av nevroner samvirker, så løfter det spørsmålene våre til et annet funksjonelt nivå i hjernen, forklarer Moser.

Kan registrere hjernefunksjoner fra store nevrale nettverk

– Hjernen vår genererer et bredt spekter av høyere kognitive funksjoner som utgjør våre intellektuelle evner. Disse hjernefunksjonene oppstår i interaksjonen mellom tusenvis av celler som er sammenkoblet i store nevrale nettverk. Dette er nivået vi nå registrerer fra, sier han.

Eksperimentelle målinger alene er imidlertid ikke nok. Eksperimenter må informeres av teoretiske modeller, som foreslår hvordan nevrale nettverk fungerer, som igjen kan testes eksperimentelt. Det handler om å teste om kartet passer til landskapet og å forstå landskapet gjennom kartet.

Det hebraiske universitet i front på CAN-teorier

En av de mest lovende teoriene innen nevrovitenskap de siste 40-50 årene, kalles continous attractor network (CAN)-teorier.

CAN-teorier forutser hvordan nevrale nettverk i hjernen opererer gjennom spesifikke forbindelser mellom celler i nettverket.

– CAN-teorier ble utviklet ved Det hebraiske universitetet, og det er fremdeles ikke noe annet sted hvor man bedre forstår og utvikler disse teoriene, forklarer Edvard Moser.

– Yoram Burak er et sentralt medlem av det komputasjonelle nevrovitenskapsmiljøet ved Det hebraiske universitetet, og er, etter min mening, den sterkeste teoretikeren i sin generasjon innen dette feltet.

ERC-finansiering gir unik mulighet til å forstå hvordan hjernen fungerer

Det ERC-finansierte forskningsprosjektet KiloNeurons bygger på synergien som oppstår i krysningsfeltet mellom teoretisk fysikk og nevrobiologi og psykologi. Ved å forene den mest utviklede teorien i feltet – med den best kartlagte, høyere funksjonen i hjernen, oppstår en unik mulighet for å utforske hvordan hjernen fungerer.

– Målet vårt er å avdekke hvordan en kognitiv hjernefunksjon genereres gjennom interaksjoner mellom tusenvis av celler i hjernebarken, sier Yoram Burak.

Attraktor-nettverksteorier foreslår at aktivitetsmønstre i hjernen formes gjennom spesifikke forbindelser i nevrale nettverk. For stedsansen skaper attraktor-nettverk aktivitetsmønstre som gjør det mulig å fornemme lokasjon og retning.

– Vi tar utgangspunkt i en spesiell høyere hjernefunksjon: fornemmelsen av sted og evnen til å navigere, som bygger på denne fornemmelsen. CAN-teoriene er velutviklet for hjerneområder som genererer stedsans. Vi har kartlagt elementene i og egenskapene til disse systemene, som for eksempel gitterceller; og navigasjon er en enkel atferd å måle. Prosjektet har de beste forutsetninger for å kunne realisere et gjennombrudd innen mekanistisk innsikt, sier Edvard Moser.

Å forstå attraktor-nettverk er viktig for enhver hjerneforsker som ønsker å forstå hvordan aktivitetsmønstre genereres i hjernen:

– Attraktor-nettverk opererer i hele hjernen i mange forskjellige systemer. Det å kunne bevise at de eksisterer, og finne ut av hvordan de fungerer, er nøkkelen til å forstå bredden av kognisjon. Ikke bare vil de hjelpe oss med å dekode den normale, friske hjernen. De vil også hjelpe oss med å avdekke hva som går galt når kognitive funksjoner rammes, som for eksempel ved Alzheimers eller andre nevrologiske og psykiatriske sykdommer. Det vil være et steg i retning av å finne en effektiv behandling.

Pressemelding  fra Forskningsrådet: To norske forskningsprosjekter belønnes med ERC Synergy Grant 

Vil du vite mer? Her er en lenger video hvor professor Edvard Moser forklarer mer om prosjektet: