rotte1
Ti ganger i sekundet sender gitterceller sveipende sonderinger ut i rommet foran rotta, i et svært regelmessig mønster. Vekselvis 30 grader mot høyre og 30 grader mot venstre. Illustrasjon: Rita Elmkvist Nilsen / Kavli-instituttet / NTNU

Sveipene som overrasker hjerneforskere

Nytt forskningsgjennombrudd ved Kavli-instituttet avdekker en aktivitet i gittercellene som antar en følehornlignende form. Den benytter rottene til å sondere omgivelsene omkring seg.

I 2005 oppdaget forskerparet May-Britt Moser og Edvard Moser gittercellene og hjernens stedsans. Gittercellene fungerer som hjernens GPS.

De bygger grunnmuren for mentale kart over landskapene du beveger deg i, og de sporer din nøyaktige posisjon i dette landskapet. Når du beveger deg rundt i omgivelsene dine, følges bevegelsene dine av gittercellene rundt på det indre, mentale kartet.

Gittercellenes hemmelighet

Frem til i dag har forskerne trodd at gittercellene er som en GPS-nål som trofast markerer hvor du til enhver tid befinner deg. Det nye forskningsfunnet ved Kavli-instituttet på NTNU avslører at gittercellene gjør mer enn det. De veksler mellom å spore egen-lokasjon og å utforske omkringliggende steder.

Ti ganger i sekundet samhandler gittercellene om å sende sveipende sonderinger ut i rommet foran dyret i et svært regelmessig mønster, vekselvis 30 grader mot høyre og 30 grader mot venstre. Sveipene avdekker en langt mer effektiv måte å kartlegge omgivelser og å forankre lokasjoner i forhold til hverandre og en selv.

Sveipene ble oppdaget i rotter av forskerne Abraham Zelalem Vollan, Rich Gardner, May-Britt Moser og Edvard Moser, og forskningen er publisert i Nature 3. februar 2025.

Ny nevroteknologi ga ny innsikt

Sveipene har vært der hele tiden, men de har ligget skjult inni gitterfeltene, fanget i tidslommer som var for små til å bli registrert.

Bremsen lå på teknologisiden. Forskningsutstyret som var tilgjengelig kun få år tilbake, kunne hverken registrere fra tilstrekkelig antall celler eller i en tidsoppløsning god nok til å avdekke sveipene.

En revolusjonerende nevroteknologi kalt Neuropixels 2.0 snudde om på dette.

Her kan du se Rich Gardner og Abraham Vollan ved Kavli-instituttet vise frem Neuropixels 2.0:

Forskere ved et utenlandsk laboratorium hadde funnet hjerneaktivitet som antydet at gittercellene kanskje ikke bare var opptatt av å følge dyret som en kompass-nål, men at de også var opptatt av mål, steder dyret ønsket å gå.

Dette ville Kavli-forskerne finne ut av.

Et sveip varer 125 millisekunder

– Tidligere forskningsstudier på Kavli-instituttet har identifisert komponentene i stedsansen, slik som celletyper og nevrale kretser som er involvert. Vi ønsket å finne ut av hvordan de mentale kartene blir brukt i sanntid, forteller Rich Gardner.

– Hvilke dynamikker, prosesser og endringer finner sted i den samlede nevrale aktiviteten i nettverket, som kan avsløre hvordan hjernen faktisk bruker dette maskineriet til navigasjon, forklarer han.

Foto viser Gardner og Vollan og ei rotte.

Gardner og Vollan ved en av boksene som rotta navigerte i under forsøkene. Foto: Rita Elmkvist Nilsen / Kavli-instituttet

Metoden forskerne brukte for å teste dette kalles dekoding. Et sveip varer 125 millisekunder, og tilsvarer en thetabølge i hjernedataene.

Den nye Neuropixels-proben kan registrere samhandlinger fra tusenvis av celler i hele nettverket ned på millisekundnivå, mens rotta navigerer i våken tilstand, er i REM-søvn, eller i dypsøvn.

For hver tidsblokk av hjernedata som neuropixels-proben lastet opp i datamaskinen, dekodet datamaskinen hvilken lokasjon som rottas gitterceller i det indre mentale kartet var opptatt av. Så korrelerte datamaskinen denne kartlokasjonen fra gittercellene med rottas faktiske lokasjon i det fysiske landskapet.

På dataskjermen kan forskerne se film av hvordan rotta navigerer i boksen. Samtidig kan de se og høre aktiviteten til tusenvis av gitterceller som samhandler om å danne rottas mentale kart og stedsans. Opptak: Abraham Vollan / Kavli-instituttet
 

Til forskernes overraskelse var kartet ikke alltid i samsvar med landskapet. Tvert imot var kartet i utakt med hvor rotta befant seg på en veldig regelmessig måte.

Dypt nede i millisekundtid ble det synlig at gittercellene sender en liten bølge av nevral aktivitet gjennom en rekke gittercellene som markerer for nabo-områder i landskapet. Gittercellene gjør altså et kart-sveip gjennom omgivelsene.

Sveipen starter kraftfullt i gittercellene som markerer for rottas faktiske lokasjon i rommet, men så flytter den koordinerte gittercelle-aktiviteten seg hurtig fra rotta og fremover til høyre eller venstre i det mentale kartet, før signalet dør ut.

Deretter starter signalet på ny opp ved rottas posisjon, for så å sveipe ut til den andre siden, og slik veksler sveipene taktfast mellom høyre og venstre. Gittercellene i rottas mentale kart, kodet altså ikke bare for rottas posisjon, men også for nærliggende områder av landskapet rotta befant seg i, på en veldig regelmessig måte.

Slik ser sveipene ut: Her ser du hva som foregår i den ytre virkeligheten samtidig som du ser hva som foregår inni rottas mentale kart. Gittercellene i hjernen til rotta samarbeider om å lage lange sveip ut fra rottas faktiske posisjon i landskapet. Sveipene sonderer omgivelsene, og hjelper rotta å relatere ulike steder til hverandre.
Video: Abraham Vollan og Rich Gardner / Kavli-instituttet

– I de gamle forskningsdataene er hele denne dynamikken slått sammen til de store, fete gitterfeltene vi kjenner, sier May-Britt Moser.

– Når vi trekker fra data som tilhører sveipene og kun sitter igjen med øvrig gittercelleaktivitet som koder for rottas egenlokasjon, blir gitterfeltene mye mindre og mye mer presise, forklarer hun.

Naturens optimale strategi?

Hvorfor i all verden holder gittercellene på med dette da, spurte forskerne seg. Og er det noe spesielt med akkurat denne lengden, to-sidigheten, og denne 30-graders vinkelen som alternerer mellom høyre og venstre?

– De nyoppdagede sveipene beveger seg i et mønster som er likt det vi kjenner fra flaggermus, forteller Edvard Moser.

– Noen flaggermus-arter navigerer ved hjelp av ekkolokasjon. De kartlegger omgivelsene sine ved å sende ut lydsignaler vekselvis til venstre og høyre.

– Akkurat den samme dynamikken ser vi i populasjonen av gitterceller når de sonderer dyrets omgivelser med slike lange sveip som alternerer mellom venstre og høyre, sier Moser.

– Samlet, peker resultatene i retning av at sveipene er en grunnleggende mekanisme som er hardkodet inn i nettverket. En såkalt hjernealgoritme, sier Edvard Moser.

Forklaringen på sveipenes lengde fant forskerne i tidligere funn: de mentale kartene hjernen vår lager over landskap er smultringformede.
 

– Det vi ser er at sveipene skyter aldri lenger ut enn halvveis rundt smultring-kartet. På den måten unngår gittercellene overlapp inn i andre områder i det mentale kartet, forklarer Abraham Vollan.

Lengden sveipene kan dekke er altså begrenset av hjernens egen smultringformede regel for hvordan gittercellene får lov å være aktive i hjerne-GPS-en. Vi har minst tre til fem ulike moduler av gitterceller i hjernen. Disse tilsvarer tre til fem ulike smultringformede mentale kart i hjernen, som har som oppgave å dekke ulike målestokker av rom.

Sveipene beveger seg like langt på alle de smultringformede kartene. Men siden skalaen mellom det fysiske rommet og hver av de mentale kartene er forskjellig, så vil gittercellene som bygger de store kartene våre, sveipe mye lenger frem i det fysiske landskapet vi utforsker, enn gitterceller som bygger de mer presise småskala-kartene.

Slik ser sveipene ut på en av torusene av gitterceller som samhandler:

Video: Rich Gardner / Kavli-instituttet
 

For å finne forklaringen på hvorfor hjernen foretrekker å skanne omgivelsene i nettopp disse smale følehorn-lignende sveipene, tosidig med 30 graders vinkel, alternerende ut til høyre og venstre, bygget Rich Gardner en simulert robot (en datamodell basert på kunstig intelligens).

Det den lille roboten testet ulike måter å kartlegge et område som den beveger seg gjennom. Den kom frem til at den optimale strategien fulgte en karakteristisk fiskebeinsmønstret dynamikk. Dette er akkurat den samme regelen som sveipene i rottehjernen benytter seg av: høyre, venstre, høyre i 30-graders vinkel.

Denne strategien viser seg altså å være den aller mest effektive for å kartlegge et område på kortest mulig tid og med minimalt av overlapp.

Video: Rich Gardner / Kavli-instituttet

– Om vi ser til ekkolokasjon hos flaggermus, følehorn, antenner, værhår, eller øynene våre som er lokalisert på hver side i skallen, så gjenkjenner vi et slags prinsipp der disse to alternerende vinklene for å sondere rom går igjen, sier Richard Gardner.

– Modellen vår kom frem til akkurat samme prinsippet for optimal kartlegging. Det gir mening å tenke at evolusjonen ville ha posisjonert sanseorganene og de mentale egenskapene våre på en måte som utnytter dette prinsippet.

Sveipene er en regel som ligger hardkodet i hjernen vår

Forskerne fant sveip både når rotten navigerte, og i REM-søvn når rotta ikke mottar sanseinntrykk fra omverden.

– Kanskje navigerer den i drømmene sine, spekulerer Edvard Moser. Under dypsøvn, en tilstand der hjernen ikke genererer thetabølger, ble sveipene sjeldnere og mer uregelmessige.

– Sveipene sonderer også ut over stup og gjennom vegger. Så det er helt tydelig at signalet ikke først og fremst handler om hvor rotta planlegger å gå, forteller May-Britt Moser.

– Jeg tror man vil finne noe som ligner sveip i mennesker og.

– Vektorprinsippet i sveipene antyder at sveipene kan være en måte å bygge mer robuste kart på. De presise skanningene inneholder svært systematisk informasjon om retning og avstand til steder. Skanningene kan derfor være en måte som hjernen ikke bare fokuserer på enkelt-lokasjoner, men også relaterer og forankrer disse steder til deres omkringliggende miljøer, anslår Rich Gardner.  

– Samlet, peker resultatene i retning av at sveipene er en grunnleggende mekanisme som er hardkodet inn i nettverket. En såkalt hjernealgoritme, sier Edvard Moser.

– Det jeg tenker vi har funnet er en repetitiv og stereotypisk prosess. Den foregår kontinuerlig i hjernens mentale kart, og er med på å kartlegge omgivelsene til en rotte som løper rundt, sier Abraham Vollan.

Sveiper mennesker også?

– Dette kartet kan være viktig for å gjenkalle minner om omgivelsene til rotta, og for å danne nye kart over omgivelser som rotta ikke har vært i før, sier han.

Funnet er gjort i rotter. Mange lurer sikkert på om vi også går rundt og sveiper hele tiden.

– Jeg tror man vil finne noe som ligner sveip i mennesker og. Vi har de samme hjerneområdene, celletypene, de samme funksjonene som hukommelse og stedsans. Og vi har også denne rytmen, om enn litt svakere. Så er spørsmålet om vi vil se nøyaktig det samme mønstret? Mennesker er for eksempel mer visuelt drevet. Vi kan bruke blikket vårt til å utforske steder på avstand.

– Kan hende er sveipene hos mennesker knyttet tettere opp til hvor man ser på i rommet. Forskere har blant annet funnet visuelle plass-celler i både fugler og aper, som aktiveres avhengig av der de ser.

– Så plass-cellen fyrer av ikke der dyret befinner seg, men der oppmerksomheten til dyret er fokusert. Sveipene er en grunnleggende mekanisme på cellepopulasjonsnivå som kan begynne å forklare dette fokuset.  

Gittercellenes former

Fra før har forskerne vist at gittercellene har en geometri i rom – det heksagonale koordinatsystemet:

Gridceller

og en geometri i nettverksaktivitet – smultringen:

Gitterceller

– Nå har vi funnet at gittercellene også har en geometri i tid, sier Edvard Moser (se video under)

– Sveipene endrer vår ide om gittercellene og navigasjon i den forstand at vi nå vet at gittercellene ikke kun koder nåværende posisjon isolert. De relaterer også disse posisjonene til hver omkringliggende posisjon, nøyaktig kodet inn i det mentale kartet.

Fortsatt er mange spørsmål ubesvart, og Kavli-forskerne har ikke tenkt å slippe tak i sveipene med det første.

– Vi er allerede i gang med flere studier som vil gi nye svar på tingene vi klør etter å finne ut av, ler May-Britt Moser.

 

<yoastmark class=

Sju lange år med beintøff forskning ble belønnet med bobler i glasset og publisering i Nature.

– Vår veileder Per Andersen lærte oss å feire seierne våre sammen. Den tradisjonen har vi tatt med oss til Kavli-instituttet, forteller May-Britt Moser.

– I dag feirer vi ikke bare fremragende forskning, men også et sjeldent godt forskersamarbeid. Det har vært en glede å samarbeide med så fine, rause og dyktige unge forskere som Rich og Abraham, sier hun. 

Referanse
Abraham Z. Vollan, Richard J. Gardner,  May-Britt Moser & Edvard I. Moser: Left–right-alternating theta sweeps in entorhinal–hippocampal maps of space. Nature 3. februar 2025