For blot nogle få år siden opdagede forskerne ved 'Kavli Institute for Systems Neuroscience and Center for the Biology of Memory' ved NTNU i Trondheim, i Norge at vi har vort eget indre kort.
Utrolig nok er det sådan at nervecellerne i en bestemt del af hjernen danner et slags gigantisk landkort, som kan bruges i alle omgivelser. Landemærker, i det område du er i, plottes simpelthen bare ind, således at det samme kort kan vise både spisestuen og Times Square.
Hjernekortet er inddelt i et gitterværk af sekskanter - et slags koordinatsystem - omtrent som almindelige kort er inddelt i firkantede kasser.
Og hver enkelt nervecelle i denne del af hjernen har ansvaret for nogle af punkterne i dette gitter. Disse såkaldte grid-celler affyrer signaler når du bevæger dig igennem steder hvor linjerne i gitteret krydser hinanden.
Du kan for eksempel forestille dig at hjernen har et kort over rummet, du er i, delt op i fine felter. Når du bevæger dig igennem rummet, går du igennem flere af krydsene i gitteret.
Idet du nærmer dig et kryds, vil hjerneceller med ansvar for dette punkt i gitteret begynde at affyre signaler. Jo nærmere selve krydsningspunktet du kommer, jo flere signaler udsender cellen. Så aftager signalerne igen, når du er på vej væk.
Desuden overlapper grid-cellernes ansvarsområderne hinanden en smule. Signalerne fra alle de involverede celler giver hjernen nok information til at den fornemmer præcist hvorhenne på kortet, du er.
Men hvordan kan den egentlig regne dette ud, uafhængigt af om du går eller løber? Og hvordan konstruerer hjernen kortet til at begynde med?
Det hele ser ud til at have noget at gøre med taktfaste tidsrytmer, fortæller professor Edvard Moser som leder forskningscenteret.
Affyres i takt
Det hjerneceller generelt foretager sig, er enten at udsende nervesignaler, eller ikke at gøre det. Sådan kommunikerer de med hinanden på en slags ja/nej-måde. Det er netop denne enkle kommunikation mellem milliarder af hjerneceller, som er udgangspunktet for alt det, som vores hjerne foretager sig.
Hver enkelt hjernecelle affyrer altså signaler med ujævne mellemrum, for eksempel ligesom cellerne i hjernekortet affyrer signaler når du bevæger dig igennem deres kryds.
Men af en eller anden grund er det således at hovedparten af cellerne har en tendens til at sende deres signaler så de falder ind i en bestemt takt - en bølgende rytme som er speciel for lige præcis dette hjernecenter.
»Dette har man kendt til længe. Hjerneområdet hippocampus og nogle af de omkringliggende områder har for eksempel en helt klar rytme på otte hertz, som altså tikker taktfast otte gange i sekundet, når rotten undersøger omgivelserne,« forklarer Moser.
Dette gælder også for hjerneområdet entorhinal cortex, hvor grid-cellerne i hjernekortet sidder.
»Cellerne kan også tænde i andre rytmer, nogle hurtigere og nogle langsommere. Til sammen findes der en håndfuld forskellige takter deroppe. Disse rytmer fungerer antageligvis som tids-referencer for hjernen.«
Men selv om hjernecellernes rytme er fantastisk fascinerende, er det alligevel utakt i geledderne, som virkelig optager forskerteamet i Trondheim.
Slinger i valsen
Gentagne målinger har vist at nogle af grid-cellerne som er ansvarlige for hjernekortet hos rotter, tikker i utakt. Systematisk. Nu har Moser og hans kollegaer undersøgt denne slinger i valsen.
Resultaterne viser at cellerne i hjernekortet tænder hurtigere end ottehertzrytmen, når den sender signaler om at rotten vandrer igennem et kryds i gitteret i kortet.
»Det går ikke så meget hurtigere. Takten øges måske til ni eller 10 hertz,« siger Moser.
»Men det går altid hurtigt nok til at takten igen rammer det næste slag i ottehertzrytmen, præcist når rotten kommer ud af krydset.«
Det betyder altså at rottens fart har betydning for hvor meget takten går op. Hvis rotten spurter af sted, bliver takten igennem punktet desto højere for at slagene igen skal nå ottehertzrytmen.
»Heri ligger der egentlig utrolig meget information,« fortæller Moser.
Ved at se hvor slagene i den hurtige rytmen falder i forhold til ottehertzrytmen, kan forskerne faktisk finde ud af nøjagtig hvor rotten befinder sig - om den er lidt foran krydset, i krydset eller på vej ud.
»Spørgsmålet er bare: kan rottehjernen gøre det samme? Har rottehjernen mekanismer til at opsamle denne information om hvor den befinder sig henne?«
Forskerne tror netop de kan være på sporet af rottehjernens redskab, til at bruge information fra de to rytmer til at udregne afstande mellem punkter på kortet. Kender man farten og tiden som er gået, kan man jo også udregne afstanden som er tilbagelagt.
»Tiden er en helt nødvendig faktor for at hjernen skal kunne danne kortet. Derfor mener vi, at der må findes en måde at forvandle bølgerne i hjernens tidssignaler til 'rumbølger' langs hjernekortet.
Bølgemønster
»Vi tror at ottehertzrytmen og de hurtigere takter fra grid-cellerne i hjernekortet påvirker hinanden og danner et såkaldt interferensmønster,« siger Moser.
De to bølgende rytmer blandes sammen til et mønster, omtrent på samme måde som vi får bølgemønstre i vand, når bølger med forskellig højde eller retning møder hinanden.
Det er disse mønstre, som kan være med til at forklare hvordan hjernekortet kan beregne afstande rigtigt, og måske hvordan det dannes til at begynde med, mener forskergruppen.
Resultaterne hidtil stemmer i hvert fald overens med en model, som siger at et sådan samspil mellem to forskellige rytmer er med til at danne koordinatsystemet i hjernen.
Modellen forudsiger at rytmemønsteret, som dannes når jævne ottehertzbølger og de hastighedsafhængige, individuelle bølger mødes, oversættes til en slags 'rumbølger' i hjernekortet - hvor bølgetoppene er krydsene i gitteret og bølgedalene er pladsen imellem.
»Dette bekræfter altså foreløbigt det vi har troet, men hypotesen er på ingen måde bevist endnu. Dette er noget af det, som vi vil undersøge nærmere,« siger Moser.
Hjernebonus
Og i mellemtiden kan vi jo lade os fascinere af det faktum at utakts-mekanismen har en praktisk bonus for rotten.
Når dyret vimser igennem et rum, affyrer en del af cellerne i gitteret signaler i en vis sekvens - et slags mentalt spor af vejen rotten har gået. Det at cellerne i hjernekortet øger takten hvormed de tænder, betyder også at sekvenserne af signaler sendes i tættere tempo.
»De tænder faktisk så hurtigt efter hinanden at der dannes små mikrosekvenser, som er en slags tidskomprimeret kopi af bevægelsessekvensen. Og når det hele foregår i et tidsrum på blot 50 mikrosekunder, er hjernen i stand til at lagre dem.
Dermed husker rotten hvor den netop har været, og slipper for at udforske det samme område igen. Således bliver det lettere at finde frem.
»Det er ganske udspekuleret!« konkluderer Moser.
Reference:
T. Hafting, M. Fyhn, T. Bonnevie, M-B. Moser & E. I. Moser, Hippocampus-independent phase precession in entorhinal grid cells, Nature, 15. may 2008.
© forskning.no. Oversat af Johnny Oreskov
