Ny forskning kaster lys over hjernens GPS-system

Oppdagelsen av hvordan noen hjerneceller forteller oss akkurat hvor vi er, førte til den første norske Nobelprisen i fysiologi eller medisin i 2014. Disse hjernecellene kalles gridceller fordi de danner et nesten metrisk bilde av omgivelsene.

Gridcellene virker som hjernens GPS. Stedsansen er tett knyttet til hukommelsen som f.eks at vi tydelig husker hvor man var da Covid-19 stengte landet. En av de ledende teoriene om hvordan gridcellenes regulære mønstre oppstår har nå blitt motbevist av forskere ved UiO.

Gridceller trenger informasjon om kroppens bevegelsesretning

For at gridcellene skal kunne fortelle om hvor man er, trenger de informasjon om retningen og farten man beveger seg i. Èn sentral teori er at rytmiske hjernebølger inneholder denne informasjonen. Man har derfor vært ganske sikker på at slike hjernebølger er helt nødvendige for at gridcellene skal kunne gi oss oppdatert informasjon når vi beveger oss. Nå har forskere ved UiO vist at denne teorien ikke stemmer.

Laserlys ble brukt til å forstyrre de naturlige hjernebølgene

Ved å endre på hjernebølgene i hjernens tinninglapp, kunne Mikkel Lepperød og kollegaer ved UiO undersøke om disse hjernebølgene faktisk er viktige for gridcellenes karakteristiske trekantmønster. De satte først inn noen molekylære ‘lysbrytere’ i cellemembranen til bestemte hjerneceller hos rotter.

Ved å sende pulser med laserlys inn i rottehjernen kunne de styre hjernebølgene og lage dem raskere enn de som finnes naturlig. Samtidig målte de aktiviteten til gridceller når rotten løp omkring og lette etter kjeksbiter. Selv da hjernebølgene var mer en tre ganger så raske som til vanlig, hadde dette ingen effekt på gridcellenes aktivitetsmønster.

Dette viser at i motsetning til hva man har trodd etter mer en 10 års forskning i feltet så er det noe annet enn hjernebølgene som kommer med informasjon til gridcellene om fart eller retning.

Slående at gridcellene ikke påvirkes

- At det å overstyre de naturlige hjernebølgene ikke har noen effekt på gridcellenes mønster er slående resultat. Vi regnet faktisk med at det skulle skje langt større endringer, forteller Mikkel Lepperød som er førsteforfatter av artikkelen.

-Vi jobbet lenge med den tekniske delen av eksperimentet fordi det å overstyre de naturlige hjernebølgene viste seg å være vanskelig, men da vi først fikk det til har vi konkret kunnet teste flere teorier om hva som kreves for at gridmønstere eller mentale kart dannes.

Dette viser at ingen av de tidligere teoriene stemmer. Målingene viser også hvordan deler av gridcellenettverket er koblet sammen med andre hjerneceller, noe man ikke har hatt oversikt over. Dette arbeidet kommer med verdifull ny kunnskap til et forskningsfelt som har svært stor interesse internasjonalt.

Må gå tilbake i tenkeboksen

De nye funnene åpner mange nye spørsmål, ikke minst hvilken informasjon som er viktig for for gridcellenes hjernekart.

-Det er vanskelig å fullt ut forstå hvordan gridcellene bidrar til navigasjon uten å vite hvor informasjon om bevegelse og retning kommer fra, sier han.

En alternativ og ny teori må nå utvikles for å forklare disse funnene. Det er laget mange teoretiske modeller om gridceller som hver for seg kan forklare deler av det vi observerer i hjernen, men nå må disse teoriene endres for å ta hensyn til disse nye funnene.

Hjernebølgene er fortsatt viktige

Selv om gridcellene ikke trenger hjernebølgene for å danne mønsteret sitt, så er de fortsatt viktige. Studien viser at hjernebølgene er med på å styre tempoet på signalene gridcellene sender, men altså ikke for hvor de er aktive. Andre studier har vist at hjernebølger i tinninglappen er viktige for noen typer læring og hukommelse.

Dette tyder på at hjernebølgene er viktige for å sende informasjon mellom gridceller og andre hjerneområder. Hjerneceller i entorhinal cortex hvor gridcellene finnes er blant de aller første hjernecellene til å dø under Alzheimer’s sykdom. En bedre forståelse for hvordan disse hjernecellene virker sammen og hvordan informasjonen sendes mellom hjerneområder er derfor viktig for å få innsikt i hva det er som går galt under lidelser som Alzheimer’s sykdom hvor både stedsans og evne til å danne nye minner forringes.

Dette vil man forhåpentligvis kunne finne ut i fremtidige studier.

Les mer: Optogenetic pacing of medial septum parvalbumin positive cells disrupts temporal but not spatial firing in grid cells

CINPLA står for Center for Integrative Neuroplasticity og er et strategisk forskningsinitiativ støttet av Universitetet i Oslo. CINPLA kombinerer eksperimentelle, beregningsorienterte og teoretiske metoder for å studere hjerneplastisitet og hvordan nevrale kretser opererer i ulike former for atferd. CINPLA rekruttere studenter og forskertalenter på tvers av disipliner som for eksempel biologi, fysikk, matematikk og medisin befinner seg derfor i en unik posisjon til å kunne utvikle nye metoder for å studere sykdommer i hjernen.