Konsten att hitta rätt

Flanörer, filosofer och forskare har alltid tvistat om orienteringsförmågans natur. Men få har hittat så rätt som årets Nobelpristagare. 

Vem som har bäst lokalsinne är en klassisk tvistefråga, och det är även frågan om lokalsinnets natur. I hundratals år har olika idéer förts fram om hur vi uppfattar och orienterar oss i rummet. På 1960-talet ökade möjligheterna att studera den levande hjärnan, tack vare ny teknik som gjorde det möjligt att med hjälp av inopererade mikroelektroder detektera hjärnaktivitet hos råttor samtidigt som de rör sig fritt.

Upptäckten av den inre kartan

John O´Keefe. Foto: David Bishop, UCL

En av de första att använda tekniken var John O´Keefe, som i sitt laboratorium i London studerade den del av hjärnan som kallas hippocampus. Han upptäckte att en typ av nervceller hade ett speciellt aktivitetsmönster. De skickade signaler enbart när råttan befann sig på en viss plats i rummet. När råttan flyttade sig till en annan plats tystnade cellerna och andra celler, i samma del av hjärnan, blev aktiva istället. Detta mönster var helt oväntat och liknade inte aktiviteten hos några andra kända hjärnceller. John O´Keefe drog slutsatsen att cellerna representerar specifika platser i råttans omgivning. Den kombinerade aktiviteten hos platscellerna, som han kallade dem, bildar en inre karta och ger råttan en enhetlig uppfattning av rummet den befinner sig i – vad man till vardags kallar lokalsinne. 

I sin fortsatta forskning visade John O´Keefe att hippocampus innehåller många kartor över olika miljöer, var och en representerad av en unik kombination av aktivitet i platsceller. Han kunde också visa att platscellerna har en minnesfunkton och lagrar information om olika miljöer. När råttan kommer till en ny miljö sker en inlärningsprocess och platscellernas aktivitet omarrangeras, men när ett sådant arrangemang har skett är det stabilt över tid.

Först möttes John O´Keefes teorier med viss skepsis. Men studie efter studie som gjordes för att följa upp resultaten pekade mot samma slutsats. John O´Keefe hade faktiskt lyckats lokalisera hjärnans egen kartfunktion. Men frågan kvarstod om det var hela sanningen eller om det fanns fler dolda komponenter i hjärnans navigationssystem.

Koordinaterna avslöjas

Makarna May-Britt Moser och Edvard Moser, som tidigare samarbetat med John O´Keefe, undrade i början av 2000-talet om platscellernas aktivitet kunde genereras från någon annan hjärnregion, utanför hippocampus. Deras misstankar riktades mot entorhinalcortex, ett angränsande område med rikliga nervkopplingar till hippocampus. De kunde snart visa att det även där finns celler vars aktivitet liknar platscellernas. Men genom fortsatta experiment, där råttor fick röra sig fritt på större ytor, upptäckte de också en celltyp med andra märkliga egenskaper som verkade kopplade till orienteringsförmågan. När råttorna rörde sig i sin miljö signalerade en enskild sådan cell vid flera olika platser, till skillnad från platscellerna som var och en aktiverades vid en enda specifik plats. När forskarna drog linjer mellan de olika platserna där en cell signalerat framträdde ett geometriskt nätverk, ett hexagonalt mönster ungefär som på vaxkakan i en bikupa. De nyupptäckta cellerna fick därför namnet rutnätsceller (grid cells).

Genom fortsatta experiment kunde May-Britt och Edvard Moser visa att olika rutnätsceller bygger upp likadana geometriska nätverk som är förskjutna i förhållande till varandra, så att de tillsammans täcker in varje punkt i rummet. Rutnätscellerna i olika delar av entorhinalcortex skiljer sig dock genom att de bygger upp nätverk av olika storlek. I ett experiment släckte forskarna alla lampor och kunde visa att rutnätsceller som aktiverats i en viss miljö fortsätter att vara aktiva även i totalt mörker.

Sammantaget tydde de olika experimenten på att rutnätscellerna, liksom platscellerna, inte reagerar direkt på råttans synintryck när den rör sig genom miljön, utan att de speglar en mer komplex hjärnaktivitet. Slutsatsen blev att rutnätscellerna är ytterligare komponenter i ett navigationssystem. Rutnätscellerna ger hjärnan ett sätt att mäta rörelser och avstånd och fungerar som ett koordinatsystem som tillsammans med platscellerna bildar en sorts inre GPS.

 För att orientera sig räcker det inte med att känna till sin position i omgivningen utan man behöver också tolka denna information utifrån vilket håll man för tillfället är vänd mot. De så kallade huvudriktningscellerna, som först beskrevs av forskaren James Ranck år 1985, hjälper till att lösa detta problem. De fungerar som en kompass och är aktiva när huvudet är vänt i en specifik riktning. Forskningen har också visat att det finns celler som är specialiserade på att signalera när djuret närmar sig en barriär eller en vägg.

Dessa så kallade gränsceller förutsågs först av John O´Keefe och hans medarbetare utifrån datormodeller över hjärnans navigationssystem som de utvecklade efter upptäckten av platscellerna. May-Britt och Edward Moser visade i sin fortsatta forskning att huvudriktningscellerna och gränscellerna i enthorinala cortex har nära kopplingar till platscellerna i hippocampus. Tillsammans bildar cellerna i entorhinalcortex och platscellerna en inre GPS som förklarar hur råttan vet var den är och vart den är på väg.

Minnen av tid och rum

Nobelpristagarnas upptäckter gjordes genom studier i råttor. Men motsvarande hjärnstrukturer, hippocampus och entorhinalcortex, finns även hos människor och har en välkänd koppling till rumsuppfattning.

Forskare tittar i dag närmare på platscellernas roll för det episodiska minnet. Man vet att platsceller hos råttor inte bara kodar information om var råttan befinner sig för tillfället, utan även om var den har varit och vart den är på väg. Vi vet att upplevelser från en dag bearbetas och lagras under sömnen, och detsamma verkar gälla information som kodas av platsceller. Forskning har visat att platsceller som aktiveras när en råtta går en viss rutt aktiveras igen i samma sekvens när råttan sover. Denna uppspelning av platscellernas aktivitet kan tyda på att den information som platscellerna kodar lagras in i andra hjärndelar.

Platscellerna är viktiga för vår uppfattning om var vi är, men kanske också för förmågan att minnas platser som vi har upplevt tidigare. Utifrån cellnivå har Nobelpristagarna kunnat förklara en avancerad kognitiv funktion, som behövs för allt från att hitta till toaletten till att förstå vår plats i universum. Sökandet efter vår orienteringsförmåga visade sig leda till platsceller och rutnätsceller och i sin tur till nya frågor om hur högre funktioner som hur minnet fungerar.

Vem vet var färden slutar. 

Hippocampus växer med uppgiften

För att få en taxilicens i London krävs vad chaufförerna kallar ”the knowledge”, det vill säga förmågan att hitta bland Londons cirka 25000 gator utan karta. Kunskapen tränas in under en läroperiod på runt 2 år och testas därefter med en serie prov. Brittiska forskare har visat att den bakre delen av hippocampus växer under läroperioden och efteråt är signifikant större än hos kontrollpersoner. Resultaten antyder att denna del av hippocampus fungerar som en lagringsplats för de mentala kartorna eller som en knutpunkt för bearbetning av rumslig information.

Text: Ola Danielsson, publicerad i tidskriften Medicinsk Vetenskap nummer 4, 2014