print logo

Hjernecellene endrer seg under læring

Hjernen er ikke stabil. De mikrosmå kontaktpunktene på tentaklene til hjernecellene endrer seg mens man lærer. 

TO HJERNECELLER: Hver eneste celle i hjernen har titusenvis av kontaktpunkter med andre hjerneceller. Ny forskning tyder på at kontaktpunktene endrer seg under læring. Dette laser-mikroskopibildet viser to hjerneceller med utløpere i synshjernebarken hos rotter. For å kunne ta bildet måtte forskerne på forhånd sprøyte inn et selvlysende stoff i hjernen mens rotten var et foster. Foto: IMBV/UiO

Mange medikamenter mot nevrologiske lidelser har bivirkninger. Når vi får større forståelse av den friske hjernen, kan vi lage bedre medisiner mot disse lidelsene, poengterer førsteamanuensis Marianne Fyhn på Institutt for molekylær biovitenskap ved Universitetet i Oslo. Hun leder en ny forskergruppe som studerer hvordan hjernen forandrer seg under læring.

Ny forskning viser at hjernecellene endrer kontaktpunkter under læring. Marianne Fyhn tar nå et dypdykk i hjernen for å vise hvordan dette skjer. Forskningen hennes kan vekke like stor oppmerksomhet som doktorgraden hennes for to år siden. Da fant hun stedsansen i hjernen. Doktoravhandlingen ble den gang kåret til verdens beste av den amerikanske organisasjonen Society for Neuroscience.

For å forstå den nye forskningen hennes, må Apollon sveipe innom doktorgraden hennes.

Fant stedsansen

Det var lenge en vedtatt sannhet at stedsansen er lokalisert i hippocampus, som ligger dypt inne i tinninglappen i storhjernen. Når hippocampus skades, får man problemer med hukommelsen og slike enkle ting som å finne veien hjem igjen.

Da Marianne Fyhn brukte elektroder for å måle aktiviteten til hjernecellene i hippocampus på rotter, gjorde hun en banebrytende oppdagelse. Rottene ble trent til å få belønning når de kom til et bestemt sted i en labyrint. Det viste seg at hjernecellene i hippocampus dannet et stabilt kart over hele labyrinten. Da hun endret plasseringen der rottene kunne få beløning, endret også hjernekartet seg.

– En hjernecelle som var aktiv for et helt bestemt område i labyrinten, ble nå plutselig aktiv i et helt annet område.

Og enda viktigere: Fyhn slo fast at stedsansen ikke var lokalisert i hippocampus, men i naboområdet entorhinal cortex.

Ettersom det er svært krevende å undersøke denne delen av hjernen med elektroder, har dette området nærmest vært en hvit flekk for hjerneforskere.

SER INN I HJERNEN: Marianne Fyhn har operert inn et glassvindu i skallen på rottene, slik at man kan studere de ytterste lagene av hjernecellene i synshjernebarken. Foto: Yngve Vogt

Perfekt symmetri

Da Fyhn målte responsen fra hjernecellene i entorhinal cortex, oppdaget hun at de samme hjernecellene var aktive hver gang rottene befant seg på et bestemt, geografisk punkt. Og som om dette ikke var nok:

– Avstanden mellom aktivitetsfeltene var konstant og dannet et perfekt symmetrisk mønster. Det var faktisk mulig å plassere likesidete trekanter mellom alle aktivitetsfeltene. Vi døpte disse områdene til grid-celler fordi de dannet et rutenett over omgivelsene, akkurat som lengde- og breddegradene på et kart.

Uansett om rottene beveget seg i en boks på en ganger en meter eller to ganger to meter, var avstanden mellom aktivitetsfeltene konstant.

– Vi fant med andre ord hjernens kart og kompass. Hjernens minnesenter, hippocampus mottar informasjonen fra disse grid-cellene og setter sammen denne informasjonen til komplekse minner, forteller Marianne Fyhn.

Ingen hadde sett noe slikt før.

Nå vil Marianne Fyhn ta et steg videre. Hun vil vite hva som skjer i hjernen når man kommer til et nytt sted og skal lage og lagre nye kart og minner.

– Vi vet veldig lite om hvordan dannelsen av nye minner påvirker hjernecellene. Dette har med hukommelse å gjøre. Vi vil derfor gjerne vite hvordan hjernen skaper nye minner.

Kontaktpunktene i hjernecellene endrer seg

Fridtjof Nansen påviste i sin tid, som professor i zoologi, at hjerneceller har kontaktpunkter med hverandre, men at det likevel fins en liten avstand mellom dem. Alle hjerneceller har lange utløpere, som tentaklene fra en brennmanet. Hver av dem har titusenvis av kontaktpunkter med andre hjerneceller. Det er via disse kontaktpunktene at hjernecellene kommuniserer med hverandre.

– Barn lærer voldsomt raskt, og slagpasienter har evnen til å komme tilbake igjen til normal funksjon. Ny forskning tyder på at det skjer en del endringer i kontaktpunktene mens man lærer.

Mikroskopi av levende hjerner

Bakgrunnen for denne oppdagelsen er en helt ny teknikk. Før i tiden måtte forskerne avlive rotter og sammenligne hjernene til de rottene som ble trent opp til en bestemt oppgave og til dem som slapp denne opptreningen.

– Med den metoden var det nesten umulig å få et godt bilde av hvordan kontaktpunktene hele tiden dannes og forsvinner. Med  den nye teknologien er det derimot mulig å se på endringene mens de skjer, uten å avlive dyrene. Men det er utfordrende å mikroskopere våkne dyr. Rottene våre løper på en ball mens vi undersøker hjernen i et lasermikroskop. For at hjernen skal stå helt støtt, er rottehodet festet til en liten metallplate. Ved å se på de samme utvalgte hjernecellene og kontaktpunktene dag for dag, kan vi se endringer i hjernen. Der er vi nå.

Lasermikroskopet har kostet 3,6 millioner kroner og er så stort at det fyller et dobbeltkontor på Blindern. Med lasermikroskopet er det mulig å se en halv millimeter ned i hjernen. Det er ikke mye. Forskerne kan derfor bare bruke mikroskopet til å se inn i de aller øverste lagene av hjernebarken.

KONTAKTPUNKTENE: De røde strekene er utløperne til en hjernecelle. De grønne prikkene er kontaktpunkter på utløperne. Hver grønne spinae har en diameter på ca 0,2–1 mikrometer. Foto: IMBV/UiO
 

For å se inn i hjernen har UiO-forskerne operert inn et to millimeter bredt hull i hjerneskallen på forsøksrottene og tettet igjen hullet med et glassvindu. Da kan de ta frem de samme rottene og se hvordan kontaktpunktene i hjernecellene utvikler seg dag for dag. Kontaktpunktene er bare en til tre mikrometer brede. En mikrometer er en tusendels millimeter.

– Vi er ikke sikre på om utløperne fra hjernecellene vokser, men vi vet nå at det dannes nye kontaktpunkter på utløperne og at noen kontaktpunkter endrer størrelse.

Neste skritt er å finne den molekylære forklaringen.

– Når vi har den grunnleggende kunnskapen om hva som skjer i hjernen, kan kunnskapen brukes til å fremstille bedre og mer effektive medisiner mot nevrologiske lidelser og skader, forteller Marianne Fyhn.

Opererer hjernen i rottefostre

For å kunne studere endringene i hjernecellene, har forskerne sprøytet inn et fluorescerende stoff i bestemte områder i rottehjernen. Stoffet får hjernecellene til å produsere selvlysende proteiner. Det spesielle proteinet får hjernecellene til å lyse opp i lasermikroskopet.

For at det fluorescerende stoffet skal havne på rett sted i hjernen, må stoffet sprøytes inn på et helt bestemt tidspunkt mens rotten fortsatt er et foster i livmoren til mammaen sin. Forklaringen er at ulike deler av hjernen dannes på helt bestemte dager i fosterutviklingen.

Merkingen av hjernecellene krever presis nennsomhet. Forskerne legger den drektige rottemoren i dyp narkose, åpner buken og tar ut livmoren.

– Embryoene ligger som perler på en snor i den gjennomsiktige livmoren.

Med en syltynn pipette injiserer de det fluorescerende stoffet i hulrommet i hjernen. Stoffet inneholder en DNA-kode. DNA-et programmerer hjernecellene til å lage selvlysende proteiner. DNA er negativt ladet. Ved å sende ut en svak elektrisk strømpuls, vil DNA-et bli drevet gjennom cellemembranen og inn i hjernecellene.

– Så legger vi fostrene varsomt tilbake i morens bukhule før vi syr igjen. Ungene fødes på vanlig måte.

Sjekker synsbarken

Det store spørsmålet til Fyhn er hvordan kortvarige erfaringer kan skape langtidsminner.

Ettersom lasermikroskopet bare kan brukes til å se ned i de øverste områdene i hjernen, kan hun bare bruke teknologien på de områdene av hjernen som ligger aller nærmest skallen.

Hippocampus og entorhinal cortex, som er de viktige sentrene for læring og hukommelse, er svært vanskelige å nå med mikroskop. Det er dessuten svært komplisert å måle hva som forårsaker minnene, ettersom disse hjernesentrene mottar
informasjon fra alle sansene våre.

– Det er derimot langt lettere å kontrollere sanseinntrykkene som kommer inn til synshjernebarken. Det holder å lukke øynene. Samtidig ligger synshjernebarken lagelig til rett under skalletaket og er av den grunn ideelt egnet for mikroskopering.

Fyhn bruker derfor synssenteret som vitenskapelig modell.

– Hvis du vil vite hva som skjer med læringen, kan du se på hva som skjer når synsinntrykkene endrer seg. Synssystemet er på et meget lavt nivå i hjernen, og de sanseinformasjonene som kommer hit, er derfor lette å kontrollere.

Våken tilstand

Synssenteret kommuniserer med andre deler av hjernen. For å se sammenhengen mellom synshjernebarken og hukommelsessenteret, måler forskerne samtidig hva som skjer i hippocampus med elektroder.

Dagens kunnskap om hvordan hjernecellene bearbeider synsinntrykk, stammer fra dyr i narkose, siden synssenteret, uansett om dyr er i koma eller ei, responderer på synsstimuli.

– Ettersom vi er opptatt av læring og hukommelse, er vi avhengige av å undersøke hjernecellene mens dyrene reagerer på omgivelsene. Dyrene må derfor være våkne når vi undersøker dem. Vi antar at synsinntrykkene blir bearbeidet på en annen
måte når dyrene ikke er i koma. Det er vi i ferd med å kartlegge nå. Metoden vår åpner for uante muligheter.

Forskerne belønner rottene når de klarer bestemte oppgaver.

– Rottene får belønning om de gjenkjenner et bestemt mønster, slik som en sirkel. Kvadrater gir ingen belønning. Dette er læring på lavt nivå. Hvis vi forstår hvordan læring påvirker synssenteret, kan vi overføre kunnskapen til andre deler av hjernen.

Selv om dette er grunnforskning, er ikke veien lang til medisinsk anvendelse:

– Forskningen vår øker forståelsen av hvordan mennesker kan være blinde, selv om de har et funksjonelt øye, forteller Marianne Fyhn.

Av Yngve Vogt
Publisert 17. aug. 2012 09:59 - Sist endret 17. aug. 2012 10:54
Legg til kommentar

Logg inn for å kommentere

Ikke UiO- eller Feide-bruker?
Opprett en WebID-bruker for å kommentere