Er stedsans medfødt eller lært?

Foto: Roberto Verzo
Foto: Roberto Verzo

Ingvild Ulsaker Kruge tar sin doktorgradsavhandling ved Kavli-Instituttet for system-nevrovitenskap (NTNU). Hun forsøker å svare på spørsmålet: er stedssans medfødt eller lært?

Tekst: Ingvild Ulsaker Kruge, stipendiat ved Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet i Trondheim.

Ingvild Ulsaker Kruge
Ingvild Ulsaker Kruge

På Kavli-instituttet jobber forskere med å utvikle forståelsen for nevrale systemer og deres rolle i generering av psykologiske funksjoner. Edvard og May-Britt Moser grunnla Kavli-instituttet, og ble høsten 2014, sammen med John O’Keefe (UCL), tildelt Nobelprisen i medisin eller fysiologi for sin forskning på stedssansen. Moser og O’Keefe oppdaget plassceller og gitterceller. Disse cellene signaliserer hvor i rommet vi er til enhver tid, og sammen med kompassceller, grenseceller og fartsceller danner de et dynamisk kart over vår posisjon i miljøet. Kartet er ikke helt ulikt en GPS, som oppdaterer posisjon i forhold til våre bevegelser i rommet.

Vil forstå hjernen
Oppdagelsen av hjernens posisjonssystem muliggjør direkte innblikk i hvordan hjernen opererer på et høyere kognitivt nivå; et nivå over dekoding av rene sanseinntrykk i de primære sansekorteksene.

Ved å avdekke og forstå de nevrale nettverkene som tillater en kompleks og livsviktig funksjon som navigasjon, kan det  gi viktig innsikt i hvordan hjernen beregner og lagrer informasjon på flere nivåer. De nevrale nettverkene som gir oss mulighet til å gjenkjenne steder vi har vært før og navigere nye steder, har vist seg å sitte dypt i temporallappen; i hippocampus og entorhinal korteks. Disse to områdene er nært forbundet anatomisk, og skader her gir uttalt hukommelsessvikt, særlig for nye minner (anterograd amnesi). I tillegg er det kjent at Alzheimers sykdom oftest starter i entorhinal korteks, og at et av de tidligste symptomene er at stedsansen forvitrer. Gittercellenes fysiologi viser stor grad av heterogen og stabil periodisk fyring, med aktivitetsfelter for hver enkelt celle som dekker et miljø med et perfekt triangulært rutemønster. Men en ting er fremdeles uklart: hvordan har de ulike celletypene som utgjør stedsansen oppstått?

Født sånn eller blitt sånn?
Det er ikke kjent om vi er født med en innebygd stedsans eller om den utvikles med erfaring. Ved hjelp av anatomiske og elektrofysiologiske målemetoder sammen med fri atferd hos rotter i alle aldre har jeg forsøkt å besvare på disse spørsmålene.

Fra tidligere studier er det kjent at gittercellene trenger lenger tid for å modnes funksjonelt under utvikling sammenliknet med andre typer celler. Gjør den  sene modningen det mulig å påvirke gittercellenes utvikling ved å manipulere rotters erfaringer i oppveksten?

Vi begrenset  erfaringene til en gruppe rotter ved å la de vokse opp inne i et sfærisk miljø. Disse sfærerottene bodde i en kule med opake vegger, og var frarøvet muligheten til å bruke landemerker, hjørner, vegger og kanter til å forankre sitt indre kart over omgivelsene. Sfærerottene ble sammenliknet med to andre grupper rotter; noen vokste opp i en firkantet kube med opake vegger, mens andre vokste opp i et beriket miljø (store trådkasser med flere nivåer, leker, og utsikt til rommet). Da dyrene ble voksne testet vi rotter fra alle gruppene ved å implantere elektroder i entorhinal korteks. Én uke senere lot vi rottene løpe fritt rundt og spise kjeks i en ny, stor kvadratisk boks, mens vi registrerte fra gitterceller. Vår første prediksjon var at gittercellene hos de voksne dyrene  enten ville beholde sine perfekte periodiske fyringsfelter, noe som ville tyde på at gitterceller utvikles uavhengig av erfaring, eller så ville den perfekte periodisiteten bryte sammen. Våre funn peker mot det siste alternativet. Hos kontrolldyrene som er oppvokst i beriket miljø eller i en opak kube, fant vi gitterceller med perfekt periodisitet som dekket hele det nye, kvadratiske testmiljøet. Andelen gitterceller i forhold til andre registrerte celletyper var 20-30 % allerede fra dag en og to i det nye testmiljøet, en andel som samsvarer med tidligere publiserte funn. For sfærerottene fant vi ingen eller svært få gitterceller de første to dagene og kun inntil 10 % gitterceller etter tre dagers testing i det kvadratiske testmiljøet. Våre funn peker mot at den perfekte periodisiteten til gittercellene bryter sammen uten tilstrekkelig erfaring med vertikale vegger, rette vinkler og hjørner under rottenes utvikling.

 

Til venstre: En gittercelle fra en rotte oppvokst i beriket miljø, første gang rotta løper fritt i en åpen boks (150 x 150 cm). Grå linjer er lagt over toppene, dvs. de stedene i boksen hvor cellen har høyest fyringsrate (varme farger). Den mørkeblå fargen viser hvor i boksen cellen er stille. Linjene illustrerer det repeterende trekantmønsteret som dekker boksen. Til høyre: En gittercelle fra en rotte oppvokst i et sfærisk miljø, fra den tredje dagen rotta løper fritt i boksen. Grå linjer er strukket mellom toppene hvor cellen har høyest fyringsrate. Legg merke til hvordan symmetrien mellom toppene er brutt, sammenliknet med cellen fra det berikede dyret.
Til venstre: En gittercelle fra en rotte oppvokst i beriket miljø, første gang rotta løper fritt i en åpen boks (150 x 150 cm). Grå linjer er lagt over toppene, dvs. de stedene i boksen hvor cellen har høyest fyringsrate (varme farger). Den mørkeblå fargen viser hvor i boksen cellen er stille. Linjene illustrerer det repeterende trekantmønsteret som dekker boksen.
Til høyre: En gittercelle fra en rotte oppvokst i et sfærisk miljø, fra den tredje dagen rotta løper fritt i boksen. Grå linjer er strukket mellom toppene hvor cellen har høyest fyringsrate. Legg merke til hvordan symmetrien mellom toppene er brutt, sammenliknet med cellen fra det berikede dyret.

Viktige spørsmål må fortsatt besvares
Funnene fra min avhandling tyder på at rotter er født med et rudimentært grunnlag for stedsans, siden vi vet at det anatomiske grunnlaget er lagt fra fødselen av. Gittercellenes funksjonelle utvikling er avhengig av erfaring med stabile, vertikale landemerker for å kunne danne grunnlag for et godt indre kart.

Det er fortsatt mye som er uklart om hvordan rotters indre kart og stedsans utvikles. Det gjenstår å undersøke om gittercellenes perfekte fyring-relaterte periodisitet også kan bryte sammen hos berikede voksne rotter som bor en kortere periode i et sfærisk miljø. Foreløpig vet vi altså ikke om beriket miljøerfaring må skje i en kritisk periode i rottenes utviklingsforløp. I tillegg vet vi ikke om eller hvordan sammenbruddet i gittercellenes periodisitet eventuelt påvirker sfærerottenes navigasjonsevner eller hukommelse i mer komplekse oppgaver. I tiden som kommer fortsetter mine gode kollegaer ved Kavli-instituttet i Trondheim å besvare disse og andre elementære spørsmål om to spennende og funksjonelt viktige hjerneområder.

Referanser:
Bjerknes, Tale Litlere; Langston, Rosamund Fay; Kruge, Ingvild Ulsaker; Moser, Edvard Ingjald; Moser, May-Britt. Coherence among Head Direction Cells before Eye Opening in Rat Pups. Current Biology 2015; Volum 25.(1) s.103-108

Kruge, Ingvild Ulsaker; Waaga, Torgeir; Wernle, Tanja; Moser, Edvard Ingjald; Moser, May-Britt. Grid cells require experience with local boundaries during development. Society for Neuroscience; 2014-11-15 – 2014-11-19

O’Reilly, Kally; Flatberg, Arnar; Islam, Sobia; Olsen, Lene Christin; Kruge, Ingvild Ulsaker; Witter, Menno. Identification of dorsal-ventral hippocampal differentiation in neonatal rats. Brain Structure and Function 2014

Annonse