Forfattere
Denne artikel er baseret på et interview mellem de to forfattere.
Gitterceller er særlige hjerneceller, der spiller en nøglerolle i hjernens navigationssystem. Forskning i disse celler er et af de mest interessante og hastigt fremadskridende emner inden for hjernevidenskab i dag. Meget har ændret sig, siden mine kolleger og jeg opdagede gitterceller i 2005, og endda siden vi blev tildelt Nobelprisen i 2014. I denne artikel vil jeg beskrive de fremskridt, der forvandlede forskningsområdet for gitterceller, og fortælle dig om den måde, vi studerer gitterceller på i dag. Endelig vil jeg give dig et indblik i, hvordan vi håber at kunne bruge vores forståelse af gitterceller som et “vindue” til at forstå hjernen som helhed.
Denne artikel forudsætter, at læserne har den grundlæggende viden, der er delt i tidligere artikler om gitterceller og placeringsceller.
Professor Edvard Moser vandt Nobelprisen i fysiologi eller medicin i 2014 sammen med professor May-Britt Moser og professor John O’Keefe for deres opdagelser af celler, der udgør et positioneringssystem i hjernen.
Har du nogensinde undret dig over, hvordan din hjerne kortlægger verden, så du kan navigere i den med succes? Som du måske har læst i en tidligere Nobel Collection-artikel, grid cells er en særlig type af neuroner (hjerneceller), som er en vigtig del af hjernens navigationssystem. Gittercellerne blev fundet af mine kolleger og jeg i 2005 [1]. De er placeret i et hjerneområde kaldet entorhinal cortex. Hver gittercelle reagerer på et specifikt sekskantet mønster af steder (figur 1). Den fælles aktivitet af mange gitterceller skaber et internt “koordinatsystem” i hjernen, der hjælper et dyr med at vide, hvor det er i miljøet, hvordan man kommer fra et sted til et andet, og hvordan man estimerer afstanden mellem punkter (for at lære mere om gitterceller, kan du se denne video).
Gitterceller arbejder i koordination med andre typer navigationsceller i den entorhinale cortex, herunder hovedretningsceller, objektvektorceller og grænseceller. Gitterceller arbejder også sammen med stedceller, som er placeret i et andet område af hjernen kaldet hippocampus [2]. Vores mål er at forstå, hvordan grupper af gitterceller fungerer i sig selv, og hvordan de også fungerer med disse andre celler.
Siden vores opdagelse er der sket vigtige og hurtige ændringer inden for forskning i gitterceller. I 2005 studerede man gittercellernes aktivitet ved at undersøge den elektriske aktivitet i én gittercelle ad gangen, hvilket gjorde det muligt for os at opdage gittercellernes unikke hexagonale aktivitetsmønster. I løbet af de sidste par år er enkeltcelle-tilgangen dog blevet erstattet af studiet af aktiviteten i mange gitterceller på samme tid. I dag undersøger forskere, der studerer gitterceller, aktiviteten i netværk af gitterceller, og hvordan disse netværk repræsenterer et dyrs miljø. Men hvordan kan vi holde styr på mange gitterceller, der er aktive på samme tid?
Denne nye tilgang blev muliggjort af to teknologier. Den første var udviklingen af nye elektroder, kaldet Neuropixels-sonder, der gør det muligt for os at “lytte til” neuroner ved at optage den elektriske aktivitet fra mange af dem samtidigt (figur 2A) [3, 4]. De nyeste Neuropixels-sonder indeholder mere end 5.000 optagelsessteder, der kan opfange elektriske signaler fra individuelle neuroner. Ved hjælp af Neuropixels-sonder kan forskere registrere den elektriske aktivitet i hele grupper, eller populationer, af neuroner – det er derfor, denne type optagelse kaldes en neural populationsoptagelse. I øjeblikket kan vi optage fra omkring 380 steder på en mikrochip på én gang, hvilket giver os adgang til aktiviteten i mere end tusind celler på samme tid. Jeg forventer, at vi i 2025 vil være i stand til at optage fra de fleste eller alle mulige steder på én gang, hvilket vil øge antallet af celler med endnu en
Det andet nylige teknologiske fremskridt var udviklingen af exceptionelle lysmikroskoper, der kan placeres over dyrets hoved [5]. Disse er miniature to-foton mikroskoper, der kan opfange ændringer i strømmen af calcium (Ca2+ ) ioner i neuroner (figur 2B) og fortælle os, hvilke celler der er aktive på et givet tidspunkt. Ved hjælp af calcium-billeddannelse kan vi “se” gitterceller ved at have et visuelt billede af de aktive celler i netværket og kombinere forskellige billeder for at skabe en video af aktive celler over tid ( Video 1) [6].
Mit laboratorium i Norge anvender de avancerede teknologier, der er beskrevet ovenfor, til at studere gittercellenetværk. Vi bruger Neuropixels-prober til at registrere aktiviteten af mange celler i den entorhinale cortex samtidigt. Ved hjælp af vores viden om gitterceller er vi i stand til at isolere gittercellerne fra vores optagelser og studere dem i små grupper. Vi spørger så, om visse grupper af gitterceller agerer sammen på en synkroniseret måde, eller om visse grupper af celler har tendens til at være aktive i en bestemt rækkefølge eller et bestemt arrangement, når dyret bevæger sig rundt i sine omgivelser. Hvis vi finder sådanne “regler” i vores data, kan vi bruge dem til bedre at forstå aktiviteten i hele netværket af gitterceller (ved hjælp af avancerede statistiske metoder og maskinlæringsteknikker). Vi kan sammenligne vores nye data med eksisterende teoretiske modeller for gittercelleaktivitet [7]. Hvis vi finder ud af, at en bestemt model er nøjagtig, kan vi planlægge, hvilke fremtidige eksperimenter vi skal udføre, hvilke nye eksperimentelle data vi skal indsamle, og hvordan vi bedre kan analysere vores data. Dette er det ideelle scenarie inden for videnskab – når eksperimenter og teori går hånd i hånd.
Der er mange ubesvarede spørgsmål i gittercelleforskningen, som f.eks: Hvordan producerer gitterceller de aktivitetsmønstre, de har? Hvordan arbejder undernetværk (moduler) af gitterceller sammen? Og hvordan arbejder netværk af gitterceller sammen med netværk af andre typer navigationsrelaterede celler for at skabe hjernens komplette interne kort? Jeg tror, at efterhånden som vi bliver bedre til at forstå, hvordan forskellige celletyper fungerer, vil vi gradvist blive i stand til at besvare det større spørgsmål om, hvordan alle disse celler arbejder sammen. Vores næste udfordring vil så være at forstå, hvordan denne kollektive aktivitet fører til et dyrs opfattelse af rummet – hvordan skaber aktiviteten af alle disse celler oplevelsen af at navigere succesfuldt i verden?
Et andet spørgsmål, som gittercelleforskere er interesserede i, er, om gitterceller er involveret i navigationsplanlægning. Med andre ord, kan gitterceller forudsige eller planlægge dyrets næste placering(er)? Og i så fald, hvor langt væk fra? Der er noget, der tyder på, at gittercellerne indeholder information om dyrets umiddelbare fremtidige placering. Men hvis et dyr navigerer i en labyrint, er det nødt til at lægge en plan for, hvordan det kommer fra startpunktet til enden af labyrinten (hvor det får en godbid). Lægger det den plan lige fra begyndelsen og husker en bane gennem labyrinten (figur 3A), eller navigerer det “i farten” og beslutter lokalt, hvor det skal dreje i hvert kryds (figur 3B)?
En anden retning, som gittercelleforskere i øjeblikket undersøger, er, om hjernen bruger gitterceller til andre ting, som den har brug for at måle, hvilket vi kalder metrics. [8]. Forskere spekulerer i, at gitterceller bruges til mange typer af målinger, som at holde styr på sociale netværk og forstå de “sociale afstande” i dem. Generelt tænker vi på gitterceller som et neuralt netværk, der udfører beregninger i hjernen. Vi håber at kunne bruge dette netværk og dets relationer til andre netværk af celler i navigationssystemet til at forstå generelle principper for, hvordan hjernen udfører beregninger og behandler information. Vi mener, at gittercellesystemet kan fungere som et “vindue” til at forstå, hvordan store neurale netværk fungerer i hjernen, og i sidste ende forklare, hvordan cognition det synes jeg er meget spændende!
For at være en god videnskabsmand i dag er den vigtigste egenskab nysgerrighed (figur 4). Hvis du føler dig inspireret til at forstå noget, så følg din nysgerrighed og din passion – og gør så dit bedste for at finde ud af det. Du skal ikke bekymre dig om ting som at tjene en masse penge eller forsøge at finde ud af på forhånd, hvad der vil være nyttigt i din fremtid. Jeg synes også, det er vigtigt at være ambitiøs, at have høje mål og at være motiveret for virkelig at gøre en forskel for menneskeheden. Stræb efter at opnå noget stort, og hvis du finder ud af, at det ikke er muligt i øjeblikket, så bryd spørgsmålet ned i mindre trin og forfølg dem individuelt. Jeg tror, at nysgerrighed og ambitioner i høj grad kan dyrkes, så det er vigtigt at træne sig selv ved at stå over for meningsfulde udfordringer og problemer.
Hvis du gerne vil arbejde med neurovidenskab, anbefaler jeg, at du får et solidt fundament i fysik og matematik. Med tiden bliver disse discipliner stadig vigtigere for neurovidenskab, og de er meget lettere at lære i en ung alder end senere i din karriere. Du får også brug for at vide noget om biologi, psykologi og andre emner, men det er lettere at lære på et senere tidspunkt. Meget har ændret sig, siden jeg startede min karriere inden for neurovidenskab i 1980’erne, og jeg tror, at der vil ske meget mere i løbet af de næste 40 år. Det vil sandsynligvis ikke kun gælde for neurovidenskab, men for alle videnskabelige områder. Jeg synes, det gør en karriere inden for videnskab til et virkelig spændende og givende eventyr.
Gitterceller: Neuroner i en del af hjernen kaldet entorhinal cortex, hvis affyringssteder danner et koordinatsystem i hjernen, der hjælper et dyr med at navigere gennem sine omgivelser.
Neuroner: Nerveceller; celler i hjernen, der producerer elektriske impulser for at sende signaler til kroppen, hjernen eller andre neuroner.
Entorhinal cortex: Et hjerneområde, der indeholder navigationsceller, herunder gitterceller, hovedretningsceller, objektvektorceller og grænseceller.
Elektroder: Måleenheder, der bruges til at registrere den elektriske aktivitet i neuroner.
Optagelse af neurale populationer: Optagelse af den elektriske aktivitet fra mange neuroner samtidigt.
Metrik: Målinger, der giver kvantitativ information om en parameter (afstand i vores tilfælde).
Kognition: Mentale processer som at tænke og huske, der bruges til at tilegne sig viden og forståelse.
[1] Hafting, T., Fyhn, M., Molden, S., Moser, M. B. og Moser, E. I. 2005. Mikrostruktur af et rumligt kort i den entorhinale cortex. Nature 436:801-6. doi: 10.1038/nature03721
[2] Moser, E. I., Kropff, E., og Moser, M. B. 2008. Stedceller, gitterceller og hjernens rumlige repræsentationssystem. Annu. Rev. Neurosci. 31:69-89. doi: 10.1146/annurev.neuro.31.061307.090723
[3] Jun, J. J., Steinmetz, N. A., Siegle, J. H., Denman, D. J., Bauza, M., Barbarits, B., et al. 2017. Fuldt integrerede siliciumprober til registrering af neural aktivitet med høj densitet. Nature 551:232-6. doi: 10.1038/nature24636
[4] Steinmetz, N. A., Aydin, C., Lebedeva, A., Okun, M., Pachitariu, M., Bauza, M., et al. 2021. Neuropixels 2.0: En miniaturiseret probe med høj densitet til stabile, langsigtede hjerneoptagelser. Videnskab 372(6539):eabf4588. doi: 10.1126/science.abf4588
[5] Zong, W., Wu, R., Li, M., Hu, Y., Li, Y., Li, J., et al. 2017. Hurtig høj opløsning til hjerneafbildning i frit opførte mus. Nat. Methods 14:713-9. doi: 10.1038/nmeth.4305
[6] Zong, W., Obenhaus, H. A., Skytøen, E. R., Eneqvist, H., de Jong, N. L., Vale, R., et al. 2022. Storstilet to-foton calcium-billeddannelse i frit bevægelige mus. Cell 185:1240-56. doi: 10.1016/j.cell.2022.02.017
[7] Gardner, R. J., Hermansen, E., Pachitariu, M., Burak, Y., Baas, N. A., Dunn, B. A., et al. 2022. Toroidal topologi af befolkningsaktivitet i gitterceller. Nature 602:123-8. doi: 10.1038/s41586-021-04268-7
[8] Moser, E. I., Roudi, Y., Witter, M. P., Kentros, C., Bonhoeffer, T. og Moser, M. B. 2014. Gitterceller og kortikal repræsentation. Nat. Rev. Neurosci. 15:466-81. doi: 10.1038/nrn3766
Mennesker har lavet musik i titusinder af år. Men hvad sker der i din hjerne, når du lytter til dit yndlingsband eller din yndlingsmusiker? I denne artikel følger du lydens rejse fra ørerne til hjernen, hvor forskellige områder arbejder sammen, mens du lytter til musik. Musik involverer mange hjernefunktioner, såsom lydbehandling, hukommelse, følelser og bevægelse. Du vil også opdage, at hjernen kan lære at genkende velkendte mønstre i musik, hvilket kan hjælpe med at forklare, hvorfor musik kan gøre os glade, triste eller endda ophidsede. Til sidst vil du udforske, hvad der sker i musikeres hjerner, når de spiller på deres instrumenter.
…
Kunstig intelligens (AI) systemer bliver ofte rost for deres imponerende præstationer inden for en lang række opgaver. Men mange af disse succeser skjuler et fælles problem: AI tager ofte genveje. I stedet for virkelig at lære, hvordan man udfører en opgave, bemærker den måske bare enkle mønstre i de eksempler, den har fået. For eksempel kan en AI, der er trænet til at genkende dyr på fotos, stole på baggrunden i stedet for selve dyret. Nogle gange kan disse genveje føre til alvorlige fejl, såsom en diagnose fr , der er baseret på hospitalsmærker i stedet for patientdata. Disse fejl opstår selv i avancerede systemer, der er trænet på millioner af eksempler. At forstå, hvordan og hvorfor AI tager genveje, kan hjælpe forskere med at designe bedre træningsmetoder og undgå skjulte fejl. For at gøre AI mere sikker og pålidelig skal vi hjælpe den med at udvikle en reel forståelse af opgaven – ikke bare gætte ud fra mønstre, der har fungeret tidligere.
…
Er du nogensinde faldet og slået hovedet, mens du legede? Følte du dig lidt svimmel og havde ondt i hovedet? Hvis ja, kan du have fået en hjernerystelse! Hjernerystelser kan ske hvor som helst. De kan ske under sport, når du leger med dine venner eller endda når du cykler med dine forældre. Det kan være svært at vide, om du har fået en hjernerystelse. Mange børn og forældre er ikke sikre på, hvad de skal gøre, hvis nogen får en hjernerystelse. Læger og forskere ved, at det hjælper dig med at komme dig hurtigere, hvis du gør det rigtige efter en hjernerystelse. Denne artikel forklarer, hvad en hjernerystelse er. Den hjælper dig med at se, om du eller en ven har fået en hjernerystelse, og fortæller dig, hvad du skal gøre, hvis du nogensinde får en hjernerystelse.
…
Hjertet er en meget vigtig muskel, der arbejder uafbrudt for at pumpe blod og levere vigtige næringsstoffer og ilt til alle dele af kroppen. Denne artikel ser på, hvordan hjertet fungerer normalt, og hvad der sker, når det fungerer unormalt, som det er tilfældet med en tilstand kaldet atrieflimren (AF). AF er en almindelig tilstand, der opstår, når hjertet slår uregelmæssigt og ude af takt. AF kan øge en persons risiko for at udvikle alvorlige problemer som hjertesvigt eller slagtilfælde. Denne artikel ser også på, hvordan AF kan diagnosticeres, hvad der forårsager AF, og de forskellige måder, det kan behandles på.
…