Hjernens radiosystem Om det er en rotte eller et menneske spiller ingen rolle. Hjernene kommuniserer internt på samme måte ved at grupper av celler utveksler informasjon ved at hjernebølgene i dem svinger i samme frekvens. Ulike typer informasjon utveksles på ulike frekvenser. (Bilde: Håkon Fyhn )
Rotteforsøk Rotteforsøk har vært viktige for å avsløre hvordan hjernecellene kommuniserer. Denne kandidaten kan se ut som den er pyntet med en Luciakrone, men den er instrumentert for anledningen til å lytte på hjernebølgene. (Bilde: NTNU)

Hjernens ethernet

Filtrerer støy

I hjernen jobber cellene på flere frekvenser samtidig slik at man kunne tro at det ville være vanskelig for celleområdene å finne hvilke andre se skal lytte til. Neurongruppene kan sammenliknes med når noen prøver å føre en samtale i et rom med mange støyende mennesker. Ved å konsentrere seg om samtalepartneren er det mulig å blokkere ut bakgrunnsstøyen og høre hva vedkommende sier.

Vanskelig å måle

Frekvensen i strømnettet 50Hz gjør det vanskelig å måle ekstremt svake hjernebølger i de samme frekvensene. Laboratoriene hvor slik måling skal finne sted må derfor være utstyrt med et metallbur, et såkalt Faradaybur, for å hindre at resultatene maskeres av elektromagnetisk støy utenfra.

Ved Kavli Institute for Systems Neuroscience and Centre for the Biology of Memory ved NTNU i Trondheim er forskerne i ferd med å finne ut hvordan hjerneceller kommuniserer med hverandre.

Hjernen er et eneste stort ledningsnett spent ut fra et enormt antall neuroner, men man har ikke forstått hvordan hjerneceller velger blant alle signalene de mottar.

De norske forskerne har studert aktiviteten i grupper av neuroner i nærheten av det området i hjernen som kalles hippocampus, som er et viktig område for å lagre informasjon.

De har funnet ut hvordan rytmer av aktivitet i hjernen gjør det mulig for cellene å sortere ut de viktigste signalene.





Elektrisk

Forskerne har målt endringer i spenning mellom innsiden og utsiden av nerveceller. Disse endringene skjer i takt i mange nerveceller og summen av endringene kan leses av fra bittesmå elektroder inne i hjernen.

Spenningsbølgene til individuelle nerveceller svinger typisk mellom -65 mV og -55 mV i hver celle, og når svingningene skjer flere titalls ganger i sekundet kaller vi dem gammabølger.

Bølgene varierer hele tiden og forskningen fra Trondheim viser at frekvensen ser ut til å variere innen to ulike frekvensbånd; fra 30 til 50 Hz og fra 60 til 130 Hz.

For at neuronene i en gruppe skal snakke sammen er de koblet sammen i punkter der de nesten berører hverandre. Disse kalles synapser. Akkurat i det punktet hvor to nerveceller møtes overføres informasjon som et kjemisk signal.

Ved den laveste spenningen -65 mV fungerer den kjemiske overføringen dårlig, men når bølgen svinger opp til -55 mV utløses en impuls og signaler beveger seg gjennom hele cellen.





Statiske bølger

Selv om spenningen varierer i bølgeform i ulike cellegrupper er det ikke slik at det går en strøm fra den ene til den andre cellegruppen. Dette er statiske bølgeformede spenningsvariasjoner og cellegruppene pulserer på samme sted.

Derimot varierer frekvensen i ulike tidsområder. Noen ganger varierer den i det lave området mellom 30 og 50 Hz, og andre ganger i det høye området mellom 60 og 130 Hz. Oftest skifter cellene mellom høye og lave frekvenser flere ganger i sekundet.

Hovedfunnet i forskningen fra Trondheim er at grupper av celler på ulike steder i hjernen kommuniserer ved at de svinger i samme frekvens. Det betyr at cellegrupper kan stille seg inn på frekvensen til andre og sende eller motta signaler seg imellom.

Omtrent som en radiomottaker er tunet inn på samme frekvens som senderen. Når en cellegruppe er stilt inn på en frekvens er den ikke mottakelig for signaler på andre frekvenser, men de kan raskt bytte bølgeområde.





Før og nå

Et viktig spørsmål er hvorfor bølgene varierer mellom to ulike frekvensområder. Forskerne i Trondheim målte hjernerytmer i et område av hjernen som er spesielt viktig for lagring av hukommelse.

De tror at den lave frekvensen gjør celler i stand til å hente fram minner, mens den høye frekvensen tuner cellene inn på informasjon om det som skjer akkurat her og nå. Ved å skifte mellom lave og høye frekvenser er cellene i stand til å parallell-prosessere informasjon fra nåtiden og fortiden.

De samme cellene svinger med ulike frekvenser hele tiden. I kommunikasjonsterminologi ville vi si at de er tidsmultiplekset. På den måten kan de holde seg oppdatert om for eksempel hvor er jeg nå og hva vet jeg om stedet.

En måte å si dette på er at vi opplever på lav frekvens og husker på høy frekvens. Når vi anstrenger oss om å huske noe kan forskerne måle stor aktivitet på den høye frekvensen.





Svitsj

Når en cellegruppe svinger med en frekvens kan den snakke med mange andre på samme frekvens. Men den kan ikke snakke med alle samtidig.

Selv om de norske forskerne har funnet denne mekanismen på et lite område i hjernen tror de at det er det samme prinsippet for kommunikasjon mellom ulike områder som gjelder over alt i hjernen.

Slike følger sørger for at det oppstår kontakt mellom de områdene i hjernen som trenger å snakke sammen. På den måten kan relevant informasjon velges ut fra den gigantiske mengden som er lagret i hukommelsen og settes sammen på en ny måte.

Det utrolige er at all denne informasjonsutvekslingen og sammensettingen skjer helt automatisk.

Forståelse

Den nye kunnskapen er viktig for å forstå hvordan hjernen arbeider, og håpet er at det med tiden kan lede til en kur for sykdommer som rammer hjernen. Det kan se ut som schizofreni har noe med denne mekanismen å gjøre.

Gammabølger er mindre samkjørte mellom hjerneområder i pasienter med schizofreni enn hos normale mennesker. Dette kan kanskje forklare hvorfor de ofte har vanskeligheter med å skille mellom sanseinntrykk og gamle inntrykk som kommer fra hukommelsen.

Hjernens kommunikasjonssystem har på en måte hengt seg opp mellom to stasjoner.

Kilde. Leder ved Kavli Institute for Systems Neuroscience, Edvard Moser.