Hjärnans karta ledde priset till Norge

Råttan Finn är galen i Weetos choco, sockerknastriga frukostflingor med chokladsmak. Han springer av och an i en stor fyrkantig bur och nafsar åt sig utspridda flingsmulor. Samtidigt mäter en elektrod aktiviteten hos en mycket speciell typ av celler i hans hjärna. När Finn passerar bestämda punkter i buren sprakar en högtalare: brrrrrrrrip!

– Kom och titta! Jag har ett superfint mönster här, säger May-Britt Moser, hjärnforskare på Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet i Trondheim.

På en datorskärm syns ett mönster av prickar utspridda som hålen i kinaschack. Varje prick på skärmen motsvarar en plats i buren där en av Finns hjärnceller sprakar till.

Dessa så kallade gitterceller fungerar som ett koordinatsystem i hjärnan med latitud och longitud. Samma slags celler finns även hos människan. Utan dem skulle vi vara vilse hela tiden.

Vi befinner oss i Trondheim på den norska västkusten. Ett femvåningshus i brunt tegel nära Sankt Olavs sjukhus rymmer Kavli institute for systems neuroscience. Personalstyrkan, som i dag består av nästan hundra personer, började med bara två: May-Britt och Edvard Moser. De har varit ett vetenskapligt radarpar i trettio år, två år längre än de varit gifta.

– Vetenskapen är en passion för oss. Vi pratar om nya data och idéer till frukost och när vi går på tur på fjället. Men vi har två döttrar som korrigerar oss ibland, så att det inte bara blir vetenskap, säger May-Britt Moser.

Hon växte upp som lantbrukardotter på en ö i Sunnmøre utanför kusten längre söderut. Edvard Moser kommer från en grannö. Båda talar sunnmørsdialekt, som ligger mycket nära nynorska. Ingen av dem har akademiska traditioner i släkten.

– Pappa var orgelbyggare. Men redan som barn var jag intresserad av dinosaurier och all slags vetenskap, säger Edvard Moser.

Edvard och May-Britt läste matte och fysik tillsammans på gymnasiet, men var inte nära vänner då. Efteråt flyttade hon till Oslo för att plugga medan han gjorde lumpen. När Edvard kom till Oslo hade han tänkt sig att studera elementarpartikelfysik, biokemi eller möjligen geologi på grund av sitt stora intresse för vulkaner.

– May-Britt tog med mig på en föreläsning i psykologi och då fastnade jag för det, säger han.

År 1984 förlovade de sig på toppen av det vulkaniska berget Kilimanjaro i Tanzania. Sedan dess har de bestigit otaliga vulkaner runt om i världen.

Redan från början var deras vetenskapliga mål att förstå hur det mentala livet hänger samman med vad som sker i hjärnan. Den frågan har intresserat filosofer i hundratals år.

Den tyske filosofen Immanuel Kant hävdade på 1700-talet att människan har vissa medfödda mentala förmågor som vi behöver för att tolka världen, och dit hörde bland annat rumsuppfattningen. Men han hade inget experimentellt stöd för sin tes.

Länge var det svårt att hantera något så abstrakt som inre kartor i laboratorieförsök. Under början av förra seklet gjorde forskare mängder av experiment med råttor som skulle lära sig hitta rätt i labyrinter. En vanlig tolkning var att råttorna helt enkelt provar sig fram tills de lyckas, vilket låg i linje med behaviorismens syn på beteende.

Den amerikanske psykologen Edward Tolman – som också testade råttor i labyrinter – argumenterade i en vetenskaplig uppsats år 1948 för att djur och människor fäster sina erfarenheter på en inre karta. Problemet var bara att han inte hade en susning om hur hjärnan konstruerar denna karta.

Ny teknik bidrog till lösningen. I slutet av 1960-talet kopplade den brittisk-amerikanske hjärnforskaren John O’Keefe elektroder till enstaka hjärnceller hos en råtta som fick röra sig fritt i en stor bur. Resultaten var förbluffande. Olika celler i hippocampus, ett område innanför vardera tinningloben, fyrade av signaler enbart när råttan befann sig på en viss plats.

Varje så kallad platscell signalerade bara på en enda given plats, rapporterade John O’Keefe och hans medarbetare år 1971. För den upptäckten delar han årets medicinpris med makarna Moser.

– John O’Keefe är en otroligt viktig mentor för oss, säger May-Britt Moser.

Under några månader sommaren 1996 var de gästforskare i hans laboratorium i London. Där fick de lära sig nya tekniker, liksom också vikten av att betrakta försöksdjur som individer för att förstå vad de gör.

Under tiden i London fick May-Britt och Edvard Moser oväntat ett jobberbjudande från Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet i Trondheim. Det var ett svårt val. Trondheim var en avkrok i neurovetenskapens värld.

– Men erbjudandet om två jobb på samma ställe och inom samma forskningsområde var för bra för att avstå från, säger Edvard Moser.

Med två barn i dagisåldern började de bygga upp ett laboratorium från grunden, bokstavligt talat. De gjorde sina första experiment med råttor i ett underjordiskt skyddsrum.

De ville ta reda på hur de platsceller som John O’Keefe upptäckt samverkar med andra delar av hjärnan. Makarna Moser kom fram till att platscellerna i hippocampus är nära länkade till ett angränsande område som heter entorhinala barken.

Det är tekniskt svårt att koppla elektroder till enskilda celler i entorhinala barken. Men Mosers lyckades – och gjorde ett genombrott.

– Det var inte ett enda heureka-ögonblick, det var flera, säger May-Britt Moser.

Hon och Edvard insåg snabbt att de hittat rumsligt inriktade celler i en ny del av hjärnan. Det var spännande. Så småningom gjorde de om sina försök med en mycket större bur. Det var då de hittade gittercellernas mönster – kinaschacket som matematiskt motsvarar en yta av sammanfogade sexhörningar.

– Jag såg det för första gången en lördag morgon, säger May-Britt Moser, och det kändes wow, det här är vackert!

Naturen gillar sexhörningar. De finns i bikupor, snöflingor, sköldpaddsskal, fasettögon och många andra strukturer. Hjärnans gitterceller upprepar samma tema. Gitterceller hanterar information från syn, hörsel, doft och övriga sinnen som redan bearbetats i många led. I slutänden organiserar hjärnan alltså summan av alla rumsliga intryck från yttervärlden enligt en enkel matematisk princip: ett nät av sexhörningar.

Varje gittercell reagerar på många punkter enligt sitt givna mönster. För olika celler varierar avstånden mellan punkterna från några centimeter till flera meter. Samtliga sexkantsmönster löper i samma riktning. Tillsammans alstrar de en inre modell av landskapet som används i alla miljöer.

John O’Keefes platsceller, däremot, reagerar bara på en plats var, till exempel mitt i ett rum eller vid en dörr. På så vis fångar de ett slags fingeravtryck av en specifik plats.

Platscellernas aktivitet ändras om något förändras i rummet, till exempel att väggarna byter färg. Gittercellerna påverkas inte alls av sådant. Platsceller och gitterceller bidrar till olika aspekter av våra mentala kartor. Det gör även celler som reagerar på gränser, till exempel en vägg, och celler som är aktiva när huvudet är riktat åt ett visst håll.

När en nyfödd råtta öppnar ögonen efter ett par veckor, är både platsceller och gränsceller fullt funktionsdugliga. Gittercellerna kommer i gång något senare. Men det råder inget tvivel om att råttor föds rustade för rumslig förmåga. Allt talar för att samma sak gäller oss.

– Jag tror att Immanuel Kant skulle ha gillat den här forskningen, säger Edvard Moser.

Den visar att rumsuppfattningen som vi behöver för att tolka världen är inbyggd i hjärnan.

Årets medicinpris är även relevant för frågan om hur minnet fungerar. Ett tidigt symtom på Alzheimers sjukdom är känslan av att lokalsinnet börjar svikta, och det första området i hjärnan som drabbas av sjukdomen är den entorhinala barken, där gittercellerna sitter.

Men det går att träna upp lokalsinnet. Taxiförare i London måste lära sig stadens gator utantill. Undersökningar med magnetkamera visar att hippocampus – de strukturer i hjärnan som innehåller platsceller – växer under utbildningen.

– Man kan också använda lokalsinnet för att komma ihåg långa listor av saker, säger May-Britt Moser.

Det visste redan de gamla grekerna. Stora talare använde en minnesteknik som går ut på att mentalt placera föremål som motsvarar delar av talet i olika rum i en känd byggnad. Talaren kunde sedan återkalla sina minnen genom att tänka sig en vandring genom rummen.

I en korridor på fjärde våningen av Kavli-institutet har May-Britt sitt lilla tjänsterum. Nedtill på hennes datorskärm sitter ett sjok av gula kom-ihåg-lappar. Skrivbordet är täckt av vetenskapliga tidskrifter, och en halväten chokladkaka avslöjar att hon har samma smak för sötsaker som råttan Finn.­ I änden av samma korridor ligger Edvards rum. Här är skrivbordet renstädat, alla papper och tidningar sorterade i tidskriftssamlare.

– Det är det som är fint med oss två, att vi är så olika, säger May-Britt Moser.

Hon är engagerad i alla experiment som pågår i huset, och beskriver sig själv som en lagbyggare. Edvard är mer av en teoretiker och har koll på ekonomin. Dessutom har han extremt bra lokalsinne.

– Jag måste skärpa mig för att hitta rätt, säger May-Britt.

Det finns studier som visar att män har ett visst övertag när det gäller att hitta i en labyrint, eller bland träd som alla ser lika ut. Kvinnor är i genomsnitt mer beroende av landmärken att navigera efter.

Men det går inte att hitta några tydliga könsskillnader i cellerna som är kända för att ingå i lokal­sinnet, åtminstone inte hos råttor. Det ­visade en kvinnlig gästforskare från Storbritannien som arbetade i Trondheim för några år sedan.

Institutet i Trondheim drar till sig hjärnforskare från hela världen. Svensken Martin Hägglund, elektrofysiolog vid Karolinska institutet, är här sedan drygt ett år. Han kartlägger hur formen på råttornas bur påverkar orientering och geometri hos de mönster som gittercellerna alstrar. I praktiken har han två chefer, ”Mosrarna” som de kallas av personalen.

– Vem av dem man går till beror på vad det handlar om. Men de pratar ju med varandra, så det är inga problem, säger han.

Mosrarna och deras medarbetare har en lång rad nya experiment på gång. I ett rum på djuravdelningen finns en anläggning för virtuell verklighet anpassad till möss. En mus navigerar genom att springa åt valfritt håll på en lättrörlig frigolitboll. Samtidigt ser den en datoranimerad värld på en bildskärm som täcker hela synfältet. Metoden ger bättre möjligheter att studera musens hjärna, eftersom den i verkligheten inte rör sig ur fläcken.

I ett annat rum finns en råttbur i form av en perfekt sfär med en diameter på en dryg meter. Där inne ska nyfödda råttor få växa upp och vänja sig vid en värld helt utan kanter och hörn. Hur kommer deras gitterceller att avbilda landskapet? Ännu finns inga resultat. En möjlighet är att det normala mönstret av sexkanter byts mot femkanter, som är bättre lämpade att följa en sfär – alltså samma mönster som på en vanlig fotboll.

Forskarna här studerar bara råttor och möss. Andra har nyligen mätt aktiviteten i gitterceller hos människor i samband med kirurgiska ingrepp för att bota svår epilepsi. Det finns också studier av apor och fladdermöss. Fladdermössen är intressanta eftersom de rör sig mer i höjdled än de flesta andra däggdjur.

– Jag har sett preliminära data, och deras gitterceller ser faktiskt ut att fungera i tre dimensioner, säger Edvard Moser.

Hur motsvarande navigeringssystem ser ut hos fåglar är okänt. Deras hjärna skiljer sig markant från däggdjurens.

Vi och andra djur som för det mesta vandrar på jorden klarar oss långt med våra tvådimensionella kartor. Dessa organiserar alla sinnesintryck, inte bara synen. Platsceller och gitterceller hos en råtta kan kartlägga en miljö även i totalt mörker.

Ytterst bygger vår känsla för riktningar i rummet på att celler djupt inne i hjärnan låter oss tolka världen genom ett mönster som liknar strukturen hos en kristall.

– Det är mycket vackert, säger Ole Kiehn, elektrofysiolog och ledamot av Nobelkommittén för fysiologi eller medicin vid Karolinska institutet.

Nobelpriset i medicin 2014

May-Britt Moser, Edvard I. Moser & John O’Keefe.
Motivering: För deras upptäckter av celler som utgör ett positionerings­-system i hjärnan.