Forskning fra Johns Hopkins University har givet ny indsigt i, hvordan hjernens såkaldte placeringceller navigerer gennem både eksterne og interne cues ved hjælp af multiplexede theta-bølger. Placeringcellerne er specialiserede neuroner i hippocampus, der aktiveres, når dyr befinder sig på bestemte steder. Disse celler fyrer ikke tilfældigt, men deres aktivitet er organiseret efter theta-oscillationer, som hos rotter betyder, at de fyrer i takt med rytmiske hjernebølger mellem 7-9 Hz.
Tidligere undersøgelser har beskæftiget sig med rollen og fyringsmønstrene af placeringceller, men i hvilken grad deres aktivitet påvirkes af forskellige typer rumlige cues, har ikke været fuldt opklaret. Rumlige cues er oplysninger, der hjælper dyr og mennesker med at afgøre, hvor de er, og hvor de skal hen for at nå en ønsket destination. Den aktuelle forskning viser, at multiplexede theta-fasekodninger af placeringceller, altså deres evne til at håndtere forskellige opgaver i samme ‘bølge’ af theta-ritmen, kontrolleres af både eksterne (allotetiske) og egenbevægelserelaterede (idiotetiske) rumlige cues.
I deres artikel offentliggjort i Nature Neuroscience understreger forskerne, hvordan disse neuroner bidrager til at skabe mentale kort, som er nødvendige for dagligdags opgaver som at navigere i ens hjem eller huske, hvor bilen er parkeret. Ifølge James Knierim, seniorforfatter på artiklen, er placeringcellerne i hippocampus afgørende for at indstille denne kognitive kortlægning ved at være selektivt aktive i specifikke lokationer i et miljø.
Forskerne brugte et virtual reality-system kaldet Dome, der gør det muligt for rotter at opleve et virtualt miljø, mens de interagerede med det. Gennem dette system kunne de manipulere bevægelsen af visuelle landemærker i forhold til rotternes bevægelser, hvilket gav dyrene en illusion af at bevæge sig hurtigere eller langsommere, end de faktisk gjorde i den fysiske verden.
I løbet af eksperimentet registrerede forskerne den elektriske aktivitet i placeringcellerne og fulgte theta-hjernebølgeoscillationerne i hippocampus. Resultaterne indikerede, at de to komponenter af theta-fasekodningen – fasepræcession og fasebehandling – blev styret forskelligt af landemærker og egenbevægelser. Fasepræcession, som forudsiger dyrets fremtidige positioner, var konstant til stede, uanset om dyrets bevægelser i den virtuelle verden svarede til bevægelserne i den fysiske verden. Omvendt forsvandt fasebehandlingen, når de virtuelle bevægelser ikke matchede de fysiske bevægelser, hvilket krævede, at rotten opdaterede sin beregning af, hvor langt den bevægede sig.
Denne forskning bygger videre på teorier fra tidligere forskning, som foreslår, at hippocampus skifter mellem at forudsige kommande lokationer og at lagre nye rumlige oplysninger. Resultaterne afslører nye dimensioner af navigationskredsløbet i hjernen og kan have betydning for udviklingen af robotteknologi og kunstige intelligenssystemer.
Forskerne håber også at bruge deres fund til at give indsigt i, hvordan mekanismerne bag rumlig hukommelse, som de observerer i rotter, kan anvendes til at forstå hukommelsestab i mennesker, især hos patienter i de tidlige stadier af Alzheimers sygdom.