Forskere advarer: To hjerneområder danner timeglas – hele landet påvirkes

At føre en samtale, slå en bold, bremse til tiden ved lyskrydset: bag alle disse hverdagshandlinger gemmer sig en skjult mekanisme.

Ny forskning fra USA afslører nu, hvordan vores hjerne internt håndterer tid, og hvorfor dette system viser sig så sårbart, når bevægelse bliver vanskelig. Det viser sig: to afgørende hjerneområder ser ud til at samarbejde som en slags biologisk timeglas.

Et indre urværk der styrer alting

Forskere fra Max Planck Florida Institute (MPFI) har vist hos mus, hvordan den motoriske cortex og striatum sammen regulerer tidspunktet for bevægelser. Disse to områder fungerer som et fleksibelt indre urværk, der konstant justerer, når vi skal bevæge os senere, tidligere eller præcis til tiden.

Resultaterne blev publiceret i tidsskriftet Nature og tiltrækker stor opmærksomhed, fordi de direkte berører neurologiske lidelser som Parkinsons sygdom og Huntingtons sygdom. Ved disse lidelser bliver netop disse to områder – motorisk cortex og striatum – alvorligt forstyrret.

Hjernen råder over en justerbar timer, der bestemmer, hvornår en bevægelse starter, bremser eller accelererer.

Ifølge hovedforskerne handler det hele om den måde, hjernen “måler” tid på, uden at vi har en speciel sans til det. Vi har ingen tidsreceptor som nethinden eller lugtepithelet. Alligevel kan vi vurdere intervaller, følge rytmer og afstemme vores bevægelser på brøkdele af sekunder.

Hvordan to områder samarbejder som et timeglas

Motorisk cortex som timeglassets øverste del

For bedre at forstå det indre urværk trænede forskerne mus i en simpel, men præcis opgave. Dyrene fik en belønning, hvis de slikkede på en dispenser efter en specifik tidsperiode, for eksempel ét sekund efter et signal. Under denne opgave blev tusindvis af neuroner målt samtidig i både den motoriske cortex og striatum.

Deraf fremkom et klart billede. Den motoriske cortex fungerer som den øverste halvdel af et timeglas. Dette område sender en strøm af neurale signaler til striatum, sammenligneligt med sandkorn, der falder gennem timeglassets smalle hals.

Striatum fungerer derefter som bunden: her “ophobes” de indkommende signaler som sand på bunden. Når en bestemt tærskel nås, udløser systemet bevægelsen: i dette eksperiment slikningen for en belønning, hos mennesker for eksempel en koordineret armbevægelse eller det første skridt ved overgangen.

Motorisk cortex sender tidsinformationen, striatum tæller op, indtil en grænse er nået, og så følger handlingen.

Stilhed som test af hjernens urværk

Forskerne brugte optogenetik, en teknik hvor lys midlertidigt kan slukke for bestemte neuroner. Det gav mulighed for at “sabotere” hver del af systemet separat og se, hvad der skete med tidsopfattelsen.

• Når den motoriske cortex kort blev lukket ned, stoppede strømmen af signaler mod striatum.
• Når striatum selv blev lukket ned, blev den “summerede” tid så at sige nulstillet.

I almindeligt sprog: hvis du klemmer sammen øverst på timeglasset, falder der ikke mere sand ned. Bunden fylder ikke mere op, og tidsforløbet stopper. Lader du derimod bunden tømme og vende om, begynder optællingen forfra.

Disse manipulationer havde målbare konsekvenser for musenes adfærd. Ved afbrydelse af den motoriske cortex begyndte slikningen senere, som om uret var blevet sat på pause. Ved indgreb i striatum skubbedes slikketidspunktet endnu længere ud, som om tiden blev spolet tilbage, og intervallet skulle opbygges igen.

Hvorfor dette angår alle

Parkinson, Huntington og langsomme bevægelser

De samme hjerneområder, der står centralt i dette eksperiment, spiller en stor rolle ved bevægelsesforstyrrelser. Hos Parkinson-patienter bliver netværket mellem cortex og striatum forstyrret, blandt andet på grund af tabet af dopaminproducerende neuroner. Bevægelsesstart bliver da vanskelig, bevægelser bliver langsomme og hakkende, og timing af skridt eller håndbevægelser kommer ud af balance.

Ved Huntingtons sygdom fører skade på striatum netop til ufrivillige, uregelmæssige bevægelser og tab af kontrol over timing. De nye resultater giver en konkret mekanisk model: hvis hjernens timeglas går i stykker, bliver hele bevægelsesskemaet ude af kontrol.

Forstyrres timeglasmekanismen, opstår der ikke kun rystelser eller stivhed, men også problemer med det præcise “hvornår” ved hver bevægelse.

For lande med en aldrende befolkning betyder dette en voksende gruppe mennesker, der får problemer af denne type. Studiet berører derfor ikke kun laboratoriets verden, men indirekte hele samfundet, fra sundhedsbudgetter til pårørende og genoptræningscentre.

Mulige anvendelser på længere sigt

Forskerne håber, at viden om denne timeglasmekanisme kan muliggøre nye behandlingsformer. Tænk for eksempel på:

• Neurostimulering, der specifikt genopretter timingen mellem cortex og striatum.
• Medicin, der ikke kun påvirker muskelstivhed, men også hjernens indre tidsindstilling.
• Genoptræning, der i højere grad fokuserer på rytme, intervaller og timing af bevægelser.

For eksisterende teknikker som dyb hjernestimulering ved Parkinson kunne sådan en model hjælpe med at afstemme stimuleringsmønstre bedre efter de underliggende timingfejl i netværket.

Hvad der gør denne forskning anderledes

Tidligere studier pegede allerede på disse områder som nøglespillere ved timing, men den kombinerede brug af storstillet neuronregistrering og optogenetisk manipulation leverer nu en detaljeret rollefordeling. Timeglas-metaforen hjælper med at forstå det hurtigt, også uden for neurovidenskaben.

Hvad dette kan betyde i dagligdagen

Tidsfornemmelse og præstation

Topsportsfolk, musikere og kirurger er afhængige af ekstremt præcis timing. En brøkdel af et sekund for tidligt eller for sent kan gøre forskellen mellem succes og fiasko. Den undersøgte mekanisme viser, at sådanne toppræstationer afhænger af et smidigt samspil mellem cortex og striatum.

Også ved almindelige opgaver spiller dette system med: at bremse til tiden, gribe et barn der er ved at falde, tale og gestikulere samtidig under en præsentation. Når timeglasmekanismen subtilt forstyrres, oplever folk det sommetider først som “klodsetheden”, vanskeligheder med multitasking eller problemer med at holde takten.

Træningsbarhed og praktiske håndtag

Forskning i timing i hjernen peger i stigende grad på, at dette system forbliver træningsbart. Aktiviteter, der stærkt baserer sig på rytme og intervaller, ser ud til at stimulere netværket mellem motorisk cortex og striatum. Eksempler er:

• musikudøvelse eller rytmeøvelser;
• dans eller tai chi, med vægt på flydende, timede bevægelser;
• sport med fast timing, som bordtennis, tennis eller basketball;
• løbetræning til metronom eller musik med fast beat.

For mennesker med en begyndende bevægelsesforstyrrelse kan en sådan tilgang være supplerende til medicinsk behandling. Genoptræningsteams bruger allerede timing- og rytmetræning, men timeglas-indsigten giver et ekstra argument for at forankre det strukturelt i programmer.

Den, der er rask, kan med denne type aktiviteter muligvis opbygge noget “reserve” i det netværk, der regulerer timing. Det forebygger ikke sygdom, men kan hjælpe med at forblive selvstændig længere, hvis systemet kommer under pres af aldring eller neurologisk skade.

Studiet omkring hjernens timeglas handler altså ikke kun om neuroner i en musehjerne, men berører et kernespørgsmål: hvordan holder vi vores bevægelseshjerne i form i et samfund, hvor flere og flere bliver gamle, og hvor lidelser som Parkinson forventes at stige.