Forskere advarer: To hjerneområder fungerer som biologisk timeglas

Den usynlige timing-maskine i hovedet viser sig at være langt mere organiseret end antaget. Ny forskning afslører, hvordan to hjerneområder sammen “vejer” tiden og dermed styrer, hvornår en bevægelse starter, pauser eller genoptages.

Sådan styrer et timeglas i dit hoved dine bevægelser

Forskere fra Max Planck Florida Institute har hos mus afdækket, hvordan motorisk cortex og striatum samarbejder som et slags timeglas. Deres undersøgelse, offentliggjort i Nature, viser hvordan hjernen selv kan holde styr på tiden for at få bevægelser til at ske præcis på det rigtige tidspunkt.

Vi har ingen særlig sans for tid som vi har for lys eller duft. Alligevel kan du uden ur tælle et sekund, stille et spørgsmål på det rette øjeblik eller træde på bremsen. Det kræver et internt system, der kan vurdere varighed og tilpasse bevægelse derefter.

Forskerne demonstrerer, at motorisk cortex udgør timeglassets “øvre kammer”, mens striatum er “underkammeret”, hvor tiden så at sige indsamles.

Netop disse to områder bliver påvirket ved sygdomme som Parkinson og Huntingtons sygdom. Patienter får da svært ved at starte, stoppe eller udføre bevægelser flydende. Det gør denne forskning direkte relevant for sundhedsvæsenet, også i Danmark, hvor antallet af mennesker med bevægelsesforstyrrelser stiger på grund af en aldrende befolkning.

Mus, belønning og et internt stopur

At vente et sekund på en vanddråbe

For at undersøge det interne “urværk” trænede forskerne mus til at vente på en belønning. Dyrene fik vand, hvis de først slikkede på en drikketud efter cirka ét sekund. Slikkede de for tidligt, gik belønningen glip.

Mens musene ventede, målte forskerne aktiviteten fra tusindvis af neuroner i både motorisk cortex og striatum. I disse hjernesignaler ledte de efter mønstre, der kunne indeholde information om tid.

• Musen lærer: vent ≈ 1 sekund.
• Motorisk cortex sender en strøm af signaler.
• Striatum “stabler” disse signaler op.
• Når en tærskel er nået, starter slikke-bevægelsen.

Optogenetik: at sætte tiden i stå med lys

For ikke blot at måle, men også at styre, anvendte forskerne optogenetik. Med korte lysglimt slukker de midlertidigt neuroner i et af de to hjerneområder. Sådan kunne de teste, hvad der skete med den interne tidsmåling, når én del af timeglasset forsvandt.

Ved målrettet at “dæmpe” dele af hjernen kunne forskerne pause det interne tidssignal eller endda spole det tilbage.

Den kombination – præcise målinger og målrettede indgreb – gør det muligt at skelne mellem årsag og virkning. Undersøgelsen går altså videre end simpel observation af hjerneaktivitet; den afslører hvilken rolle hvert område spiller i timingen af adfærd.

Motorisk cortex og striatum: to halvdele af samme timeglas

Motorisk cortex som øverste kammer

Motorisk cortex, det hjerneområde der planlægger og styrer bevægelse, opfører sig i denne undersøgelse som den øverste halvdel af et timeglas. Det genererer en støt strøm af nervesignaler mod striatum.

Når forskerne kortvarigt deaktiverede denne cortex, standsede strømmen øjeblikkeligt. “Sandkornene” – tidsinformationen – faldt ikke længere nedad. Resultatet: aktiviteten i striatum byggede sig ikke videre op, og musen begyndte at slikke senere end normalt.

Det midlertidige stop af motorisk cortex virkede, som om nogen med to fingre klemmede halsen på et timeglas sammen: tidens gang blev følelsesmæssigt sat i stå.

Striatum som underkammer der summerer tiden

I striatum – et dybtliggende hjerneområde, der spiller en nøglerolle i start og stop af bevægelse – samles signalerne fra motorisk cortex. Der stables de op i løbet af det sekund, musen skal vente.

Så snart aktiviteten i striatum når en bestemt tærskel, sættes slikke-bevægelsen i gang. Det ligner sand, der skal stige til et bestemt niveau, før noget sker, eksempelvis aktivering af en mekanisme.

Da forskerne derimod midlertidigt dæmpede striatum, skete der noget påfaldende: den interne timer lignede én, der blev “nulstillet”. Timingen af slikningerne forskød sig endnu kraftigere, som om musen var begyndt at tælle ned forfra. I timeglas-metaforen: nogen vender hele timeglasset om, processen starter forfra igen.

Hvad dette betyder for sygdomme som Parkinson og Huntington

Parkinson og Huntingtons sygdom forstyrrer begge interaktionen mellem motorisk cortex og striatum. Patienter kan da ikke skifte godt mellem hvile og aktivitet. Bevægelser starter langsomt, stopper for sent eller forløber rykvise.

De nye fund giver et mere konkret billede af, hvad der går galt: “timeglas-mekanismen” bliver destabiliseret. Signaler fra motorisk cortex når ikke striatum på den rigtige måde, eller striatum tæller ikke signalerne korrekt sammen.

Hvis læger og ingeniører bedre forstår, hvordan hjernen koder tid, kan fremtidige terapier ikke kun genoprette kraft eller muskelspænding, men også timingen af bevægelse.

Tænk eksempelvis på målrettet dyb hjernestimulation eller intelligente neuroproteser, der kompenserer for det forstyrrede tidssignal. For genoptræning kan dette føre til træning, der udtrykkeligt fokuserer på rytme, ventetid og at igangsætte bevægelse på det rette tidspunkt, frem for kun muskelstyrke.

Hvad betyder dette for raske mennesker i hverdagen?

Tidsopfattelse sidder i din bevægelse, ikke kun i dit ur

Undersøgelsen understreger, at tidsopfattelse ikke er løsrevet fra vores krop. Når du griber en bold, spiller i et orkester eller krydser en travl cykelsti, arbejder motorisk cortex og striatum sammen om at “veje” millisekunder.

Det forklarer også, hvorfor rytme-øvelser og musikundervisning påvirker motoriske færdigheder. Du træner da indirekte dit interne timeglas: de hjernekredsløb, der koder varighed, finjusteres.

Hvad du selv kan gøre for at holde dit “timeglas” skarpt

For dem, der vil finpudse deres motorik og tidsopfattelse, peger neuroforskere længe på aktiviteter, hvor timing er central. Baseret på denne type forskning kan følgende former for træning forsvares:

• Lave musik: trommespil, klaver eller guitar styrker rytmefornemmelse og motorisk styring.
• Boldsport: volleyball, tennis eller fodbold tvinger dig til at starte bevægelse på det rette tidspunkt.
• Rytmetræning: at løbe eller cykle til en metronom hjælper hjernen med at lære faste tidsintervaller.
• Dans: kombinerer komplekse bevægelser med stram timing til musik.

Forskere bruger sådanne opgaver også i laboratoriet til at opdage subtile problemer i tidsopfattelse, for eksempel ved begyndende neurologiske sygdomme eller efter hjernerystelse.

Næste skridt i forskningen i vores interne urværk

Timeglas-modellen fokuserer på korte intervaller omkring ét sekund. Et åbent spørgsmål er, om hjernen behandler længere perioder – minutter eller timer – efter et tilsvarende princip, eller om der findes helt andre systemer til det.

Derudover vil forskere vide, hvor fleksibelt dette timeglas er. Tilpasser hjernen sig lige så let, hvis du skal vente to sekunder i stedet for ét? Og ændrer timeglassets form sig med alderen, eller ved langvarig stress og søvnmangel?

For kliniske anvendelser ligger der stadig en årrække forude, men princippet er blevet tydeligere: hvem der vil tackle timing-problemer ved bevægelse, skal se på samarbejdet mellem motorisk cortex og striatum. Ikke kun på muskel eller led, men på det interne timeglas, der bestemmer, hvornår det første sandkorn falder, og hvornår det sidste korn sætter bevægelsen i gang.