Om at lære nyt under vanskelige forhold.

ilaw@pet.rh.dk

Bragt i Forum, Udgivet af Landsforeningen til Bekæmpelse af Hjernesygdomme, Årg. 3, 2000

De fleste af os har oplevet, hvor klodsede fingre kan være under de indledende skrivemaskineøvelser, eller besværet med at huske rækkefølgen af ankel- og armbevægelser under gearskift ved de første køretimer. Vi har også, hvis vi da ikke opgav projektet, oplevet den gradvist øgede lethed, hvormed disse for så besværede handlinger kan udføres efter lang tids træning, endog til et punkt, hvor vi kan frigøre kapacitet til at udføre flere handlinger simultant (uden at kigge): kørsel, tale i mobil telefon og rygning, eller hvor vi måske føler os så intimt bundet til genstanden (musikinstrumentet, skrivemaskinen) og dens manipulation, at den opfattes som en forlængelse af vores egen krop. En anden, nogen gange tilknyttet funktion, er evnen til at flytte, bytte eller reorientere rumopfattelse. Under udarbejdelse af dette manuskript anvender jeg en computermus, der bevæges i bordets plan for at opnå en effekt på en skærm, der er vinkelret placeret i forhold til bevægelsen. Altså en flytning (transformation) mellem det horisontale bevægelsesplan og det vertikale synsplan.

I den undersøgelse jeg vil beskrive, har vi undersøgt hjerneaktivitetens udvikling over 2 timer med positron emissions tomografi (PET-skanning), mens raske forsøgspersoner udfører en klassisk spejltegning og hvor andre psykologiske komponenter indgår. Spejltegning er en klassisk opgave i psykologien, fordi det var den opgave psykologen Brenda Milner anvendte i 50'erne til at undersøge patienten H.M.. Imidlertid var H.M. så uheldig at have fået fjernet begge hippocampus områder i storhjernens tindingelapperne Hippocampus et område af hjernebarken, der har form som en søhest). Uden disse dele af hjernen kan man ikke lagre nye oplevelser. Efter mange forgæves forsøg med et utal af hukommelsesopgaver forsøgte Milner sig med spejltegning, hvis udførelse H.M. kunne lære at udføre, selvom han ikke kunne huske, at han nogensinde havde udført opgaven tidligere, - endsige huske at han havde mødt Milner før i sit liv. Milners forsøg viste, at hippocampus-regionerne ikke er essentielle for alle former for indlæring. Spejltegning rubriceres normalt under den såkaldte "procedurale" hukommelse eller færdighedsindlæring. I vores udformning af opgaven ser forsøgspersonerne på en computerskærm, hvorpå der er aftegnet en hvid bred stjerneformet labyrint. Med en speciel mus skal de med venstre hånd pegefinger flytte en rød prik på skærmen indenfor stjernelabyrinten så hurtigt og så nøjagtigt som muligt mod uret uden at gå ud over kanten. Efter tre forsøg, hvor personerne samtidig PET-skannes, vender vi verden på hovedet for personen og spejler bevægelsen på den måde, at en fremadrettet musebevægelse fører til at prikken på skærmen bevæger sig nedad på skærmen, altså modsat af det, man lige har lært. Dette er selvsagt meget vanskeligt i starten, men efter 8 skanninger (ca. 80 min.) udføres opgaven med en nøjagtighed, der stort set svarer til niveauet før vi lod spejlingen indtræde (Figur I & 2). Men hvilke dele af hjernen er involverede i, at man kan indlære spejlbevægelsen, og sker der nogen ændringer under indlæringsperioden?

Figur I. Den gennemsnitlige tegnehastighed (A), målt som antallet af stjerner, der tegnes og den gennemsnitlige tegne-nøjagtighed (B), målt som den tid der bruges udenfor labyrinten, over forløbet af de II PET skanninger Spejltegning begynder efter PET skanning nr. 3.

Med PET kan man samle ikke ubetydelige datamængder på meget kort tid. Når vi er færdige med den indledende databehandling, har en enkelt skive fra en PET skanning ca. 5000 datapunkter.

Hvis dette ganges op med antallet af skiver per skanning (68), antallet af skanninger per forsøgsperson (11) og antallet af forsøgspersoner (10) fås op mod 37.000.000 datapunkter. Størstedelen af disse punkter er irrelevante for opgaven, og opgaven går nu ud på at frasortere de irrelevante punkter og fremstille de hjerneområder, hvis aktivitet

Figur 2. Eksempler på tegnespor under PET skanning hos én forsøgsperson under almindelig tegning (skanning 3) og den første spejltegning (skanning 4).

Figur 3. De forskellige PET skanningers relative betydning i det første hjernenetværk (første principale komponent, A), der i alt forklarer 41 % af den samlede variation. "Trinfunktion" efter første spejltegnings skanning. Det andet hjernenetværk (anden principale komponent, B) forklarer 31 % af den samlede variation og viser en pludselig ændring ved første spejltegning (søjle 4), der gradvist falder tilbage efter ca. I time (søjle 9).

har at gøre med forsøgspersonernes adfærd. Komplicerede data fordrer kompliceret analyse, så vi har anvendt en teknik kaldet Principal Komponent Analyse (PCA). I vores PCA udgave identificerer man uafhængige netværk af hjerneområder, der statistisk er knyttet sammen (korrelerer) over skanninger (tid). Det er en forholdsvis "åben" tilgang til data, der med få bindinger får lov at definere sine egne netværk, og beskrive sit eget tidsforløb uden at undersøgeren griber ind med en hypotese om et bestemt hjerneområdes udvikling med indlæringsprocessen. Vi kan statistisk finde to adskilte hjernenetværk.

Figur 4. Første netværk af aktiverede områder findes i præmotoriske og supplementær motriske områder, samt isselapperne. Venstre et højre i billedet.

Det første (figur 3, A) beskriver en "trinfunktion", der på nær den første spejltegningstilstand (skan 4) adskiller spejltegning fra normal tegning. De områder, der aktiveres under spejltegning med dette forløb sidder i de såkaldt præmotoriske og supplementær motoriske områder i pandelappen, samt bageste øvre isselap (Figur 4). 1 det andet hjernenetværk (figur 3, B) ses en akut stigning præcis i det øjeblik spejlingen sker. Herefter ses

Figur 5. Områder i lillehjernen, pande- og isse-lapperne, der aktiveres under den første spejltegningstilstandf or senere at forsvinde med indlæringen.

et gradvist fald med indlæringen til niveauet før spejlingen fandt sted, meget lig fejlkurven figur 1 A. De stigende områder omfatter lillehjernen og midterste pandelap og forreste isselap symmetrisk i begge hjernehalvdele (Figur 5)., mens de faldende områder sidder i synsområderne (Figur 6).

Figur 6. Områder, overvejende i synsbarken, hvis aktivering nedsættes under den første spejltegningstilstand for igen at øges med indlæringen.

Normalt vil handlinger, hvor syn og bevægelse indgår være afhængig af en tæt integration mellem synsindtryk og informationer fra sanseapparatet i led og muskler (proprioceptionen), der fortæller os, hvor afslappede eller spændte vores led og muskler er. Sædvanligvis vil disse sansemodaliteter arbejde sammen. Det centrale element i spejltegning er netop at ophæve dette samarbejde, d.v.s. skabe en konflikt mellem den bevægelse som man ser at man udfører (f.eks. tilbage/ ned) og den bevægelser man føler at man udfører (frem/op). Interessant nok findes der patienter, der ikke kan føle deres bevægelse efter betændelse af buerødderne i rygmarven. Hos disse patienter findes ingen problemer med at spejltegne, da konflikten mellem syn og følelse jo er ophævet. De områder, der sidder i pande- og isse- lapperne, og som udviser en faldende tendens under spejltegning, er set i tidligere PET forsøg, specielt hvor der er et krav om formulering af en ny strategi og/eller hvor løsningen på et problem ikke var givet på forhånd (altså "lav noget nyt"- områder, Figur 5). Samtidig finder vi en undertrykkelse i synsområderne, måske en drejning væk fra en sansestyret adfærd til en mere kognitivt styret adfærd, hvilket kunne være en måde at undertrykke forstyrrende sanseindtryk (Figur 6). Lillehjernen er kendt for sin integrerende rolle bl.a. af syn og følelse med det formål at korrigere fejl i bevægelsen, som der jo er mange af i starten af spejltegning. Faldet af disse områders aktivitet med træningen kan altså hænge sammen med en gradvis løsning af konflikten med udarbejdelsen af en strategi med en gradvis nedsættelse af bevægelsesfejl og øget afhængighed og anvendelse af synsindtrykket. Det andet mønster ("trinfunktionen", Figur 4) viser områder, der bruges under næsten hele spejltegningsfasen. Fra abeundersøgelser og andre PET undersøgelser ved vi, at de præmotoriske og supplementær motoriske områder i pandelapperne og bageste øvre dele af isselapperne er kraftigt involveret i oversættelsen mellem syn og bevægelse. Man må formode at disse områder skal fortælle vores bevægelsessystem, at en bevægelse nedad i virkeligheden er opad.

Denne undersøgelse beskriver et eksempel på hjernens reorganisation under indlæring af en ny færdighed under rumlig reorientering, og giver et indtryk af den tidshorisont, der er tale om. Vi fandt i hvert fald to systemer, der statistisk kan adskilles som uafhængige, hver med deres udvikling i tid. Det ene system er konstant aktivt i hele indlæringsperioden (fraset den første skanning) og har formentlig at gøre med det rumlige reorienteringsarbejde, der foregår i hele perioden (Figur 4). Forsøgspersonernes normale adfærd sidst i undersøgelsesperioden sker altså ikke omkostningsfrit. Hjernen arbejder stadig på trods af et "normalt" ydre. På sigt er det muligt. at også dette ekstra hjernearbejde forsvinder, men altså ikke over de 1 1/2 time vi undersøgte i. Det andet følger forsøgspersonernes gradvist forbedrede udførelse af opgaven (Figur I og 2) og har formentligt at gøre med udviklingen af nye strategier, undertrykkelse af irrelevante informationer fra synet, og fejlkorrektion (Figur 5 & 6). Efter en time (i vores opsætning) er dette system ikke længere aktivt.

Raichle ME, Fiez JA, Videen TO, MacLeod AM, Pardo JV, Fox PT and Petersen SE. (1994). Practice-related changes in human brain functional anatomy during nonmotor learning. Cereb Cortex. 4: 8-26. Jenkins IH, Brooks DJ, Nixon PD, Frackowiak RS and Passingham RE. (1994). Motor sequence learning: a study with positron emission tomography. JNeurosci. 14: 3775-3790. Jueptner M, Stephan KM, Frith CD, Brooks DJ, Frackowiak RS and Passingham RE. (1997). Anatorny of motor learning. I. Frontal cortex and attention to action. J Neurophysiol. 77: 1313-24. Toni 1, Krams M, Turner R and Passingham RE. (1998). The time course of changes during motor sequence learning: a whole- brain fMRI study. Neuroimage. 8: 50-61.