"خلايا المكان" ، شيء مثل دماغنا GPS

يعد التوجيه والاستكشاف في أماكن جديدة أو غير مألوفة إحدى الكليات المعرفية التي نستخدمها في أغلب الأحيان. نحن نستخدمه لتوجيه أنفسنا في منزلنا ، في منطقتنا ، للذهاب إلى العمل.

كما نعتمد عليه عندما نسافر إلى مدينة جديدة وغير معروفة لنا. نحن نستخدمه حتى أثناء القيادة ، وربما يكون القارئ ضحية لتوجيه غير مبالٍ أو في ذلك الزميل ، الذي سيحكم عليه بالضياع ، وإجباره على قيادة السيارة حتى وجد الطريق مناسب.

إنه ليس خطأ التوجه ، إنه خطأ الحُصين

كل هذه المواقف التي عادة ما تحبطنا كثيرًا وتؤدي بنا إلى اللعنة على توجهاتنا أو توجهات الآخرين بالشتائم والصراخ والسلوكيات المختلفة. نحن سوف، حسنًا ، سأقدم اليوم ضربة فرشاة على آليات التوجيه العصبية الفسيولوجية، في منطقتنا نظام تحديد المواقع الدماغ لفهمنا.

سنبدأ بالتحديد: يجب ألا نلعن التوجه لأن هذا مجرد نتاج لنشاطنا العصبي في مناطق معينة. لذلك ، سنبدأ بشتم قرن آمون.

الحُصين كهيكل دماغ

من الناحية التطورية ، يعد الحصين هيكلًا قديمًا ، وهو جزء من القشرة القوسية ، أي تلك الهياكل الأقدم نسبيًا في جنسنا البشري. من الناحية التشريحية ، فهي جزء من الجهاز الحوفي ، حيث توجد أيضًا هياكل أخرى مثل اللوزة. يعتبر الجهاز الحوفي الركيزة المورفولوجية للذاكرة والعواطف والتعلم والتحفيز.

سيعرف القارئ ، ربما إذا كان معتادًا على علم النفس ، أن الحُصين هو بنية ضرورية لتوطيد الذكريات. إعلاني ، أي مع تلك الذكريات ذات المحتوى العرضي حول تجاربنا أو الدلالي (Nadel and O'Keefe ، 1972).

والدليل على ذلك هو الدراسات الوفيرة الموجودة حول الحالة الشائعة لـ "مريض جلالة الملك" ، وهو مريض تمت إزالة نصفي الكرة المخية. ينتج عنه فقدان ذاكرة تقدمي مدمر ، أي أنه لم يستطع حفظ حقائق جديدة على الرغم من أنه احتفظ بمعظم ذكرياته من قبل عملية. بالنسبة لأولئك الذين يرغبون في الخوض في هذه الحالة ، أوصي بالدراسات التي أجراها Scoville and Millner (1957) الذين درسوا المريض HM بشكل شامل.

زنزانات المكان: ما هي؟

حتى الآن لا نقول أي شيء جديد أو أي شيء يثير الدهشة. ولكن في عام 1971 عندما تم اكتشاف حقيقة بالصدفة أدت إلى بداية دراسة أنظمة الملاحة في الدماغ. O'keefe and John Dostrovski ، باستخدام أقطاب كهربائية داخل الجمجمة ، كانوا قادرين على تسجيل نشاط الخلايا العصبية الحصينية في الفئران. وقد أتاح ذلك إمكانية أن يكون الحيوان مستيقظًا وواعيًا ويتحرك بحرية أثناء إجراء اختبارات سلوك مختلفة.

ما لم يتوقعوا اكتشافه هو أن هناك خلايا عصبية استجابت بشكل انتقائي بناءً على المنطقة التي يوجد فيها الجرذ. لا يعني ذلك وجود خلايا عصبية محددة في كل موضع (لا توجد خلية عصبية لحمامك ، على سبيل المثال) ، ولكن هذا لوحظ في خلايا CA1 (منطقة معينة من الحصين) التي تميز المعالم التي يمكن أن تتكيف مع مختلف المساحات.

تم استدعاء هذه الخلايا خلايا المكان. لذلك ، لا يعني ذلك وجود خلية عصبية مكان لكل مساحة محددة تتردد عليها ، ولكنها بالأحرى نقاط مرجعية تربطك ببيئتك ؛ هذه هي الطريقة التي تتشكل بها أنظمة الملاحة المتمركزة حول الذات. ستشكل الخلايا العصبية في المكان أيضًا أنظمة ملاحة مخصصة تربط عناصر الفضاء ببعضها البعض.

البرمجة الفطرية مقابل الخبرة

حير هذا الاكتشاف العديد من علماء الأعصاب ، الذين رأوا أن الحُصين هو هيكل تعليمي تصريحي والآن رأوا كيف أنه قادر على تشفير المعلومات الفضاء. أدى هذا إلى ظهور فرضية "الخريطة المعرفية" التي من شأنها أن تفترض أن تمثيل بيئتنا سيتم إنشاؤه في الحُصين.

مثله مخ إنه مولد خرائط ممتاز للطرائق الحسية الأخرى مثل تشفير الإشارات المرئية والسمعية والحسية الجسدية ؛ ليس من غير المعقول التفكير في الحُصين على أنه هيكل يولد خرائط بيئتنا ويضمن توجيهنا فيها..

ذهب البحث إلى أبعد من ذلك واختبر هذا النموذج في مواقف متنوعة للغاية. لقد لوحظ ، على سبيل المثال ، أن الخلايا التي تضع في مهام المتاهة تطلق النار عندما يرتكب الحيوان أخطاء أو عندما يكون في وضع حيث تنطلق العصبون بشكل طبيعي (O'keefe and Speakman ، 1987). في المهام التي يجب أن يتحرك فيها الحيوان عبر مساحات مختلفة ، فقد لوحظ أن الخلايا العصبية مكان تشتعل اعتمادًا على المكان الذي يأتي منه الحيوان وإلى أين يتجه (فرانك وآخرون ، 2000).

كيف يتم تشكيل الخرائط المكانية

من بين المجالات الرئيسية التي ركزت عليها اهتمامات البحث في هذا المجال كيفية تشكيل هذه الخرائط المكانية. من ناحية ، يمكننا أن نعتقد أن خلايا المكان تؤسس وظيفتها بناءً على التجربة التي نتلقاها ومتى نستكشف بيئة ، أو قد نعتقد أنها مكون أساسي في دوائر دماغنا ، أي فطري. السؤال ليس واضحًا بعد ويمكننا العثور على دليل تجريبي يدعم كلا الفرضيتين.

من ناحية أخرى ، فإن تجارب موناكو وأبوت (2014) ، التي سجلت نشاط عدد كبير من خلايا الموقع ، قد لأنه عندما يتم وضع حيوان في بيئة جديدة ، يستغرق الأمر عدة دقائق حتى تبدأ هذه الخلايا في إطلاق النار عادي. لهذا السبب، سيتم التعبير عن خرائط الأماكن ، بطريقة ما ، منذ اللحظة التي يدخل فيها الحيوان إلى بيئة جديدة، لكن التجربة ستجعل هذه الخرائط قابلة للتعديل في المستقبل.

لذلك ، يمكننا أن نعتقد أن لدونة الدماغ تلعب دورًا في تكوين الخرائط المكانية. بعد ذلك ، إذا لعبت اللدونة دورًا بالفعل ، فإننا نتوقع أن تصل الفئران إلى مستقبل NMDA للناقل العصبي الغلوتامات - أي الفئران التي لا تعبر عن هذا المستقبل - لم تنشئ خرائط مكانية لأن هذا المستقبل يلعب دورًا أساسيًا في مرونة الدماغ و ال التعلم.

تلعب اللدونة دورًا مهمًا في صيانة الخرائط المكانية

ومع ذلك ، ليس هذا هو الحال ، وقد لوحظ أن الفئران التي تم إخراجها من مستقبل NMDA أو الفئران التي تم علاجها دوائيًا لمنع هذا المستقبل ، فإنها تعبر عن أنماط مماثلة من الاستجابة من خلايا المكان في بيئات جديدة أو مألوفة. يشير هذا إلى أن التعبير عن الخرائط المكانية مستقل عن مرونة الدماغ (كنترول وآخرون ، 1998). ستدعم هذه النتائج الفرضية القائلة بأن أنظمة الملاحة مستقلة عن التعلم.

على الرغم من كل شيء ، باستخدام المنطق ، يجب أن تكون آليات مرونة الدماغ ضرورية بشكل واضح لاستقرار الذاكرة في الخرائط التي تم تشكيلها حديثًا. وإذا لم يكن الأمر كذلك ، فما فائدة التجربة التي سيشكلها المرء بناءً على السير في شوارع مدينتهم؟ ألن نشعر دائمًا بأنها المرة الأولى التي ندخل فيها منزلنا؟ أعتقد ، كما هو الحال في العديد من المناسبات الأخرى ، أن الفرضيات أكثر تكاملاً مما تبدو عليه ، وعلى الرغم من الأداء الفطري لهذه الوظائف ، يجب أن تلعب اللدونة دورًا في الاحتفاظ بهذه الخرائط المكانية في الذاكرة.

خلايا الشبكة والعنوان والحافة

من المجرد تمامًا التحدث عن خلايا المكان وربما تفاجأ أكثر من قارئ واحد بأن نفس منطقة الدماغ التي تولد الذكريات تعمل ، إذا جاز التعبير ، مثل نظام تحديد المواقع العالمي (GPS). لكننا لم ننتهي ، والأفضل لم يأت بعد. الآن دعنا نلف الضفيرة بشكل حقيقي. في البداية ، كان يُعتقد أن الملاحة الفضائية ستعتمد حصريًا على الحُصين عندما يُرى ذلك أظهرت الهياكل المجاورة مثل القشرة المخية الداخلية تنشيطًا ضعيفًا للغاية كدالة للفضاء (فرانك وآخرون. آل ، 2000).

ومع ذلك ، في هذه الدراسات ، تم تسجيل النشاط في المناطق البطنية من القشرة المخية الأنفية الداخلية وفي الدراسات المناطق الخلفية ، تم تسجيل المناطق الظهرية التي تحتوي على عدد أكبر من الوصلات بالحصين (Fyhn et آل ، 2004). لهذا السبب لوحظ أن العديد من الخلايا في هذه المنطقة تنطلق كدالة للوضع ، على غرار الحُصين. حتى الآن ، كانت النتائج التي كان من المتوقع العثور عليها ، ولكن عندما قرروا زيادة المساحة التي سيسجلونها في القشرة المخية الداخلية ، كانت مفاجأة: من بين مجموعات الخلايا العصبية التي تم تنشيطها كوظيفة للمساحة التي يشغلها الحيوان ، كانت هناك مناطق صامتة على ما يبدو - أي أنها لم تكن كذلك. مفعل. عندما تم ضم المناطق التي أظهرت التنشيط فعليًا ، لوحظت أنماط على شكل سداسيات أو مثلثات. وأطلقوا على هذه الخلايا العصبية في القشرة المخية الأنفية "خلايا الشبكة".

من خلال اكتشاف خلايا الشبكة ، شوهدت إمكانية لحل مسألة كيفية تشكل خلايا المكان. نظرًا لأن الخلايا لها اتصالات عديدة بخلايا الشبكة ، فليس من غير المعقول الاعتقاد بأنها تتكون من هذه الخلايا. ومع ذلك ، مرة أخرى ، الأمور ليست بهذه البساطة والأدلة التجريبية لم تؤكد هذه الفرضية. لم يتم تفسير الأنماط الهندسية التي تشكل خلايا الشبكة أيضًا.

لا تقتصر أنظمة الملاحة على الحصين

التعقيد لا ينتهي هنا. حتى أقل من ذلك عندما لوحظ أن أنظمة الملاحة لا تقتصر على الحصين. وقد أدى ذلك إلى توسيع حدود البحث لتشمل مناطق دماغية أخرى ، وبالتالي اكتشاف أنواع أخرى من الخلايا المرتبطة بخلايا المكان: خلايا الاتجاه وخلايا الحافة.

تقوم خلايا الاتجاه بترميز الاتجاه الذي يتحرك فيه الموضوع وسيكون موجودًا في النواة السقيفية الظهرية لجذع الدماغ. من ناحية أخرى ، فإن خلايا الحافة هي خلايا تزيد من معدل إطلاقها كلما أصبح الموضوع اقترب من حدود مساحة معينة ويمكننا العثور عليها في المنطقة الفرعية - الخاصة من قرن آمون-. سنقدم مثالًا مبسطًا سنحاول فيه تلخيص وظيفة كل نوع من الخلايا:

تخيل أنك في غرفة الطعام في منزلك وتريد الذهاب إلى المطبخ. نظرًا لأنك في غرفة الطعام في منزلك ، سيكون لديك خلية مكان ستطلق النار طالما بقيت في غرفة الطعام ، ولكن نظرًا لأنك تريد الذهاب إلى المطبخ ، فسيكون لديك أيضًا خلية مكان نشطة أخرى تمثل ملف مطبخ. سيكون التنشيط واضحًا لأن منزلك عبارة عن مساحة تعرفها جيدًا ويمكن اكتشاف التنشيط في كل من خلايا المكان وخلايا الشبكة.

الآن ، ابدأ بالسير نحو المطبخ. ستكون هناك مجموعة من خلايا العناوين المحددة التي سيتم إطلاقها الآن ولن تتغير طالما أنك تحتفظ بعنوان معين. الآن ، تخيل أنه للذهاب إلى المطبخ عليك الالتفاف يمينًا وعبور ممر ضيق. في اللحظة التي تدور فيها ، ستعرف خلايا التوجيه الخاصة بك وستقوم مجموعة أخرى من خلايا التوجيه بتسجيل الاتجاه الذي اتخذته الآن في التنشيط ، وسيتم إلغاء تنشيط الخلايا السابقة.

تخيل أيضًا أن الممر ضيق وأن أي حركة خاطئة يمكن أن تتسبب في اصطدامك بالجدار ، وبالتالي ستزيد خلاياك الحدودية من معدل إطلاق النار. كلما اقتربت من جدار الممر ، زاد معدل إطلاق النار الذي ستظهره خلايا الحافة. فكر في خلايا الحافة على أنها المستشعرات التي تمتلكها بعض السيارات الجديدة والتي تعطي إشارة مسموعة عندما تقوم بالمناورة للركن. الخلايا الحدودية إنها تعمل بطريقة مشابهة لتلك المستشعرات ، وكلما اقتربت من الاصطدام ، زادت الضوضاء التي تصدرها. عندما تصل إلى المطبخ ، ستخبرك خلايا المكان الخاصة بك أنها وصلت بشكل مرضٍ وكونها بيئة أكبر ، سترتاح خلايا الحافة الخاصة بك.

لننتهي من تعقيد كل شيء

من الغريب أن نعتقد أن دماغنا لديه طرق لمعرفة موقفنا. لكن يبقى السؤال: كيف يمكننا التوفيق بين الذاكرة التقريرية والملاحة المكانية في الحُصين ، أي كيف تؤثر ذاكرتنا على هذه الخرائط؟ أم أن ذاكرتنا تكونت من هذه الخرائط؟ لمحاولة الإجابة على هذا السؤال ، يجب أن نفكر أكثر قليلاً. أشارت دراسات أخرى إلى أن نفس الخلايا التي تشفر الفضاء ، والتي تحدثنا عنها بالفعل ، تشفر الوقت أيضًا. وهكذا ، كان هناك حديث عن خلايا الوقت (Eichenbaum، 2014) والذي من شأنه أن يشفر تصور الزمن.

الشيء المدهش في هذه القضية هو ذلك هناك أدلة متزايدة تدعم فكرة أن خلايا المكان هي نفسها خلايا الوقت. بعد ذلك ، فإن نفس العصبون من خلال نفس النبضات الكهربائية قادر على تشفير المكان والزمان. تظل علاقة ترميز الزمان والمكان في نفس إمكانات الفعل وأهميتها في الذاكرة لغزا.

في الختام: رأيي الشخصي

رأيي في ذلك؟ خلع رداء العالم الخاص بي ، أستطيع أن أقول ذلك يميل البشر إلى التفكير في الخيار السهل ونحب أن نعتقد أن الدماغ يتحدث نفس اللغة مثلنا. المشكلة هي أن الدماغ يقدم لنا نسخة مبسطة من الواقع أنه يعالج نفسه بنفسه. بطريقة تشبه الظلال في كهف أفلاطون. وهكذا ، تمامًا كما في فيزياء الكم ، يتم كسر الحواجز التي تعترض ما نفهمه على أنه واقع علم الأعصاب نكتشف أن الأشياء في الدماغ تختلف عن العالم الذي ندركه بوعي ويجب أن يكون لدينا عقل متفتح للغاية بحيث لا يجب أن تكون الأشياء كما هي بالفعل نحن ندركهم.

الشيء الوحيد الواضح بالنسبة لي هو الشيء الذي يستخدمه أنطونيو داماسيو ليكرر كثيرًا في كتبه: الدماغ هو مولد خرائط رائع. ربما يفسر الدماغ الزمان والمكان بنفس الطريقة لتشكيل خرائط لذاكرتنا. وإذا كان الأمر يبدو خياليًا بالنسبة لك ، فاعتقد أن أينشتاين في نظريته النسبية كانت إحدى النظريات التي افترضها أن الوقت لا يمكن فهمه بدون مساحة ، والعكس صحيح. مما لا شك فيه أن حل هذه الألغاز يمثل تحديًا ، خاصة عندما يكون من الصعب دراستها على الحيوانات.

ومع ذلك ، لا ينبغي ادخار أي جهد في هذه القضايا. بادئ ذي بدء بدافع الفضول. إذا درسنا تمدد الكون أو موجات الجاذبية المسجلة مؤخرًا ، فلماذا لا ندرس كيف يفسر دماغنا الزمان والمكان؟ وثانيًا ، العديد من أمراض الاعصاب مثل مرض الزهايمر ، فإن أعراضهم الأولى هي الارتباك المكاني والزماني. من خلال معرفة الآليات الفيزيولوجية العصبية لهذا الترميز ، يمكننا اكتشاف جوانب جديدة من شأنها أن تساعد في ذلك فهم أفضل للمسار المرضي لهذه الأمراض ، ومن يدري ، ما إذا كان يجب اكتشاف أهداف دوائية جديدة أم لا الدوائية.

المراجع الببليوغرافية:

• Eichenbaum H. 2014. الخلايا الزمنية في الحُصين: بُعد جديد لرسم خرائط الذكريات. طبيعة 15: 732-742
• فرانك إل إم ، براون إن ، ويلسون إم. 2000. ترميز المسار في الحُصين والقشرة الأنفية الداخلية. العصبون 27: 169 - 178.
• Fyhn M ، مولدن S ، Witter MP ، Moser EI ، Moser M-B. 2004. التمثيل المكاني في القشرة المخية الأنفية الداخلية. Science 305: 1258-1264
• كنتروس سي ، هارجريفز إي ، هوكينز آر دي ، كانديل إيه آر ، شابيرو إم ، مولر آر في. 1998. إلغاء الاستقرار طويل المدى لخرائط خلايا مكان الحصين الجديدة بواسطة حصار مستقبلات NMDA. Science 280: 2121-2126.
• موناكو دينار ، أبوت LF. 2011. إعادة التنظيم المعياري لنشاط خلية الشبكة الداخلية كأساس لإعادة رسم خريطة الحصين. J Neurosci 31: 9414–9425.
• O'Keefe J ، المتحدث A. 1987. نشاط وحدة واحدة في حصين الفئران أثناء مهمة الذاكرة المكانية. Exp Brain Res 68: 1 –27.
• سكوفيل دبليو بي ، ميلنر ب (1957). فقدان الذاكرة الحديثة بعد الحصين الثنائي. J Neurol Neurosurg Psychiatry 20: 11-21.