"Клетките на място", нещо като нашия мозък GPS

Ориентацията и изследването в нови или непознати пространства е един от когнитивните способности, които използваме най-често. Използваме го, за да се ориентираме в нашата къща, квартала, да отидем на работа.

От него зависим и когато пътуваме до нов и непознат за нас град. Използваме го дори при шофиране и евентуално четецът е станал жертва на небрежна ориентация или в този на колега, който ще го осъди да се изгуби, принуден да кара колата, докато намери маршрута адекватен.

Вината не е в ориентацията, а в хипокампуса

Всичко това са ситуации, които обикновено ни разочароват и които ни карат да проклинаме нашата ориентация или тази на другите с обиди, викове и различни поведения. Добре, Е, днес ще дам удар с неврофизиологичните механизми на ориентация, в нашата Мозъчен GPS за да ни разбере.

Ще започнем с конкретност: не трябва да проклинаме ориентацията, тъй като това е само продукт на нашата невронална активност в определени региони. Следователно, ние ще започнем с проклинането на нашите хипокампус.

Хипокампусът като мозъчна структура

Еволюционно хипокампусът е древна структура, той е част от архикортекса, тоест онези структури, които са филогенетично по-стари при нашия вид. Анатомично е част от лимбичната система, в която се намират и други структури като амигдалата. Лимбичната система се счита за морфологичен субстрат на паметта, емоциите, ученето и мотивацията.

Читателят, вероятно ако е свикнал с психология, ще знае, че хипокампусът е необходима структура за консолидиране на спомените. декларативен, тоест с онези спомени с епизодично съдържание за нашите преживявания или семантични (Nadel and O'Keefe, 1972).

Доказателство за това са изобилните изследвания, които съществуват за популярния случай на „пациент с НМ”, пациент, на когото са били отстранени и двете темпорални полукълба. произвеждайки опустошителна антероградна амнезия, тоест той не е могъл да запомни нови факти, въпреки че е запазил повечето си спомени от преди операция. За тези, които искат да се задълбочат в този случай, препоръчвам проучванията на Сковил и Милнър (1957), които изчерпателно са изследвали пациента с ХМ.

Клетките на мястото: какви са те?

Засега не казваме нищо ново или нещо изненадващо. Но през 1971 г. случайно е открит факт, който е дал началото на изследването на навигационните системи в мозъка. O'keefe и John Dostrovski, използвайки вътречерепни електроди, са успели да регистрират активността на специфични хипокампални неврони при плъхове. Това предлагаше възможността при извършване на различни тестове за поведение животното да е будно, в съзнание и да се движи свободно.

Това, което те не очакваха да открият, е, че има неврони, които реагират селективно въз основа на зоната, в която се намира плъхът. Не че имаше специфични неврони във всяка позиция (няма неврон за вашата баня например), но това наблюдавани в клетки CA1 (специфичен регион на хипокампуса), които маркират ориентири, които могат да се адаптират към различни пространства.

Тези клетки бяха наречени поставете клетки. Следователно не е, че има неврон на място за всяко конкретно пространство, което посещавате, а по-скоро те са референтни точки, които ви свързват с вашата среда; така се формират егоцентричните навигационни системи. Невроните на мястото също ще образуват алоцентрични навигационни системи, които ще свързват елементи от пространството помежду си.

Вродено програмиране срещу опит

Това откритие озадачи много невролози, които гледаха на хипокампуса като декларативна учебна структура и сега те видяха как тя е в състояние да кодира информация пространство. Това породи хипотезата за „когнитивната карта“, която би постулирала, че в хипокампуса ще се генерира представяне на нашата среда.

Същото като него мозък Той е отличен генератор на карти за други сензорни модалности като кодиране на визуални, слухови и соматосензорни сигнали; Не е неразумно да мислим за хипокампуса като структура, която генерира карти на нашата среда и която гарантира нашата ориентация в тях.

Изследванията отидоха по-далеч и тестваха тази парадигма в много различни ситуации. Видяно е например, че клетките в лабиринтните задачи се стрелят, когато животното прави грешки или когато е в положение, в което невронът обикновено би стрелял (O'keefe and Speakman, 1987). При задачи, при които животното трябва да се движи през различни пространства, е забелязано, че невроните изстрелват в зависимост от това откъде идва животното и къде отива (Frank et al., 2000).

Как се формират пространствените карти

Друг от основните фокуси на изследователския интерес в тази област е върху това как се формират тези пространствени карти. От една страна, бихме могли да мислим, че клетките на място установяват своята функция въз основа на опита, който получаваме, когато ние изследваме среда или може да си помислим, че тя е основният компонент на нашите мозъчни вериги, т.е. вродени. Въпросът все още не е ясен и можем да намерим емпирични доказателства, които подкрепят и двете хипотези.

От една страна, експериментите на Монако и Абът (2014), които регистрират активността на голям брой клетки на сайта, имат тъй като когато животното е поставено в нова среда, отнема няколко минути, за да започнат да стрелят тези клетки нормално. Така че, картите на места ще бъдат изразени по някакъв начин от момента, в който животното навлезе в нова среда, но опитът би променил тези карти в бъдеще.

Следователно бихме могли да мислим, че пластичността на мозъка играе роля при формирането на пространствени карти. Тогава, ако пластичността наистина е играла роля, бихме очаквали нокаутиращи мишки към NMDA рецептора за невротрансмитера глутамат - тоест мишки които не изразяват този рецептор - не са генерирали пространствени карти, защото този рецептор играе основна роля в мозъчната пластичност и на изучаване на.

Пластичността играе важна роля за поддържането на пространствените карти

Това обаче не е така и се вижда, че нокаутиращи мишки към NMDA рецептора или мишки, които са били лекувани фармакологично За да блокират този рецептор, те изразяват подобни модели на реакция от клетките на място в нова или позната среда. Това предполага, че изразяването на пространствени карти е независимо от пластичността на мозъка (Kentrol et al., 1998). Тези резултати биха подкрепили хипотезата, че навигационните системи са независими от обучението.

Въпреки всичко, използвайки логика, механизмите на мозъчната пластичност трябва да са явно необходими за стабилността на паметта на новообразуваните карти. И ако не беше така, каква полза би имало преживяването, което човек формира, като се разхожда по улиците на техния град? Няма ли винаги да имаме чувството, че за първи път влизаме в къщата си? Вярвам, че както при много други случаи, хипотезите са по-допълващи се, отколкото изглеждат и, някак си, въпреки вроденото функциониране на тези функции, пластичността трябва да играе роля за запазването на тези пространствени карти в паметта.

Клетки в мрежа, адрес и край

Абсолютно абстрактно е да се говори за клетки на място и вероятно повече от един читател е изненадан, че същата мозъчна област, която генерира спомени, служи, така да се каже, като GPS. Но ние не сме готови и най-доброто тепърва предстои. Сега нека навием къдрицата истински. Отначало се смяташе, че космическата навигация ще зависи изключително от хипокампуса, когато се забележи това Съседните структури като енториналната кора показват много слабо активиране като функция на пространството (Frank et al. ал., 2000).

При тези проучвания обаче активността е регистрирана във вентрални области на енториалната кора и при проучвания са регистрирани задни области, гръбни области, които имат по-голям брой връзки с хипокампуса (Fyhn et ал., 2004). Така че много клетки в този регион са наблюдавани да стрелят като функция на положението, подобно на хипокампуса. Засега те са резултати, които се очакваше да бъдат намерени, но когато решиха да увеличат площта, която ще регистрират в енторхиналната кора, изненадаха: Сред групите неврони, които се активираха като функция от пространството, заето от животното, очевидно имаше тихи зони - тоест те не бяха активиран. Когато регионите, които са показали активиране, са били практически присъединени, са наблюдавани модели под формата на шестоъгълници или триъгълници. Те нарекоха тези неврони в енторхиналната кора „мрежови клетки“.

Чрез откриването на мрежови клетки се видя възможност да се реши въпросът как се формират клетките на място. Тъй като клетките имат многобройни връзки на мрежови клетки, не е неразумно да се мисли, че те се формират от тях. Обаче за пореден път нещата не са толкова ясни и експерименталните доказателства не потвърждават тази хипотеза. Геометричните модели, които образуват мрежовите клетки, все още не са интерпретирани.

Навигационните системи не са ограничени до хипокампуса

Сложността не свършва до тук. Още по-малко, когато се видя, че навигационните системи не се ограничават до хипокампуса. Това разшири границите на изследванията до други мозъчни области, като по този начин открива други видове клетки, свързани с клетките на място: насочващи клетки и крайни клетки.

Клетките за насочване биха кодирали посоката, в която субектът се движи и ще бъдат разположени в гръбното тегментално ядро ​​на мозъчния ствол. Клетките на ръба, от друга страна, са клетки, които биха увеличили скоростта на стрелба, когато обектът стане приближаваме границите на дадено пространство и можем да ги намерим в специфичния за субтикула региона на хипокампус-. Ще предложим опростен пример, в който ще се опитаме да обобщим функцията на всеки тип клетка:

Представете си, че сте в трапезарията на къщата си и искате да отидете в кухнята. Тъй като сте в трапезарията на къщата си, ще имате място за килия, което ще стреля, докато останете в трапезария, но тъй като искате да отидете в кухнята, ще имате и друга активирана клетка за място, която представлява кухня. Активирането ще бъде ясно, защото вашият дом е пространство, което познавате отлично и активирането може да бъде открито както в клетките на мястото, така и в мрежовите клетки.

Сега започнете да вървите към кухнята. Ще има група от конкретни адресни клетки, които сега ще се задействат и няма да се променят, докато поддържате определен адрес. А сега, представете си, че за да отидете до кухнята, трябва да завиете надясно и да прекосите тесен коридор. В момента, в който се обърнете, вашите кормилни клетки ще го разберат и друг набор от кормилни клетки ще запише посоката, в която е поел сега, а предишните ще се изключат.

Също така си представете, че коридорът е тесен и всяко грешно движение може да ви накара да се блъснете в стената, така че граничните ви клетки ще увеличат скорострелността си. Колкото по-близо се приближавате до стената на коридора, толкова по-висока скорост на стрелба биха показали неговите крайни клетки. Помислете за крайни клетки като сензорите, които имат някои по-нови автомобили, които дават звуков сигнал, когато маневрирате да паркирате. Гранични клетки Те работят по подобен начин на тези сензори, колкото по-близо сте до сблъсъка, толкова повече шум издават. Когато стигнете до кухнята, вашите клетки на място ще ви покажат, че тя е пристигнала задоволително и като по-голяма среда, вашите клетки на ръба ще се отпуснат.

Нека завършим с усложняването на всичко

Любопитно е да мислим, че мозъкът ни има начини да знае позицията ни. Но остава въпросът: Как да съчетаем декларативната памет с пространствената навигация в хипокампуса? Тоест как нашите спомени влияят на тези карти? Или може би спомените ни са формирани от тези карти? За да се опитаме да отговорим на този въпрос, трябва да помислим малко повече. Други изследвания показват, че същите клетки, които кодират пространство, за което вече говорихме, също кодират времето. По този начин се говори за времеви клетки (Eichenbaum, 2014), което би кодирало възприятието за времето.

Изненадващото в случая е това има все повече доказателства, подкрепящи идеята, че клетките на мястото са същите като клетките на времето. Тогава същият неврон чрез същите електрически импулси е в състояние да кодира пространство и време. Връзката на кодирането на времето и пространството в едни и същи потенциали за действие и тяхното значение в паметта остават загадка.

В заключение: моето лично мнение

Моето мнение за това? Сваляйки роклята на учения си, мога да го кажа хората са склонни да мислят за лесния вариант и ние обичаме да мислим, че мозъкът говори на същия език като нас. Проблемът е, че мозъкът ни предлага опростена версия на реалността, която сам обработва. По начин, подобен на сенките в пещерата на Платон. По този начин, както в квантовата физика, бариерите се разбиват от това, което разбираме като реалност, и в неврология откриваме, че в мозъка нещата са различни от света, който възприемаме съзнателно и трябва да имаме много отворен ум, че не е задължително нещата да бъдат такива, каквито са в действителност ние ги възприемаме.

Единственото нещо, което ми е ясно, е нещо, което Антонио Дамазио използва, за да повтаря много в своите книги: мозъкът е чудесен генератор на карти. Може би мозъкът интерпретира времето и пространството по същия начин, за да формира карти на нашите спомени. И ако ви се струва химерично, помислете, че Айнстен в своята теория на относителността една от теориите, които той постулира, е, че времето не може да се разбира без пространство и обратно. Несъмнено разгадаването на тези мистерии е предизвикателство, още повече, когато те са трудни аспекти за изучаване при животни.

По тези въпроси обаче не трябва да се пестят усилия. Първо от любопитство. Ако изследваме разширяването на Вселената или наскоро записаните гравитационни вълни, защо не щяхме да проучим как нашият мозък интерпретира времето и пространството? И второ, много от невродегенеративни патологии като болестта на Алцхаймер, първите им симптоми са пространствено-времевата дезориентация. Познавайки неврофизиологичните механизми на това кодиране, бихме могли да открием нови аспекти, които ще ни помогнат да разберете по-добре патологичния ход на тези заболявания и кой знае дали да откривате нови лекарствени цели или не фармакологични.

Библиографски справки:

• Айхенбаум Х. 2014. Времевите клетки в хипокампуса: ново измерение за картографиране на спомени. Природа 15: 732-742
• Frank LM, Brown EN, Wilson M. 2000. Кодиране на траектория в хипокампуса и енторхиналната кора. Неврон 27: 169–178.
• Fyhn M, Molden S, Witter MP, Moser EI, Moser M-B. 2004. Пространствено представяне в енторхиналната кора. Наука 305: 1258–1264
• Kentros C, Hargreaves E, Hawkins RD, Kandel ER, Shapiro M, Muller RV. 1998. Премахване на дългосрочната стабилност на новите клетъчни карти на хипокампалното място чрез блокада на NMDA рецептора. Наука 280: 2121-2126.
• Монако JD, Abbott LF. 2011. Модулно пренастройване на активността на енториналните решетъчни клетки като основа за повторно картографиране на хипокампа. J Neurosci 31: 9414–9425.
• O'Keefe J, Speakman A. 1987. Единична активност в хипокампуса на плъхове по време на задача за пространствена памет. Exp Brain Res 68: 1–27.
• Scoville WB, Milner B (1957). Загуба на скорошна памет след двустранна хипокампалезия. J Neurol Neurosurg Psychiatry 20: 11–21.