„Buňky místa“, něco jako náš mozek GPS

Orientace a průzkum v nových nebo neznámých prostorech je jednou z kognitivních schopností, které nejčastěji používáme. Používáme jej k orientaci v našem domě, v našem sousedství a do práce.

Také jsme na něm závislí, když cestujeme do nového a neznámého města. Používáme jej i při řízení a čtenář se možná stal obětí neopatrné orientace nebo v tom kolega, který ho odsoudil, aby se ztratil, byl nucen jezdit autem, dokud nenalezl trasu přiměřené.

Není to chyba orientace, je to chyba hipokampu

To vše jsou situace, které nás obvykle hodně frustrují a které nás vedou k proklínání naší nebo jiné orientace urážkami, řevem a různým chováním. Studna, No, dnes provedu tah štětcem na neurofyziologické mechanismy orientace, v našem Brain GPS porozumět nám.

Začneme tím, že budeme konkrétní: nesmíme proklínat orientaci, protože je to jen produkt naší neuronální aktivity ve specifických oblastech. Proto začneme tím, že proklínáme své hipokampus.

Hipokampus jako struktura mozku

Evolučně je hipokampus starodávnou strukturou, je součástí archikortexu, tj. Struktur, které jsou u našeho druhu fylogeneticky starší. Anatomicky je součástí limbického systému, ve kterém se také nacházejí další struktury, jako je amygdala. Limbický systém je považován za morfologický substrát paměti, emocí, učení a motivace.

Čtenář, pokud je zvyklý na psychologii, bude vědět, že hipokamp je nezbytnou strukturou pro konsolidaci vzpomínek. deklarativní, tj. s těmi vzpomínkami s epizodickým obsahem o našich zkušenostech nebo sémantickým (Nadel a O'Keefe, 1972).

Důkazem toho jsou hojné studie, které existují o populárním případu „pacienta s HM“, pacienta, který měl odstraněny obě časové hemisféry. produkovat zničující anterográdní amnézii, to znamená, že si nemohl zapamatovat nová fakta, i když si většinu svých vzpomínek uchoval z doby před úkon. Pro ty, kteří se chtějí zabývat tímto případem, doporučuji studie Scovilla a Millnera (1957), kteří důkladně studovali pacientovu HM.

The Cells of Place: co jsou zač?

Zatím neříkáme nic nového ani nic překvapivého. Ale to bylo v roce 1971, kdy byla náhodou objevena skutečnost, která způsobila začátek studia navigačních systémů v mozku. O'keefe a John Dostrovski pomocí intrakraniálních elektrod, byli schopni zaznamenat aktivitu specifických hipokampálních neuronů u potkanů. To poskytlo možnost, že při provádění různých testů chování bylo zvíře vzhůru, při vědomí a volně se pohybovalo.

Neočekávali, že by objevili, že existují neurony, které reagují selektivně na základě oblasti, ve které se krysa nachází. Nejde o to, že by v každé poloze byly specifické neurony (například pro vaši koupelnu není neuron), ale to pozorováno v buňkách CA1 (specifická oblast hipokampu), které označovaly orientační body, které se mohly přizpůsobit různým mezery.

Tyto buňky byly volány umístěte buňky. Není to tedy tak, že pro každý konkrétní prostor, který často navštěvujete, existuje neuron místa, ale spíše jde o referenční body, které vás vztahují k vašemu prostředí; tak vznikají egocentrické navigační systémy. Místo neuronů bude také tvořit alocentrické navigační systémy, které budou navzájem spojovat prvky vesmíru.

Vrozené programování vs zkušenosti

Tento objev zmátl mnoho neurologů, kteří se na hipokampus dívali jako na deklarativní strukturu učení a teď viděli, jak dokáže kódovat informace prostor. To dalo vzniknout hypotéze „kognitivní mapy“, která by předpokládala, že v hipokampu bude generována reprezentace našeho prostředí.

Stejně jako on mozek Je to vynikající generátor map pro další senzorické modality, jako je vizuální, sluchové a somatosenzorické kódování signálu Není nerozumné uvažovat o hipokampu jako o struktuře, která generuje mapy našeho prostředí a zaručuje naši orientaci v nich.

Výzkum šel dále a testoval toto paradigma ve velmi rozmanitých situacích. Bylo například vidět, že umisťují buňky do bludiště, když zvíře udělá chybu nebo když je v poloze, ve které by normálně vystřelil neuron (O'keefe a Speakman, 1987). Při úkolech, při nichž se zvíře musí pohybovat v různých prostorech, bylo vidět, že zapalují neurony podle toho, odkud zvíře pochází a kam směřuje (Frank et al., 2000).

Jak se vytvářejí prostorové mapy

Dalším z hlavních zaměření výzkumného zájmu v této oblasti bylo to, jak jsou tyto prostorové mapy formovány. Na jedné straně bychom si mohli myslet, že místo buněk ustavuje svou funkci na základě zkušeností, které dostáváme, když zkoumáme prostředí, nebo bychom si mohli myslet, že je to základní součást našich mozkových obvodů, to znamená, vrozený. Otázka zatím není jasná a můžeme najít empirické důkazy, které podporují obě hypotézy.

Na jedné straně experimenty Monaka a Abbotta (2014), které zaznamenávaly aktivitu velkého počtu buněk v místě, protože když je zvíře umístěno do nového prostředí, trvá několik minut, než s nimi začnou střílet normální. Aby, mapy míst by byly nějakým způsobem vyjádřeny od okamžiku, kdy zvíře vstoupí do nového prostředí, ale zkušenost by tyto mapy v budoucnu upravila.

Mohli bychom si tedy myslet, že plasticita mozku hraje roli při tvorbě prostorových map. Pak, pokud by plasticita skutečně hrála roli, očekávali bychom, že knockoutované myši vyřadí NMDA receptor pro neurotransmiter glutamát - tedy myši které tento receptor neexprimují - nevytvářely prostorové mapy, protože tento receptor hraje zásadní roli v plasticitě mozku a the učení se.

Při údržbě prostorových map hraje důležitou roli plasticita

To však není tento případ a bylo vidět, že knockoutované myši na NMDA receptor nebo myši, které byly léčeny farmakologicky Chcete-li blokovat tento receptor, vyjadřují podobné vzorce odezvy z místních buněk v nových nebo známých prostředích. To naznačuje, že výraz prostorových map je nezávislý na plasticitě mozku (Kentrol et al., 1998). Tyto výsledky by podpořily hypotézu, že navigační systémy jsou nezávislé na učení.

Navzdory všemu, pomocí logiky, musí být mechanismy plasticity mozku zjevně nezbytné pro paměťovou stabilitu nově vytvořených map. A kdyby to tak nebylo, k čemu by byla zkušenost, kterou si člověk vytvoří na základě procházky ulicemi svého města? Neměli bychom vždy pocit, že jsme do našeho domu vstoupili poprvé? Věřím, že stejně jako při mnoha jiných příležitostech se hypotézy více doplňují, než se zdá, a jaksi navzdory vrozenému fungování těchto funkcí, Při udržování těchto prostorových map v paměti musí hrát roli plasticita.

Sítě, adresy a okrajové buňky

Je celkem abstraktní hovořit o buňkách místa a možná více než jednoho čtenáře překvapilo, že stejná oblast mozku, která generuje vzpomínky, slouží takřka jako GPS. Ale ještě jsme neskončili a to nejlepší teprve přijde. Nyní zvlnění zvlnění doopravdy. Nejprve se předpokládalo, že vesmírná navigace bude záviset výlučně na hipokampu, když to bude vidět Sousední struktury, jako je entorhinální kůra, vykazovaly velmi slabou aktivaci jako funkce prostoru (Frank et al. al., 2000).

V těchto studiích však byla aktivita zaznamenána ve ventrálních oblastech entorhinální kůry a ve studiích byly zaznamenány zadní oblasti, hřbetní oblasti, které mají větší počet spojení s hipokampem (Fyhn et al., 2004). Aby mnoho buněk v této oblasti bylo pozorováno, že střílejí jako funkce polohy, podobně jako hipokampus. Zatím se jedná o výsledky, u nichž se očekávalo, že budou nalezeny, ale když se rozhodly zvětšit plochu, kterou by zaregistrovaly v entorhinální kůře, překvapilo je: Mezi skupinami neuronů, které byly aktivovány jako funkce prostoru obsazeného zvířetem, byly zjevně tiché oblasti - to znamená, že nebyly aktivován. Když byly oblasti, které skutečně vykazovaly aktivaci, spojeny, byly pozorovány vzory ve formě šestiúhelníků nebo trojúhelníků. Nazvali tyto neurony v entorhinální kůře „síťové buňky“.

Objevením síťových buněk se objevila možnost vyřešit otázku, jak se vytvářejí místní buňky. Protože buňky mají četná spojení síťových buněk, není nerozumné si myslet, že jsou z nich vytvořeny. Věci však opět nejsou tak jednoduché a experimentální důkazy tuto hypotézu nepotvrdily. Geometrické vzory, které tvoří buňky sítě, ještě nebyly interpretovány.

Navigační systémy se neomezují pouze na hipokampus

Složitost tím nekončí. Ještě méně, když bylo vidět, že navigační systémy se neomezují pouze na hipokampus. Tím se rozšířily hranice výzkumu do dalších oblastí mozku, čímž se objevily další typy buněk souvisejících s místními buňkami: směrové buňky a okrajové buňky.

Řídicí buňky by kódovaly směr, kterým se subjekt pohybuje, a byly by umístěny v dorzálním tegmentálním jádru mozkového kmene. Okrajové buňky, na druhé straně, jsou buňky, které by zvyšovaly jejich rychlost střelby, jakmile se subjekt stane přiblížit se limitům daného prostoru a najdeme je v subikulu - specifické oblasti hippocampus-. Budeme nabízet zjednodušený příklad, ve kterém se pokusíme shrnout funkci každého typu buňky:

Představte si, že jste v jídelně svého domu a chcete jít do kuchyně. Jelikož jste v jídelně svého domu, budete mít buňku místa, která bude střílet, dokud v ní zůstanete jídelna, ale protože chcete jít do kuchyně, budete mít také další aktivovanou buňku místa, která představuje kuchyně. Aktivace bude jasná, protože váš domov je prostor, který dokonale znáte, a aktivaci lze detekovat jak v buňkách místa, tak v buňkách sítě.

Nyní začněte chodit do kuchyně. Bude existovat skupina buněk konkrétní adresy, které se nyní budou spouštět a nebudou se měnit, pokud budete udržovat konkrétní adresu. Nyní si představte, že abyste šli do kuchyně, musíte zahnout doprava a projít úzkou chodbou. V okamžiku, kdy se otočíte, vaše buňky řízení to budou vědět a další sada buněk řízení zaznamená aktivovaný směr, kterým se nyní vydala, a ty předchozí budou deaktivovány.

Představte si také, že chodba je úzká a jakýkoli nesprávný pohyb může způsobit, že narazíte do zdi, takže vaše hranové buňky zvýší rychlost střelby. Čím blíže jste ke stěně chodby, tím vyšší rychlost střelby by její okrajové buňky ukazovaly. Přemýšlejte o okrajových buňkách, jako jsou senzory, které mají některé novější vozy a které dávají zvukový signál, když manévrujete s parkováním. Hraniční buňky Fungují podobným způsobem jako tyto senzory, čím blíže jste ke kolizi, tím více hluku vytvářejí. Když se dostanete do kuchyně, vaše buňky místa vám naznačily, že dorazila uspokojivě a je to větší prostředí, vaše buňky okraje se uvolní.

Pojďme všechno komplikovat

Je zvláštní si myslet, že náš mozek má způsob, jak znát naši pozici. Zůstává však otázka: Jak sladíme deklarativní paměť s prostorovou navigací v hipokampu? To znamená, jak naše vzpomínky ovlivňují tyto mapy? Nebo by se mohlo stát, že naše vzpomínky byly vytvořeny z těchto map? Abychom se pokusili odpovědět na tuto otázku, musíme přemýšlet trochu dále. Další studie poukázaly na to, že stejné buňky, které kódují prostor, o nichž jsme již mluvili, také kódují čas. Takže se o tom už mluvilo časové buňky (Eichenbaum, 2014), který by zakódoval vnímání času.

Překvapivou věcí na případu je to přibývá důkazů podporujících myšlenku, že buňky místa jsou stejné jako buňky času. Pak je stejný neuron prostřednictvím stejných elektrických impulsů schopen kódovat prostor a čas. Vztah kódování času a prostoru ve stejných akčních potenciálech a jejich význam v paměti zůstává záhadou.

Na závěr: můj osobní názor

Můj názor na to? Sundám si vědecký plášť, to mohu říci lidské bytosti mají tendenci myslet na snadnou volbu a rádi si myslíme, že mozek mluví stejným jazykem jako my. Problém je v tom, že mozek nám nabízí zjednodušenou verzi reality, kterou sám zpracovává. Podobným způsobem jako stíny v Platónově jeskyni. Stejně jako v kvantové fyzice jsou bariéry prolomeny tím, co chápeme jako realitu, v neurovědy zjistíme, že v mozku se věci liší od světa, který vnímáme vědomě a musíme mít velmi otevřenou mysl, že věci nemusí být takové, jaké ve skutečnosti jsou vnímáme je.

Jediná věc, která mi je jasná, je něco, co Antonio Damasio ve svých knihách často opakuje: mozek je skvělý generátor map. Možná mozek interpretuje čas a prostor stejným způsobem a vytváří mapy našich vzpomínek. A pokud se vám to zdá být chimérické, pomyslete si, že Einsten ve své teorii relativity jednou z teorií, které postuloval, bylo, že čas nelze pochopit bez prostoru a naopak. Nepochybně je rozluštění těchto tajemství výzvou, a to tím spíše, když jde o obtížné aspekty studia na zvířatech.

V těchto otázkách by však nemělo být vynaloženo žádné úsilí. Nejprve ze zvědavosti. Pokud studujeme expanzi vesmíru nebo nedávno zaznamenané gravitační vlny, proč bychom neměli studovat, jak náš mozek interpretuje čas a prostor? A za druhé, mnoho z neurodegenarativní patologie stejně jako Alzheimerova choroba, jejich prvními příznaky jsou časoprostorová dezorientace. Znát neurofyziologické mechanismy tohoto kódování bychom mohli objevit nové aspekty, které tomu pomohou lépe pochopit patologický průběh těchto onemocnění a kdo ví, zda objevit nové cíle v oblasti léčiv nebo ne farmakologické.

Bibliografické odkazy:

• Eichenbaum H. 2014. Časové buňky v hipokampu: nová dimenze pro mapování vzpomínek. Nature 15: 732-742
• Frank LM, Brown EN, Wilson M. 2000. Kódování dráhy v hipokampu a entorhinální kůře. Neuron 27: 169–178.
• Fyhn M, Molden S, Witter MP, Moser EI, Moser M-B. 2004. Prostorové zastoupení v entorhinální kůře. Science 305: 1258–1264
• Kentros C, Hargreaves E, Hawkins RD, Kandel ER, Shapiro M, Muller RV. 1998. Zrušení dlouhodobé stability nových map buněk hipokampu místo blokováním NMDA receptorů. Science 280: 2121-2126.
• Monaco JD, Abbott LF. 2011. Modulární přeskupení aktivity buněk entorhinální mřížky jako základ pro přemapování hipokampu. J Neurosci 31: 9414–9425.
• O'Keefe J, mluvčí A. 1987. Aktivita jedné jednotky v hipokampu krysy během úlohy prostorové paměti. Exp Brain Res 68: 1 –27.
• Scoville WB, Milner B (1957). Ztráta nedávné paměti po oboustranném hipokampu. J Neurol Neurosurg Psychiatry 20: 11–21.