'Stedscellerne', noget som vores hjerne-GPS

Orientering og udforskning i nye eller ukendte rum er en af ​​de kognitive evner, vi bruger oftest. Vi bruger det til at orientere os i vores hus, vores kvarter, for at gå på arbejde.

Vi er også afhængige af det, når vi rejser til en ny og ukendt by for os. Vi bruger det selv under kørsel, og muligvis vil læseren have været offer for en skødesløs orientering eller i en kollegas, som vil have dømt ham til at fare vild, bliver tvunget til at køre bilen rundt, indtil han fandt ruten tilstrækkelig.

Det er ikke orienteringens fejl, det er hippocampusens skyld

Alt dette er situationer, der normalt frustrerer os meget, og som får os til at forbande vores eller andres orientering med fornærmelser, råben og forskellige adfærd. Godt, Nå, i dag vil jeg give et penselstrøg om de neurofysiologiske orienteringsmekanismer, i vores Hjernen GPS at forstå os.

Vi starter med at være specifikke: vi må ikke forbande orienteringen, da dette kun er et produkt af vores neuronale aktivitet i bestemte regioner. Derfor begynder vi med at forbande vores hippocampus.

Hippocampus som en hjernestruktur

Evolutionært er hippocampus en gammel struktur, den er en del af archicortex, det vil sige de strukturer, der er fylogenetisk ældre i vores art. Anatomisk er det en del af det limbiske system, hvor andre strukturer såsom amygdala også findes. Det limbiske system betragtes som det morfologiske substrat for hukommelse, følelser, læring og motivation.

Læseren, muligvis hvis han er vant til psykologi, vil vide, at hippocampus er en nødvendig struktur til konsolidering af minder. erklærende, det vil sige med de minder med episodisk indhold om vores oplevelser eller semantiske (Nadel og O'Keefe, 1972).

Bevis for dette er de rigelige undersøgelser, der findes om det populære tilfælde af "HM-patienten", en patient, der havde fjernet begge tidsmæssige halvkugler. producerer en ødelæggende anterograd hukommelsestab, det vil sige, han kunne ikke huske nye fakta, selvom han bevarede de fleste af sine minder fra før operation. For dem, der ønsker at dykke ned i denne sag, anbefaler jeg studierne fra Scoville og Millner (1957), der udtømmende studerede HM-patienten.

The Cells of Place: hvad er de?

Indtil videre siger vi ikke noget nyt eller noget overraskende. Men det var i 1971, da en tilfældighed opdagede en kendsgerning, der genererede begyndelsen på undersøgelsen af ​​navigationssystemer i hjernen. O'keefe og John Dostrovski ved hjælp af intrakraniale elektroder, var i stand til at registrere aktiviteten af ​​specifikke hippocampusneuroner hos rotter. Dette gav muligheden for, at dyret var vågen, bevidst og bevæger sig frit, mens han udførte forskellige adfærdstest.

Hvad de ikke forventede at opdage var, at der var neuroner, der reagerede selektivt baseret på det område, hvor rotten var placeret. Det er ikke, at der var specifikke neuroner ved hver position (der er for eksempel ingen neuron til dit badeværelse), men det observeret i CA1 (et specifikt område af hippocampus) celler, der markerede landemærker, der kunne tilpasse sig forskellige mellemrum.

Disse celler blev kaldt placere celler. Derfor er det ikke, at der er en neuron af sted for hvert specifikt rum, som du besøger, men snarere er de referencepunkter, der relaterer dig til dit miljø; sådan dannes egocentriske navigationssystemer. Stedets neuroner vil også danne allocentriske navigationssystemer, der vil relatere rumelementer til hinanden.

Medfødt programmering vs erfaring

Denne opdagelse forvirrede mange neurovidenskabere, der betragtede hippocampus som en deklarativ læringsstruktur, og nu så de, hvordan den var i stand til at kode information plads. Dette gav anledning til hypotesen om det "kognitive kort", der ville postulere, at en repræsentation af vores miljø ville blive genereret i hippocampus.

Samme som ham hjerne Det er en fremragende kortgenerator til andre sensoriske modaliteter såsom kodning af visuelle, auditive og somatosensoriske signaler; Det er ikke urimeligt at tænke på hippocampus som en struktur, der genererer kort over vores miljø, og som garanterer vores orientering i dem.

Forskning er gået længere og testet dette paradigme i meget forskellige situationer. Det er for eksempel blevet set, at placere celler i labyrintopgaver, når dyret laver fejl eller når det er i en position, hvor neuronen normalt ville affyre (O'keefe og Speakman, 1987). I opgaver, hvor dyret skal bevæge sig gennem forskellige rum, er det set, at stedets neuroner affyrer, afhængigt af hvor dyret kommer fra, og hvor det skal hen (Frank et al., 2000).

Hvordan rumlige kort dannes

Et andet hovedfokus for forskningsinteresse inden for dette område har været på, hvordan disse rumlige kort er dannet. På den ene side kunne vi tro, at stedceller etablerer deres funktion baseret på den erfaring, vi modtager når vi udforsker et miljø, eller vi tror måske, at det er en underliggende komponent i vores hjernekredsløb, det vil sige medfødt. Spørgsmålet er endnu ikke klart, og vi kan finde empiriske beviser, der understøtter begge hypoteser.

På den ene side har eksperimenterne fra Monaco og Abbott (2014), der registrerede aktiviteten af ​​et stort antal stedceller, da når et dyr placeres i et nyt miljø, tager det flere minutter for disse celler at begynde at skyde med normal. Så det, stedskort ville på en eller anden måde udtrykkes fra det øjeblik et dyr kommer ind i et nyt miljø, men erfaring vil få disse kort til at ændre i fremtiden.

Derfor kunne vi tro, at hjernens plasticitet spiller en rolle i dannelsen af ​​rumlige kort. Derefter, hvis plasticitet virkelig spillede en rolle, ville vi forvente, at knockout-mus ville slå NMDA-receptoren ud for neurotransmitteren glutamat - det vil sige mus som ikke udtrykker denne receptor - genererede ikke rumlige kort, fordi denne receptor spiller en grundlæggende rolle i hjernens plasticitet og det læring.

Plasticitet spiller en vigtig rolle i vedligeholdelsen af ​​geografiske kort

Dette er imidlertid ikke tilfældet, og det er blevet set, at knockout-mus til NMDA-receptoren eller mus, der er blevet behandlet farmakologisk For at blokere denne receptor udtrykker de lignende responsmønstre fra stedceller i nye eller velkendte miljøer. Dette antyder, at ekspressionen af ​​de rumlige kort er uafhængig af hjernens plasticitet (Kentrol et al., 1998). Disse resultater understøtter hypotesen om, at navigationssystemer er uafhængige af læring.

På trods af alt, ved hjælp af logik, skal mekanismerne for hjernens plasticitet klart være nødvendige for hukommelsesstabiliteten af ​​de nyoprettede kort. Og hvis dette ikke var tilfældet, hvilken nytte vil den oplevelse man dannes baseret på at gå i gaderne i hans by? Ville vi ikke altid have en fornemmelse af, at det er første gang, vi kommer ind i vores hus? Jeg tror, ​​at hypoteserne, som ved så mange andre lejligheder, er mere komplementære end de ser ud til, og på en eller anden måde på trods af disse funktioners medfødte funktion, plasticitet skal spille en rolle i at holde disse rumlige kort i hukommelsen.

Net-, adresse- og kantceller

Det er ret abstrakt at tale om stedets celler, og muligvis er mere end en læser overrasket over, at det samme hjerneområde, der genererer minder, tjener så at sige som GPS. Men vi er ikke færdige, og det bedste er endnu ikke kommet. Lad os nu krølle krøllen rigtigt. Først troede man, at rumnavigation udelukkende ville afhænge af hippocampus, da man så det Tilstødende strukturer såsom den entorhinal cortex viste meget svag aktivering som en funktion af rummet (Frank et al. al., 2000).

Imidlertid blev der i disse undersøgelser registreret aktivitet i ventrale områder af den entorhinal cortex og i studier bageste områder, blev dorsale områder registreret, som har et større antal forbindelser til hippocampus (Fyhn et al., 2004). Så det mange celler i denne region blev observeret at affyre som en funktion af position, svarende til hippocampus. Indtil videre er det resultater, som man forventede at blive fundet, men da de besluttede at øge det område, som de ville registrere i entorhinal cortex, havde de en overraskelse: Blandt de grupper af neuroner, der blev aktiveret som en funktion af dyrets rum, var der tilsyneladende tavse områder - det vil sige de var ikke aktiveret. Når de regioner, der viste aktivering, næsten blev samlet, blev mønstre i form af sekskanter eller trekanter observeret. De kaldte disse neuroner i entorhinal cortex for "netværksceller".

Ved at opdage netværksceller blev der set en mulighed for at løse spørgsmålet om, hvordan stedceller dannes. Da celler har adskillige forbindelser af netværksceller, er det ikke urimeligt at tro, at de er dannet ud fra disse. Imidlertid er tingene endnu en gang ikke så ligetil, og eksperimentelle beviser har ikke bekræftet denne hypotese. De geometriske mønstre, der danner netværkscellerne, er heller ikke endnu blevet fortolket.

Navigationssystemer er ikke begrænset til hippocampus

Kompleksiteten slutter ikke her. Endnu mindre, når man har set, at navigationssystemer ikke er begrænset til hippocampus. Dette har udvidet grænserne for forskning til andre hjerneområder og således opdaget andre typer celler relateret til lokale celler: retningsceller og kantceller.

Retningsceller ville kode i den retning, som motivet bevæger sig i, og ville være placeret i den dorsale tegmentale kerne i hjernestammen. Kantceller er derimod celler, der ville øge deres affyringshastighed, når motivet bliver nærme sig grænserne for et givet rum, og vi kan finde dem i det subikulumspecifikke område i hippocampus-. Vi vil tilbyde et forenklet eksempel, hvor vi vil forsøge at sammenfatte funktionen af ​​hver type celle:

Forestil dig, at du er i spisestuen i dit hus, og at du vil gå i køkkenet. Da du er i spisestuen i dit hus, vil du have en stedcelle, der vil fyre, så længe du forbliver i spisestue, men da du vil gå i køkkenet, har du også en anden aktiveret stedcelle, der repræsenterer køkken. Aktiveringen vil være klar, fordi dit hus er et rum, som du kender udmærket, og aktiveringen kan detekteres både i stedcellerne og i netværkscellerne.

Begynd nu at gå mod køkkenet. Der vil være en gruppe af specifikke adresseceller, der nu vil skyde og ikke ændres, så længe du opretholder en bestemt adresse. Forestil dig nu, at for at gå til køkkenet skal du dreje til højre og krydse en smal gang. I det øjeblik du drejer, kender dine styreceller det, og et andet sæt styreceller registrerer den retning, det nu har taget, og de foregående slukker.

Forestil dig også, at korridoren er smal, og enhver forkert bevægelse kan få dig til at gå ned mod væggen, så dine grænseceller øger deres skudhastighed. Jo tættere du kommer på korridormuren, jo højere affyringshastighed vil dens kantceller vise. Tænk på kantceller som de sensorer, som nogle nyere biler har, der giver et hørbart signal, når du manøvrerer for at parkere. Grænseceller De fungerer på samme måde som disse sensorer, jo tættere på at kollidere, jo mere støj laver de. Når du kommer til køkkenet, vil dine stedceller have indikeret for dig, at det er ankommet tilfredsstillende og er et større miljø, vil dine kantceller slappe af.

Lad os komplicere alt

Det er nysgerrig at tro, at vores hjerne har måder at kende vores position på. Men der er et spørgsmål tilbage: Hvordan forene vi deklarativ hukommelse med rumlig navigation i hippocampus, dvs. hvordan påvirker vores minder disse kort? Eller kunne det være, at vores minder blev dannet ud fra disse kort? For at prøve at besvare dette spørgsmål må vi tænke lidt længere. Andre undersøgelser har påpeget, at de samme celler, der koder plads, som vi allerede har talt om, også koder for tid. Således har der været tale om tidsceller (Eichenbaum, 2014), som ville indkode tidsopfattelsen.

Det overraskende ved sagen er det der er stigende beviser, der understøtter tanken om, at celler af sted er de samme som tidens celler. Derefter er den samme neuron gennem de samme elektriske impulser i stand til at kode rum og tid. Forholdet mellem kodning af tid og rum i de samme handlingspotentialer og deres betydning i hukommelsen forbliver et mysterium.

Afslutningsvis: min personlige mening

Min mening om det? Når jeg tager min videnskabskjole af, kan jeg sige det mennesker har tendens til at tænke på den nemme mulighed, og vi kan godt lide at tro, at hjernen taler det samme sprog som os. Problemet er, at hjernen tilbyder os en forenklet version af virkeligheden, som den behandler selv. På en måde svarende til skyggerne i Platons hule. Ligesom i kvantefysik brydes barrierer for, hvad vi forstår som virkelighed, i neurovidenskab vi opdager, at ting i hjernen er forskellige fra den verden, vi opfatter bevidst og vi skal have et meget åbent sind om, at ting ikke behøver at være som de virkelig er vi opfatter dem.

Det eneste, der er klart for mig, er noget, som Antonio Damasio bruger til at gentage meget i sine bøger: hjernen er en fantastisk kortgenerator. Måske fortolker hjernen tid og rum på samme måde for at danne kort over vores minder. Og hvis det virker kimærisk for dig, så tænk, at Einsten i sin relativitetsteori var en af ​​de teorier, som han postulerede, at tiden ikke kunne forstås uden plads og omvendt. Det er utvivlsomt en udfordring at opklare disse mysterier, når det er vanskelige aspekter at studere hos dyr.

Dog skal der ikke spares nogen anstrengelser på disse problemer. Først af nysgerrighed. Hvis vi studerer udvidelsen af ​​universet eller de nyligt registrerede tyngdekraftsbølger, hvorfor skulle vi ikke undersøge, hvordan vores hjerne fortolker tid og rum? Og for det andet mange af neurodegenarative patologier ligesom Alzheimers sygdom er deres første symptomer rumtimoral desorientering. At kende de neurofysiologiske mekanismer ved denne kodning kunne vi opdage nye aspekter, der kan hjælpe bedre forstå det patologiske forløb af disse sygdomme og, hvem ved, om man skal opdage nye lægemiddelmål eller ej farmakologisk.

Bibliografiske referencer:

• Eichenbaum H. 2014. Tidsceller i hippocampus: en ny dimension til kortlægning af minder. Natur 15: 732-742
• Frank LM, Brown EN, Wilson M. 2000. Bane kodning i hippocampus og entorhinal cortex. Neuron 27: 169–178.
• Fyhn M, Molden S, Witter MP, Moser EI, Moser M-B. 2004. Rumlig repræsentation i entorhinal cortex. Videnskab 305: 1258-1264
• Kentros C, Hargreaves E, Hawkins RD, Kandel ER, Shapiro M, Muller RV. 1998. Afskaffelse af langvarig stabilitet af nye hippocampus-cellekort ved NMDA-receptorblokade. Science 280: 2121-2126.
• Monaco JD, Abbott LF. 2011. Modulær tilpasning af entorhinal gittercelleaktivitet som grundlag for hippocampal omlægning. J Neurosci 31: 9414-9425.
• O'Keefe J, Speakman A. 1987. Enhedsaktivitet i rottehippocampus under en rumlig hukommelsesopgave. Exp Brain Res 68: 1 –27.
• Scoville WB, Milner B (1957). Tab af nyere hukommelse efter bilateral hippocampallesion. J Neurol Neurosurg Psychiatry 20: 11-21.