Die 'Ortszellen', so etwas wie unser Gehirn-GPS

Orientierung und Erkundung in neuen oder unbekannten Räumen ist eine der kognitiven Fähigkeiten, die wir am häufigsten nutzen. Wir nutzen es, um uns in unserem Haus, unserer Nachbarschaft, zu orientieren, um zur Arbeit zu gehen.

Wir sind auch darauf angewiesen, wenn wir in eine für uns neue und unbekannte Stadt reisen. Wir verwenden es sogar beim Autofahren und möglicherweise ist der Leser das Opfer einer unachtsamen Orientierung oder in der eines Kollegen, der ihn zum Verirren verurteilt haben wird, der gezwungen wurde, mit dem Auto herumzufahren, bis er die Route gefunden hat angemessene.

Nicht die Orientierung ist schuld, sondern der Hippocampus

All dies sind Situationen, die uns normalerweise sehr frustrieren und die dazu führen, dass wir unsere Orientierung oder die anderer mit Beleidigungen, Geschrei und verschiedenen Verhaltensweisen verfluchen. Gut, Nun, heute gebe ich einen Pinselstrich über die neurophysiologischen Mechanismen der Orientierung, in unserer Gehirn GPS g uns zu verstehen.

Wir beginnen mit einer Konkretisierung: Wir dürfen die Orientierung nicht verfluchen, da diese nur ein Produkt unserer neuronalen Aktivität in bestimmten Regionen ist. Deshalb werden wir damit beginnen, unsere zu verfluchen Hippocampus.

Der Hippocampus als Gehirnstruktur

Evolutionär gesehen ist der Hippocampus eine uralte Struktur, er ist Teil des Archicortex, also jener Strukturen, die in unserer Spezies phylogenetisch älter sind. Anatomisch gehört es zum limbischen System, in dem auch andere Strukturen wie die Amygdala vorkommen. Das Limbische System gilt als morphologisches Substrat von Gedächtnis, Emotionen, Lernen und Motivation.

Der Leser wird, möglicherweise wenn er an Psychologie gewöhnt ist, wissen, dass der Hippocampus eine notwendige Struktur für die Konsolidierung von Erinnerungen ist. deklarativ, dh mit diesen Erinnerungen mit episodischem Inhalt über unsere Erfahrungen oder semantisch (Nadel und O'Keefe, 1972).

Ein Beweis dafür sind die zahlreichen Studien, die über den populären Fall des „HM-Patienten“ vorliegen, einem Patienten, dem beide Schläfenhemisphären entfernt wurden. eine verheerende anterograde Amnesie erzeugt, das heißt, er konnte sich keine neuen Fakten merken, obwohl er die meisten seiner Erinnerungen aus der Zeit vor der Operation. Für diejenigen, die sich mit diesem Fall befassen möchten, empfehle ich die Studien von Scoville und Millner (1957), die den HM-Patienten ausführlich untersucht haben.

Die Ortszellen: Was sind sie?

Bisher sagen wir nichts Neues oder Überraschendes. Aber 1971 wurde durch Zufall eine Tatsache entdeckt, die den Beginn der Erforschung von Navigationssystemen im Gehirn auslöste. O'keefe und John Dostrovski mit intrakraniellen Elektroden, konnten die Aktivität bestimmter Hippocampus-Neuronen bei Ratten aufzeichnen. Dies bot die Möglichkeit, dass das Tier während der Durchführung verschiedener Verhaltenstests wach, bei Bewusstsein war und sich frei bewegte.

Was sie nicht erwartet hatten zu entdecken, war, dass es Neuronen gab, die selektiv auf der Grundlage des Gebietes reagierten, in dem sich die Ratte befand. Es ist nicht so, dass es an jeder Position spezifische Neuronen gab (es gibt zum Beispiel kein Neuron für Ihr Badezimmer), aber das in CA1-Zellen (einer bestimmten Region des Hippocampus) beobachtet, die Orientierungspunkte markierten, die sich an verschiedene Räume.

Diese Zellen hießen Zellen platzieren. Daher gibt es nicht für jeden bestimmten Raum, den Sie besuchen, ein Neuron des Ortes, sondern es sind Bezugspunkte, die Sie mit Ihrer Umgebung in Verbindung bringen; So entstehen egozentrische Navigationssysteme. Die Neuronen des Ortes werden auch allozentrische Navigationssysteme bilden, die Raumelemente miteinander in Beziehung setzen.

Angeborene Programmierung vs. Erfahrung

Diese Entdeckung verwirrte viele Neurowissenschaftler, die den Hippocampus als eine deklarative Lernstruktur und jetzt sahen sie, wie sie Informationen kodieren konnte Platz. Daraus entstand die Hypothese der „kognitiven Landkarte“, die postuliert, dass im Hippocampus eine Repräsentation unserer Umwelt erzeugt wird.

Genauso wie er Gehirn es ist ein ausgezeichneter Kartengenerator für andere sensorische Modalitäten wie visuelle, auditive und somatosensorische Signalcodierung; Es ist nicht unvernünftig, sich den Hippocampus als eine Struktur vorzustellen, die Karten unserer Umwelt erzeugt und unsere Orientierung in ihnen garantiert.

Die Forschung ist weiter gegangen und hat dieses Paradigma in sehr unterschiedlichen Situationen getestet. Es wurde zum Beispiel beobachtet, dass Zellen in Labyrinthaufgaben feuern, wenn das Tier Fehler macht oder wenn es sich in einer Position befindet, in der das Neuron normalerweise feuern würde (O'keefe und Speakman, 1987). Bei Aufgaben, bei denen sich das Tier durch verschiedene Räume bewegen muss, hat sich gezeigt, dass Neuronen in Abhängigkeit davon feuern, woher das Tier kommt und wohin es geht (Frank et al., 2000).

Wie räumliche Karten entstehen

Ein weiterer Schwerpunkt des Forschungsinteresses in diesem Bereich war die Entstehung dieser räumlichen Karten. Einerseits könnten wir uns vorstellen, dass Ortszellen ihre Funktion auf der Grundlage der Erfahrung aufbauen, die wir erhalten, wenn Wir erforschen eine Umgebung, oder wir denken vielleicht, dass sie eine zugrunde liegende Komponente unserer Gehirnschaltkreise ist, d.h. angeboren. Die Frage ist noch nicht klar und wir können empirische Beweise finden, die beide Hypothesen stützen.

Einerseits haben die Experimente von Monaco und Abbott (2014), die die Aktivität einer Vielzahl von Standortzellen erfassten, Denn wenn ein Tier in eine neue Umgebung gebracht wird, dauert es mehrere Minuten, bis diese Zellen mit dem Feuern beginnen normal. So dass, Ortskarten würden in gewisser Weise ausgedrückt, sobald ein Tier eine neue Umgebung betritt, aber die Erfahrung würde diese Karten in Zukunft ändern.

Daher könnten wir denken, dass die Plastizität des Gehirns eine Rolle bei der Bildung von räumlichen Karten spielt. Wenn Plastizität tatsächlich eine Rolle spielen würde, würden wir erwarten, dass Knockout-Mäuse den NMDA-Rezeptor für den Neurotransmitter Glutamat ausschalten – also Mäuse die diesen Rezeptor nicht exprimieren - erzeugten keine räumlichen Karten, da dieser Rezeptor eine grundlegende Rolle bei der Plastizität des Gehirns spielt und das Lernen.

Plastizität spielt eine wichtige Rolle bei der Pflege von Raumkarten

Dies ist jedoch nicht der Fall, und es wurde beobachtet, dass Mäuse, die pharmakologisch behandelt wurden, Knockouts an den NMDA-Rezeptor haben Um diesen Rezeptor zu blockieren, exprimieren sie ähnliche Reaktionsmuster von Ortszellen in neuen oder vertrauten Umgebungen. Dies legt nahe, dass die Expression räumlicher Karten unabhängig von der Plastizität des Gehirns ist (Kentrol et al., 1998). Diese Ergebnisse würden die Hypothese stützen, dass Navigationssysteme lernunabhängig sind.

Trotz allem müssen logischerweise die Mechanismen der Gehirnplastizität für die Gedächtnisstabilität der neu gebildeten Karten eindeutig notwendig sein. Und wenn es nicht so wäre, was nützt die Erfahrung, die man macht, wenn man durch die Straßen ihrer Stadt geht? Hätten wir nicht immer das Gefühl, dass wir zum ersten Mal unser Haus betreten? Ich glaube, dass die Hypothesen, wie bei so vielen anderen Gelegenheiten, komplementärer sind, als es den Anschein hat, und trotz eines angeborenen Funktionierens dieser Funktionen irgendwie Plastizität muss eine Rolle spielen, um diese räumlichen Karten im Gedächtnis zu behalten.

Netz-, Adress- und Randzellen

Es ist ziemlich abstrakt, über Ortszellen zu sprechen, und möglicherweise war mehr als ein Leser überrascht, dass derselbe Gehirnbereich, der Erinnerungen generiert, sozusagen als GPS dient. Aber wir sind noch nicht fertig und das Beste kommt noch. Lassen Sie uns die Locke nun wirklich kräuseln. Zuerst dachte man, dass die Weltraumnavigation ausschließlich vom Hippocampus abhängen würde, als sich herausstellte, dass Angrenzende Strukturen wie der entorhinale Kortex zeigten eine sehr schwache Aktivierung als Funktion des Raums (Frank et al. al., 2000).

In diesen Studien wurde jedoch Aktivität in ventralen Bereichen des entorhinalen Kortex und in Studien aufgezeichnet posteriore Bereiche wurden dorsale Bereiche erfasst, die eine größere Anzahl von Verbindungen zum Hippocampus aufweisen (Fyhn et al., 2004). So dass Es wurde beobachtet, dass viele Zellen in dieser Region in Abhängigkeit von der Position feuerten, ähnlich wie im Hippocampus. Bisher waren dies Ergebnisse, von denen erwartet wurde, dass sie gefunden werden, aber als sie beschlossen, den Bereich zu vergrößern, den sie im entorhinalen Kortex registrieren würden, erlebten sie eine Überraschung: Unter den Gruppen von Neuronen, die in Abhängigkeit von dem vom Tier eingenommenen Raum aktiviert wurden, gab es scheinbar stille Bereiche – das heißt, sie waren nicht aktiviert. Wenn die Regionen, die eine Aktivierung zeigten, virtuell verbunden wurden, wurden Muster in Form von Sechsecken oder Dreiecken beobachtet. Sie nannten diese Neuronen im entorhinalen Kortex "Netzwerkzellen".

Bei der Entdeckung der Netzwerkzellen wurde eine Möglichkeit gesehen, die Frage nach der Bildung von Ortszellen zu lösen. Da Zellen über zahlreiche Verbindungen von Netzzellen verfügen, ist es nicht unvernünftig anzunehmen, dass sie aus diesen gebildet werden. Aber auch hier liegen die Dinge nicht so einfach und experimentelle Beweise haben diese Hypothese nicht bestätigt. Die geometrischen Muster, die die Netzwerkzellen bilden, wurden noch nicht interpretiert.

Navigationssysteme sind nicht auf den Hippocampus beschränkt

Die Komplexität endet hier nicht. Noch weniger, wenn man sieht, dass Navigationssysteme nicht auf den Hippocampus beschränkt sind. Dies hat die Grenzen der Forschung auf andere Hirnareale erweitert und so andere Zelltypen entdeckt, die mit Ortszellen verwandt sind: Richtungszellen und Randzellen.

Steuerzellen würden die Bewegungsrichtung des Subjekts kodieren und würden sich im dorsalen tegmentalen Kern des Hirnstamms befinden. Edge-Zellen hingegen sind Zellen, die ihre Feuerrate erhöhen würden, wenn das Subjekt wird nähern sich den Grenzen eines gegebenen Raums und wir können sie im Subiculum finden - spezifischer Bereich des Hippocampus-. Wir werden ein vereinfachtes Beispiel anbieten, in dem wir versuchen, die Funktion jedes Zelltyps zusammenzufassen:

Stellen Sie sich vor, Sie befinden sich im Esszimmer Ihres Hauses und möchten in die Küche gehen. Da Sie sich im Esszimmer Ihres Hauses befinden, haben Sie eine Platzzelle, die feuert, solange Sie im Esszimmer, aber da Sie in die Küche gehen möchten, haben Sie auch eine weitere aktivierte Platzzelle, die das Küche. Die Aktivierung wird klar sein, da Ihr Zuhause ein Raum ist, den Sie genau kennen und die Aktivierung sowohl in den Ortszellen als auch in den Netzwerkzellen erkannt werden kann.

Gehen Sie nun in Richtung Küche. Es wird eine Gruppe bestimmter Adresszellen geben, die jetzt ausgelöst werden und sich nicht ändern, solange Sie eine bestimmte Adresse beibehalten. Stellen Sie sich nun vor, dass Sie, um in die Küche zu gelangen, nach rechts abbiegen und einen schmalen Flur überqueren müssen. In dem Moment, in dem Sie abbiegen, wissen es Ihre Lenkzellen und ein anderer Satz von Lenkzellen zeichnet die Richtung auf, in die er jetzt aktiviert wird, und die vorherigen werden deaktiviert.

Stellen Sie sich auch vor, dass der Korridor eng ist und jede falsche Bewegung dazu führen kann, dass Sie gegen die Wand stoßen, sodass Ihre Randzellen ihre Feuerrate erhöhen. Je näher Sie der Korridorwand kommen, desto höher ist die Feuerrate der Randzellen. Stellen Sie sich Edge-Zellen als die Sensoren vor, die einige neuere Autos haben, die ein hörbares Signal geben, wenn Sie zum Parken manövrieren. Grenzzellen Sie funktionieren ähnlich wie diese Sensoren, je näher Sie an einer Kollision sind, desto mehr Lärm machen sie. Wenn Sie in die Küche kommen, werden Ihre Raumzellen Ihnen angezeigt haben, dass sie zufriedenstellend angekommen sind und da es sich um eine größere Umgebung handelt, werden sich Ihre Randzellen entspannen.

Lass uns alles komplizieren

Es ist merkwürdig zu denken, dass unser Gehirn Möglichkeiten hat, unsere Position zu kennen. Aber eine Frage bleibt: Wie bringen wir das deklarative Gedächtnis mit der räumlichen Navigation im Hippocampus in Einklang, das heißt, wie beeinflusst unser Gedächtnis diese Karten? Oder könnte es sein, dass unsere Erinnerungen aus diesen Karten entstanden sind? Um zu versuchen, diese Frage zu beantworten, müssen wir ein wenig weiterdenken. Andere Studien haben gezeigt, dass die gleichen Zellen, die den Raum kodieren, von denen wir bereits gesprochen haben, auch die Zeit kodieren. So war die Rede von Zeitzellen (Eichenbaum, 2014), die die Wahrnehmung von Zeit kodieren würden.

Das Überraschende an dem Fall ist, dass Es gibt immer mehr Beweise für die Idee, dass Zellen des Ortes dasselbe sind wie Zellen der Zeit. Dann ist dasselbe Neuron durch dieselben elektrischen Impulse in der Lage, Raum und Zeit zu kodieren. Die Beziehung der Kodierung von Zeit und Raum in denselben Aktionspotentialen und ihre Bedeutung für das Gedächtnis bleiben ein Rätsel.

Fazit: meine persönliche Meinung

Meine Meinung dazu? Ich ziehe mein Wissenschaftlerkleid aus, das kann ich sagen Menschen neigen dazu, an die einfache Option zu denken und wir denken gerne, dass das Gehirn die gleiche Sprache spricht wie wir. Das Problem ist, dass das Gehirn uns eine vereinfachte Version der Realität bietet, die es selbst verarbeitet. Ähnlich wie die Schatten in Platons Höhle. Somit werden, wie in der Quantenphysik, Barrieren zu dem, was wir als Realität verstehen, abgebaut Neurowissenschaften Wir entdecken, dass sich im Gehirn die Dinge von der Welt unterscheiden, die wir wahrnehmen bewusst und wir müssen sehr aufgeschlossen sein, dass die Dinge nicht so sein müssen, wie sie wirklich sind wir nehmen sie wahr.

Klar ist mir nur etwas, was Antonio Damasio in seinen Büchern oft wiederholt: Das Gehirn ist ein großartiger Kartengenerator. Vielleicht interpretiert das Gehirn Zeit und Raum auf die gleiche Weise, um Karten unserer Erinnerungen zu erstellen. Und wenn es Ihnen chimär erscheint, denken Sie, dass Einsten in seiner Relativitätstheorie eine der von ihm postulierten Theorien war, dass Zeit ohne Raum nicht verstanden werden kann und umgekehrt. Zweifellos ist es eine Herausforderung, diese Geheimnisse zu enträtseln, umso mehr, wenn es sich um schwierige Aspekte handelt, die an Tieren untersucht werden können.

Bei diesen Fragen sollten jedoch keine Mühen gescheut werden. Zuerst aus Neugier. Wenn wir die Expansion des Universums oder die kürzlich aufgezeichneten Gravitationswellen untersuchen, warum sollten wir dann nicht untersuchen, wie unser Gehirn Zeit und Raum interpretiert? Und zweitens viele der of neurodegenerative Pathologien wie bei der Alzheimer-Krankheit sind ihre ersten Symptome raum-zeitliche Desorientierung. Wenn wir die neurophysiologischen Mechanismen dieser Kodierung kennen, könnten wir neue Aspekte entdecken, die dabei helfen werden, den pathologischen Verlauf dieser Erkrankungen besser verstehen und, wer weiß, ob neue Wirkstoffziele entdeckt werden sollen oder nicht pharmakologisch.

Bibliographische Referenzen:

• Eichenbaum H. 2014. Zeitzellen im Hippocampus: eine neue Dimension für die Kartierung von Erinnerungen. Natur 15: 732-742
• Frank LM, Brown EN, Wilson M. 2000. Trajektorienkodierung im Hippocampus und entorhinalen Kortex. Neuron 27: 169–178.
• Fyhn M, Molden S, Witter MP, Moser EI, Moser M-B. 2004. Räumliche Darstellung im entorhinalen Kortex. Wissenschaft 305: 1258–1264
• Kentros C, Hargreaves E, Hawkins RD, Kandel ER, Shapiro M, Muller RV. 1998. Aufhebung der Langzeitstabilität neuer Hippocampus-Ortszellkarten durch NMDA-Rezeptorblockade. Wissenschaft 280: 2121-2126.
• Monaco JD, Abbott LF. 2011. Modulare Neuausrichtung der entorhinalen Gitterzellaktivität als Grundlage für das Hippocampus-Remapping. J Neurosci 31: 9414–9425.
• O'Keefe J, Sprecher A. 1987. Einzelaktivität im Hippocampus der Ratte während einer räumlichen Gedächtnisaufgabe. Exp Brain Res 68: 1 –27.
• Scoville WB, Milner B (1957). Verlust des Gedächtnisses nach bilateraler Hippocampallesion. J Neurol Neurosurg Psychiatrie 20: 11–21.