"Paikkasolut", jotain aivojemme GPS: n tapaan

Suunnittelu ja etsintä uusissa tai tuntemattomissa tiloissa on yksi kognitiivisista kyvyistä, joita käytämme useimmin. Käytämme sitä suuntautumiseen talossamme, naapurustossamme, mennä töihin.

Olemme myös riippuvaisia ​​siitä, kun matkustat kaupunkiin, joka on uusi ja tuntematon. Käytämme sitä myös ajon aikana, ja mahdollisesti lukija on joutunut huolimattoman suuntauksen tai kollegassa, joka on tuominnut hänet eksymään, pakotettu ajamaan autoa, kunnes hän löysi reitin riittävä.

Se ei ole suunnan, vaan hippokampuksen vika

Kaikki nämä ovat tilanteita, jotka yleensä turhauttavat meitä paljon ja johtavat meidät kiroamaan suuntautumistamme tai muiden suuntausta loukkaamalla, huutamalla ja erilaisella käyttäytymisellä. Hyvin, No, annan tänään siveltimen neurofysiologisista orientaatiomekanismeista, meidän Aivojen gps ymmärtää meitä.

Aloitamme olemalla erityisiä: emme saa kirota suuntausta, koska tämä on vain hermosolujen aktiivisuuden tulos tietyillä alueilla. Siksi aloitamme kiroamalla hippokampus.

Hippokampus aivorakenteena

Evoluutioisesti hippokampus on muinainen rakenne, se on osa archicortexia, eli niitä rakenteita, jotka ovat filogeneettisesti vanhempia lajissamme. Anatomisesti se on osa limbistä järjestelmää, josta löytyy myös muita rakenteita, kuten amygdala. Limbistä järjestelmää pidetään muistin, tunteiden, oppimisen ja motivaation morfologisena substraattina.

Lukija, mahdollisesti jos hän on tottunut psykologiaan, tietää, että hippokampus on välttämätön rakenne muistojen vakiinnuttamiseksi. julistavaa, toisin sanoen niiden muistojen kanssa, joilla on episodinen sisältö kokemuksistamme tai semanttisista (Nadel ja O'Keefe, 1972).

Todisteet tästä ovat runsaat tutkimukset, jotka koskevat suosittua ”HM-potilaan” tapausta, potilasta, joka oli poistanut molemmat ajalliset pallonpuoliskot. aiheuttavan tuhoisan anterogradisen amnesian, toisin sanoen, hän ei kyennyt muistaa uusia tosiasioita, vaikka hän säilytti suurimman osan muistoistaan ​​ennen operaatio. Niille, jotka haluavat syventyä tähän tapaukseen, suosittelen Scovillen ja Millnerin (1957) tutkimuksia, jotka tutkivat tyhjentävästi HM-potilasta.

Paikan solut: mitä ne ovat?

Toistaiseksi emme sano mitään uutta tai mitään yllättävää. Mutta se oli vuonna 1971, jolloin sattumalta löydettiin tosiasia, joka loi alun aivojen navigointijärjestelmien tutkimukselle. O'keefe ja John Dostrovski, käyttäen kallonsisäisiä elektrodeja, pystyivät tallentamaan spesifisten hippokampuksen hermosolujen aktiivisuuden rotilla. Tämä tarjosi mahdollisuuden, että eri käyttäytymistestejä suorittaessaan eläin oli hereillä, tajuissaan ja liikkui vapaasti.

He eivät odottaneet löytävänsä, että oli neuroneja, jotka reagoivat valikoivasti sen alueen perusteella, jolla rotta sijaitsi. Ei ole, että kussakin paikassa olisi ollut erityisiä hermosoluja (esimerkiksi kylpyhuoneellasi ei ole hermosoluja), mutta se havaittu CA1-soluissa (hippokampuksen tietty alue), jotka merkitsivät maamerkkejä, jotka voisivat sopeutua erilaisiin välilyöntejä.

Näitä soluja kutsuttiin sijoita solut. Siksi ei ole, että jokaisella tavallisella tilalla on paikan hermosolu, vaan pikemminkin ne ovat vertailupisteitä, jotka linkittävät sinut ympäristöön; näin muodostetaan egosentriset navigointijärjestelmät. Paikan neuronit muodostavat myös allokentrisiä navigointijärjestelmiä, jotka yhdistävät avaruuden elementit toisiinsa.

Synnynnäinen ohjelmointi vs kokemus

Tämä löytö hämmästytti monia neurotieteilijöitä, jotka pitivät hippokampusta sellaisena deklaratiivinen oppimisrakenne ja nyt he näkivät kuinka se pystyi koodaamaan tietoa tilaa. Tämä johti "kognitiivisen kartan" hypoteesiin, joka olettaa, että hippokampuksessa syntyisi edustus ympäristöstämme.

Sama kuin hän aivot Se on erinomainen karttageneraattori muille aistimoodeille, kuten visuaalisten, kuulo- ja somatosensoristen signaalien koodaukselle; Ei ole kohtuutonta ajatella hippokampusta rakenteena, joka tuottaa karttoja ympäristöstämme ja takaa suuntautumisen niihin.

Tutkimus on mennyt pidemmälle ja testannut tätä paradigmaa hyvin erilaisissa tilanteissa. On esimerkiksi nähty, että solut sijoittuvat sokkelotehtäviin, kun eläin tekee virheitä tai kun se on asennossa, jossa neuroni normaalisti laukaisisi (O'keefe ja Speakman, 1987). Tehtävissä, joissa eläimen on liikkuttava eri tilojen läpi, on nähty sijoittavan hermosolut riippuen siitä, mistä eläin tulee ja mihin se menee (Frank ym., 2000).

Kuinka spatiaaliset kartat muodostetaan

Toinen tämän alueen tutkimuksen tärkeimmistä painopisteistä on ollut näiden paikkakarttojen muodostuminen. Toisaalta voisimme ajatella, että paikkasolut perustavat toimintansa kokemuksen perusteella, jonka saamme milloin tutkimme ympäristöä tai saatamme ajatella, että se on aivopiirien taustalla oleva komponentti, synnynnäinen. Kysymys ei ole vielä selvä, ja voimme löytää empiirisiä todisteita, jotka tukevat molempia hypoteeseja.

Toisaalta Monacon ja Abbottin (2014) kokeet, jotka tallensivat suuren määrän sivustosolujen aktiivisuutta, ovat koska kun eläin sijoitetaan uuteen ympäristöön, kestää useita minuutteja, ennen kuin nämä solut alkavat ampua normaalia. Jotta, paikkakartat ilmaistaisiin jollain tavalla siitä hetkestä lähtien, kun eläin tulee uuteen ympäristöön, mutta kokemus muuttaisi näitä karttoja tulevaisuudessa.

Siksi voisimme ajatella, että aivojen plastisuudella on merkitys tilakarttojen muodostumisessa. Sitten, jos plastisuudella todella oli merkitystä, odotamme, että NMDA-reseptorille välitettävät hiiret välittäjäaine-glutamaatille - ts. jotka eivät ilmennä tätä reseptoria - eivät tuottaneet tilakarttoja, koska tällä reseptorilla on keskeinen rooli aivojen plastisuudessa ja oppiminen.

Plastiikalla on tärkeä rooli paikkakarttojen ylläpidossa

Näin ei kuitenkaan ole, ja on havaittu, että NMDA-reseptoriin siirtyvät hiiret tai farmakologisesti hoidetut hiiret Tämän reseptorin estämiseksi ne ilmaisevat samanlaisia ​​vastemalleja paikkasoluista uusissa tai tutuissa ympäristöissä. Tämä viittaa siihen, että tilakarttojen ilmentyminen on riippumatonta aivojen plastisuudesta (Kentrol et ai., 1998). Nämä tulokset tukevat hypoteesia, jonka mukaan navigointijärjestelmät ovat riippumattomia oppimisesta.

Kaikesta huolimatta logiikkaa käyttäen aivojen plastisuuden mekanismien on oltava selvästi välttämättömiä uusien karttojen muistin vakauden kannalta. Ja jos se ei olisi niin, mitä hyötyä kokemuksesta, jonka ihminen saa kävelemällä heidän kaupunkinsa kaduilla? Eikö meillä olisi aina tunne, että tulemme taloon ensimmäistä kertaa? Uskon, että kuten niin monissa muissakin tilanteissa, hypoteesit täydentävät toisiaan enemmän kuin miltä ne näyttävät, ja jotenkin näiden toimintojen synnynnäisestä toiminnasta huolimatta, plastisuudella on oltava merkitys näiden paikkakarttojen muistissa pitämisessä.

Verkko-, osoite- ja reunasolut

On melko abstrakteja puhua paikkasoluista ja mahdollisesti useampi kuin yksi lukija on yllättynyt siitä, että sama muistia tuottava aivojen alue palvelee niin sanotusti GPS: nä. Mutta emme ole vielä valmiita ja parasta on vielä tulossa. Käyristetään nyt kihara todella. Aluksi ajateltiin, että avaruusnavigointi riippuu yksinomaan hippokampuksesta, kun sen havaittiin Vierekkäiset rakenteet, kuten entorhinaalinen aivokuori, osoittivat hyvin heikkoa aktivoitumista avaruuden funktiona (Frank et ai. al., 2000).

Näissä tutkimuksissa aktiivisuus kirjattiin entorhinaalisen aivokuoren vatsa-alueille ja tutkimuksiin taka-alueet, selkäalueet kirjattiin, joilla on enemmän yhteyksiä hippokampukseen (Fyhn et al., 2004). Jotta monien tämän alueen solujen havaittiin palaavan sijainnin funktiona, samanlainen kuin hippokampus. Toistaiseksi ne ovat tuloksia, joiden odotettiin löytyvän, mutta kun he päättivät lisätä pinta-alaa, jonka he rekisteröisivät entorhinaaliseen aivokuoreen, heillä oli yllätys: Neuroniryhmissä, jotka aktivoitiin eläimen käyttämän tilan funktiona, oli ilmeisesti hiljaisia ​​alueita - toisin sanoen niitä ei aktivoitu. Kun aktivoituneet alueet olivat käytännössä liittyneet toisiinsa, havaittiin kuvioita kuusikulmioiden tai kolmioiden muodossa. He kutsuivat näitä entorhinaalisen aivokuoren neuroneja "verkkosoluiksi".

Löytämällä verkkosoluja nähtiin mahdollisuus ratkaista kysymys siitä, miten paikan solut muodostuvat. Koska soluilla on useita verkkosolujen yhteyksiä, ei ole kohtuutonta ajatella, että ne muodostuvat näistä. Jälleen kerran asiat eivät kuitenkaan ole niin suoraviivaisia, eikä kokeellinen näyttö ole vahvistanut tätä hypoteesia. Verkkosolujen muodostavia geometrisia kuvioita ei myöskään ole vielä tulkittu.

Navigointijärjestelmät eivät rajoitu hippokampukseen

Monimutkaisuus ei pääty tähän. Vielä vähemmän, kun on nähty, että navigointijärjestelmät eivät rajoitu hippokampukseen. Tämä on laajentanut tutkimuksen rajoja muille aivojen alueille ja löytänyt siten muita soluihin liittyviä solutyyppejä: suuntakennot ja reunakennot.

Suuntasolut koodaisivat suunnan, johon kohde liikkuu, ja sijaitsisi aivorungon selkäydmentaalisessa ytimessä. Reunasolut ovat toisaalta soluja, jotka lisäävät ampumisnopeuttaan kohteen muuttuessa lähestyä tietyn tilan rajoja ja voimme löytää ne avaruusalueen erityisalueelta hippokampus. Tarjoamme yksinkertaistetun esimerkin, jossa yritämme tiivistää kunkin solutyypin toiminnan:

Kuvittele, että olet talosi ruokasalissa ja haluat mennä keittiöön. Koska olet talosi ruokasalissa, sinulla on paikkakenno, joka syttyy niin kauan kuin pysyt siellä ruokasali, mutta koska haluat mennä keittiöön, sinulla on myös toinen aktivoitu paikkakenno, joka edustaa keittiö. Aktivointi on selvää, koska koti on tila, jonka tunnet täydellisesti ja aktivointi voidaan havaita sekä paikkasoluissa että verkon soluissa.

Aloita nyt kävely kohti keittiötä. Tulee joukko erityisiä osoitesoluja, jotka nyt käynnistyvät ja eivät muutu niin kauan kuin ylläpidät tiettyä osoitetta. Kuvittele nyt, että mennä keittiöön sinun on käänny oikealle ja ylitettävä kapea käytävä. Heti kun käännät, ohjaussolusi tietävät sen ja toinen joukko ohjaussoluja tallentaa suuntaan, jonka se on nyt ottanut käyttöön, ja edelliset sammuvat.

Kuvittele myös, että käytävä on kapea ja mikä tahansa väärä liike voi saada sinut törmäämään seinää vasten, joten rajasolusi lisäävät tulinopeuttaan. Mitä lähempänä käytävän seinää, sitä korkeampi ampumisnopeus sen reunakennoissa näkyy. Ajattele reunakennoja, kuten joidenkin uudempien autojen antureita, jotka antavat äänimerkin pysäköidessäsi. Rajasolut Ne toimivat samalla tavalla kuin nämä anturit, mitä lähempänä olet törmäämässä, sitä enemmän melua he aiheuttavat. Kun pääset keittiöön, paikkasolusi ovat osoittaneet sinulle, että se on saapunut tyydyttävästi, ja koska olet suurempi ympäristö, reunasi solut rentoutuvat.

Lopetetaan vaikeuttaa kaikkea

On utelias ajatella, että aivollamme on tapoja tietää asema. Mutta kysymys on edelleen: Kuinka voimme sovittaa deklaratiivisen muistin hippokampuksen paikkanavigointiin eli kuinka muistimme vaikuttavat näihin karttoihin? Vai voisiko olla, että muistomme muodostuivat näistä kartoista? Jotta voimme yrittää vastata tähän kysymykseen, on ajateltava hieman pidemmälle. Muut tutkimukset ovat osoittaneet, että samat avaruutta koodaavat solut, joista olemme jo puhuneet, koodaavat myös aikaa. Niinpä on puhuttu aikakennot (Eichenbaum, 2014), joka koodaisi käsityksen ajasta.

Yllättävä asia on siinä on yhä enemmän todisteita siitä, että paikan solut ovat samat kuin ajan solut. Sitten sama neuroni samojen sähköimpulssien kautta pystyy koodaamaan tilaa ja aikaa. Ajan ja avaruuden koodaamisen suhde samoihin toimintapotentiaaleihin ja niiden merkitys muistissa ovat edelleen mysteeri.

Lopuksi: henkilökohtainen mielipiteeni

Mielipiteeni siitä? Ottaen tutkijapuku, voin sanoa sen ihmisillä on taipumus ajatella helppoa vaihtoehtoa ja haluamme ajatella, että aivot puhuvat samaa kieltä kuin me. Ongelmana on, että aivot tarjoavat meille yksinkertaistetun version todellisuudesta, jonka se itse käsittelee. Tavallaan samanlainen kuin Platonin luolan varjot. Siten, aivan kuten kvanttifysiikassa, esteet murtuvat siitä, mitä ymmärrämme todellisuudeksi, neurotiede huomaamme, että aivoissa asiat eroavat havaitsemistamme maailmasta tietoisesti ja meillä on oltava hyvin avoin mieli siitä, että asioiden ei tarvitse olla sellaisia ​​kuin ne todellisuudessa ovat me havaitsemme heidät.

Ainoa asia, joka on minulle selvää, on jotain, jota Antonio Damasio käyttää toistamaan paljon kirjoissaan: aivot ovat hieno karttageneraattori. Ehkä aivot tulkitsevat aikaa ja tilaa samalla tavalla muodostaen muistikarttamme. Ja jos se näyttää sinulle kimeeriseltä, ajattele, että Einsten oli suhteellisuusteoriassaan yksi teorioista, joita hän postitoi, että aikaa ei voitu ymmärtää ilman tilaa, ja päinvastoin. Näiden mysteerien selvittäminen on epäilemättä haaste, varsinkin kun niitä on vaikea tutkia eläimillä.

Näihin kysymyksiin ei kuitenkaan pidä säästää vaivaa. Ensin uteliaisuudesta. Jos tutkimme maailmankaikkeuden laajenemista tai äskettäin tallennettuja gravitaatioaaltoja, miksei meidän pitäisi tutkia, miten aivomme tulkitsevat aikaa ja tilaa? Ja toiseksi monet niistä neurodegenaratiiviset patologiat kuten Alzheimerin tauti, heidän ensimmäiset oireet ovat ajallinen ja tilan vääristyminen. Tietäen tämän koodauksen neurofysiologiset mekanismit voisimme löytää uusia näkökohtia, jotka auttavat ymmärtää paremmin näiden tautien patologinen kulku ja kuka tietää, löytääkö uusia lääkekohteita vai ei farmakologinen.

Bibliografiset viitteet:

• Eichenbaum H. 2014. Aikasolut hippokampuksessa: uusi ulottuvuus muistien kartoittamiseen. Nature 15: 732-742
• Frank LM, ruskea EN, Wilson M. 2000. Reittikoodaus hippokampuksessa ja entorhinaalisessa aivokuoressa. Neuron 27: 169–178.
• Fyhn M, Molden S, Witter MP, Moser EI, Moser M-B. 2004. Spatiaalinen esitys entorhinaalisessa aivokuoressa. Science 305: 1258–1264
• Kentros C, Hargreaves E, Hawkins RD, Kandel ER, Shapiro M, Muller RV. 1998. Uusien hippokampuksen paikkasolukarttojen pitkäaikaisen vakauden poistaminen NMDA-reseptorisalalla. Science 280: 2121 - 2126.
• Monaco JD, Abbott LF. 2011. Entorhinaalisen ruudukon soluaktiviteetin modulaarinen uudelleenjärjestely hippokampuksen uudelleensuunnittelun perustana. J Neurosci 31: 9414–9425.
• O'Keefe J, Speakman A. 1987. Yhden yksikön aktiivisuus rotan hippokampuksessa paikkamuistitehtävän aikana. Exp Brain Res 68: 1–27.
• Scoville WB, Milner B (1957). Viimeaikaisen muistin menetys kahdenvälisen hippokampallionion jälkeen. J Neurol Neurosurg -psykiatria 20: 11–21.