'Sel tempat', sesuatu seperti GPS otak kita

Orientasi dan eksplorasi di ruang baru atau asing adalah salah satu fakultas kognitif yang paling sering kita gunakan. Kami menggunakannya untuk mengorientasikan diri di rumah kami, lingkungan kami, untuk pergi bekerja.

Kami juga bergantung padanya ketika kami bepergian ke kota baru dan asing. Kami menggunakannya bahkan saat mengemudi dan, mungkin, pembaca akan menjadi korban orientasi yang ceroboh atau dalam hal seorang rekan, yang akan menghukumnya karena tersesat, dipaksa untuk mengemudikan mobil sampai dia menemukan rute memadai.

Bukan salah orientasinya, ini salah hippocampusnya

Semua ini adalah situasi yang biasanya membuat kita frustrasi dan membuat kita mengutuk orientasi kita atau orang lain dengan hinaan, teriakan, dan berbagai perilaku. Baik, Nah, hari ini saya akan memberikan sapuan kuas pada mekanisme orientasi neurofisiologis, di kami GPS otak untuk memahami kita.

Kita akan mulai dengan menjadi spesifik: kita tidak boleh mengutuk orientasi karena ini hanya produk dari aktivitas saraf kita di wilayah tertentu. Karena itu, kita akan mulai dengan mengutuk hipokampus.

Hippocampus sebagai struktur otak

Secara evolusi, hippocampus adalah struktur kuno, itu adalah bagian dari archicortex, yaitu struktur yang secara filogenetik lebih tua pada spesies kita. Secara anatomis, itu adalah bagian dari sistem limbik, di mana struktur lain seperti amigdala juga ditemukan. Sistem Limbik dianggap sebagai substrat morfologis memori, emosi, pembelajaran, dan motivasi.

Pembaca, mungkin jika dia terbiasa dengan psikologi, akan tahu bahwa hipokampus adalah struktur yang diperlukan untuk konsolidasi ingatan. deklaratif, yaitu, dengan ingatan-ingatan dengan konten episodik tentang pengalaman atau semantik kita (Nadel dan O'Keefe, 1972).

Buktinya adalah banyak penelitian yang ada tentang kasus populer "pasien HM", seorang pasien yang kedua belahan temporalnya diangkat. menghasilkan amnesia anterograde yang menghancurkan, yaitu, dia tidak dapat mengingat fakta-fakta baru meskipun dia mempertahankan sebagian besar ingatannya dari sebelum operasi. Bagi mereka yang ingin menyelidiki kasus ini, saya merekomendasikan studi oleh Scoville dan Millner (1957), yang mempelajari pasien HM secara mendalam.

Sel Tempat: apa itu?

Sejauh ini kami tidak mengatakan sesuatu yang baru, atau sesuatu yang mengejutkan. Tetapi pada tahun 1971 ketika secara kebetulan sebuah fakta ditemukan yang menghasilkan awal dari studi tentang sistem navigasi di otak. O'keefe dan John Dostrovski, menggunakan elektroda intrakranial, mampu merekam aktivitas neuron hippocampal spesifik pada tikus. Ini menawarkan kemungkinan bahwa saat melakukan tes perilaku yang berbeda, hewan itu terjaga, sadar dan bergerak bebas.

Apa yang tidak mereka harapkan untuk ditemukan adalah bahwa ada neuron yang merespons secara selektif berdasarkan area di mana tikus itu berada. Bukannya ada neuron tertentu di setiap posisi (tidak ada neuron untuk kamar mandi Anda, misalnya), tapi itu diamati pada sel CA1 (wilayah tertentu dari hippocampus) yang menandai landmark yang dapat beradaptasi dengan spasi.

Sel-sel ini disebut tempat sel. Oleh karena itu, bukan berarti ada neuron tempat untuk setiap ruang tertentu yang sering Anda kunjungi, melainkan titik acuan yang menghubungkan Anda dengan lingkungan Anda; ini adalah bagaimana sistem navigasi egosentris terbentuk. Neuron tempat juga akan membentuk sistem navigasi alosentris yang akan menghubungkan elemen ruang satu sama lain.

Pemrograman bawaan vs pengalaman

Penemuan ini membingungkan banyak ahli saraf, yang memandang hipokampus sebagai: struktur pembelajaran deklaratif dan sekarang mereka melihat bagaimana itu dapat menyandikan informasi ruang. Ini memunculkan hipotesis "peta kognitif" yang akan mendalilkan bahwa representasi lingkungan kita akan dihasilkan di hippocampus.

Sama seperti dia otak itu adalah generator peta yang sangat baik untuk modalitas sensorik lainnya seperti pengkodean sinyal visual, pendengaran dan somatosensori; Tidak masuk akal untuk menganggap hippocampus sebagai struktur yang menghasilkan peta lingkungan kita dan yang menjamin orientasi kita di dalamnya..

Penelitian telah melangkah lebih jauh dan menguji paradigma ini dalam situasi yang sangat beragam. Telah terlihat, misalnya, yang menempatkan sel-sel dalam tugas-tugas labirin menyala ketika hewan itu membuat kesalahan atau ketika berada dalam posisi di mana neuron biasanya akan menyala (O'keefe dan Speakman, 1987). Dalam tugas-tugas di mana hewan harus bergerak melalui ruang yang berbeda, telah terlihat bahwa tempat neuron menyala tergantung dari mana hewan itu berasal dan ke mana ia pergi (Frank et al., 2000).

Bagaimana peta spasial terbentuk

Fokus utama lain dari minat penelitian di bidang ini adalah bagaimana peta spasial ini terbentuk. Di satu sisi, kita dapat berpikir bahwa sel tempat menetapkan fungsinya berdasarkan pengalaman yang kita terima ketika kita menjelajahi suatu lingkungan, atau kita mungkin berpikir bahwa itu adalah komponen yang mendasari sirkuit otak kita, yaitu, bawaan. Pertanyaannya belum jelas dan kita dapat menemukan bukti empiris yang mendukung kedua hipotesis tersebut.

Di satu sisi, percobaan Monaco dan Abbott (2014), yang mencatat aktivitas sejumlah besar sel situs, telah karena ketika seekor hewan ditempatkan di lingkungan baru, dibutuhkan beberapa menit bagi sel-sel ini untuk mulai menembak normal. Yang seperti itu, peta tempat akan diekspresikan, dalam beberapa cara, dari saat seekor hewan memasuki lingkungan baru, tetapi pengalaman akan membuat peta ini berubah di masa mendatang.

Oleh karena itu, kita dapat berpikir bahwa plastisitas otak berperan dalam pembentukan peta spasial. Kemudian, jika plastisitas benar-benar berperan, kita akan mengharapkan tikus knockout ke reseptor NMDA untuk neurotransmitter glutamat - yaitu, tikus yang tidak mengekspresikan reseptor ini - tidak menghasilkan peta spasial karena reseptor ini memainkan peran mendasar dalam plastisitas otak dan itu belajar.

Plastisitas memainkan peran penting dalam pemeliharaan peta spasial

Namun, ini tidak terjadi, dan telah terlihat bahwa tikus knockout ke reseptor NMDA atau tikus yang telah diobati secara farmakologis Untuk memblokir reseptor ini, mereka mengekspresikan pola respons yang serupa dari sel tempat di lingkungan baru atau yang sudah dikenal. Ini menunjukkan bahwa ekspresi peta spasial tidak tergantung pada plastisitas otak (Kentrol et al., 1998). Hasil ini akan mendukung hipotesis bahwa sistem navigasi tidak tergantung pada pembelajaran.

Terlepas dari segalanya, menggunakan logika, mekanisme plastisitas otak jelas diperlukan untuk stabilitas memori dari peta yang baru terbentuk. Dan, jika tidak seperti itu, apa gunanya pengalaman yang seseorang bentuk berdasarkan jalan-jalan di kota mereka? Bukankah kita selalu merasa bahwa ini adalah pertama kalinya kita memasuki rumah kita? Saya percaya bahwa, seperti pada banyak kesempatan lain, hipotesis lebih saling melengkapi daripada yang terlihat dan, entah bagaimana, terlepas dari fungsi bawaan dari fungsi-fungsi ini, plastisitas harus berperan dalam menjaga peta spasial ini dalam memori.

Sel bersih, alamat, dan tepi

Cukup abstrak untuk berbicara tentang sel tempat dan mungkin lebih dari satu pembaca terkejut bahwa area otak yang sama yang menghasilkan ingatan berfungsi, bisa dikatakan, sebagai GPS. Tapi kita belum selesai dan yang terbaik belum datang. Sekarang mari kita mengeriting ikal secara nyata. Pada awalnya, diperkirakan bahwa navigasi ruang angkasa akan bergantung secara eksklusif pada hipokampus ketika terlihat bahwa Struktur yang berdekatan seperti korteks entorhinal menunjukkan aktivasi yang sangat lemah sebagai fungsi ruang (Frank et al. al., 2000).

Namun, dalam penelitian ini, aktivitas dicatat di area ventral korteks entorhinal dan dalam penelitian daerah posterior, daerah punggung dicatat yang memiliki lebih banyak koneksi ke hipokampus (Fyhn et al., 2004). Yang seperti itu banyak sel di wilayah ini diamati menyala sebagai fungsi posisi, mirip dengan hippocampus. Sejauh ini, itu adalah hasil yang diharapkan ditemukan, tetapi ketika mereka memutuskan untuk meningkatkan area yang akan mereka daftarkan di korteks entorhinal, mereka mendapat kejutan: Di antara kelompok neuron yang diaktifkan sebagai fungsi dari ruang yang ditempati oleh hewan, tampaknya ada area yang sunyi - yaitu, mereka tidak diaktifkan. Ketika daerah yang menunjukkan aktivasi hampir bergabung, pola dalam bentuk segi enam atau segitiga diamati. Mereka menyebut neuron di korteks entorhinal ini sebagai "sel jaringan".

Dengan menemukan sel-sel jaringan, kemungkinan terlihat untuk memecahkan pertanyaan tentang bagaimana sel-sel tempat terbentuk. Karena sel memiliki banyak koneksi sel jaringan, tidak masuk akal untuk berpikir bahwa mereka terbentuk dari ini. Namun, sekali lagi, hal-hal tidak begitu mudah dan bukti eksperimental belum mengkonfirmasi hipotesis ini. Pola geometris yang membentuk sel jaringan juga belum diinterpretasikan.

Sistem navigasi tidak terbatas pada hippocampus

Kompleksitas tidak berakhir di sini. Apalagi jika sudah terlihat bahwa sistem navigasi tidak terbatas pada hippocampus. Ini telah memperluas batas penelitian ke area otak lainnya, sehingga menemukan jenis sel lain yang terkait dengan sel tempat: sel arah dan sel tepi.

Sel-sel arah akan mengkodekan arah di mana subjek bergerak dan akan ditempatkan di nukleus tegmental dorsal batang otak. Sel tepi, di sisi lain, adalah sel yang akan meningkatkan laju pembakarannya saat subjek menjadi mendekati batas-batas ruang tertentu dan kita dapat menemukannya di subikulum –wilayah tertentu dari hipokampus-. Kami akan menawarkan contoh sederhana di mana kami akan mencoba meringkas fungsi setiap jenis sel:

Bayangkan Anda berada di ruang makan rumah Anda dan Anda ingin pergi ke dapur. Karena Anda berada di ruang makan rumah Anda, Anda akan memiliki sel tempat yang akan menyala selama Anda tetap di dalam ruang makan, tetapi karena Anda ingin pergi ke dapur, Anda juga akan memiliki sel tempat aktif lain yang mewakili dapur. Aktivasi akan jelas karena rumah Anda adalah ruang yang Anda kenal dengan baik dan aktivasi dapat dideteksi baik di sel tempat maupun di sel jaringan.

Sekarang, mulailah berjalan menuju dapur. Akan ada sekelompok sel alamat tertentu yang sekarang akan diaktifkan dan tidak akan berubah selama Anda mempertahankan alamat tertentu. Sekarang, bayangkan untuk pergi ke dapur Anda harus berbelok ke kanan dan melewati lorong sempit. Saat Anda berbelok, sel kemudi Anda akan mengetahuinya dan satu set sel kemudi lainnya akan merekam arah yang telah diambil saat dihidupkan, dan yang sebelumnya akan dimatikan.

Bayangkan juga bahwa koridornya sempit dan setiap gerakan yang salah dapat menyebabkan Anda menabrak dinding, sehingga sel perbatasan Anda akan meningkatkan laju tembakannya. Semakin dekat Anda ke dinding koridor, semakin tinggi kecepatan tembak yang akan ditunjukkan sel tepinya. Pikirkan sel tepi seperti sensor yang dimiliki beberapa mobil baru yang memberikan sinyal suara saat Anda bermanuver untuk parkir. sel perbatasan Mereka bekerja mirip dengan sensor ini, semakin dekat Anda bertabrakan, semakin banyak suara yang dihasilkan. Ketika Anda sampai di dapur, sel-sel tempat Anda akan memberi tahu Anda bahwa itu telah tiba dengan memuaskan dan menjadi lingkungan yang lebih besar, sel-sel tepi Anda akan rileks.

Ayo selesaikan semuanya yang rumit

Sangat mengherankan untuk berpikir bahwa otak kita memiliki cara untuk mengetahui posisi kita. Tapi pertanyaannya tetap: Bagaimana kita mendamaikan memori deklaratif dengan navigasi spasial di hippocampus? Artinya, bagaimana ingatan kita memengaruhi peta ini? Atau mungkinkah ingatan kita terbentuk dari peta-peta ini? Untuk mencoba menjawab pertanyaan ini kita harus berpikir lebih jauh. Studi lain menunjukkan bahwa sel yang sama yang mengkodekan ruang, yang telah kita bicarakan, juga mengkodekan waktu. Jadi, telah ada pembicaraan tentang sel waktu (Eichenbaum, 2014) yang akan mengkodekan persepsi waktu.

Hal yang mengejutkan tentang kasus ini adalah ada semakin banyak bukti yang mendukung gagasan bahwa sel tempat sama dengan sel waktu. Kemudian, neuron yang sama melalui impuls listrik yang sama mampu mengkodekan ruang dan waktu. Hubungan pengkodean waktu dan ruang dalam potensial aksi yang sama dan pentingnya mereka dalam memori tetap menjadi misteri.

Kesimpulannya: pendapat pribadi saya

Pendapat saya tentang itu? Melepas gaun ilmuwanku, aku bisa mengatakan itu manusia cenderung memikirkan pilihan yang mudah dan kita suka berpikir bahwa otak berbicara dengan bahasa yang sama dengan kita. Masalahnya adalah bahwa otak menawarkan kepada kita versi realitas yang disederhanakan yang diprosesnya sendiri. Dengan cara yang mirip dengan bayangan di gua Plato. Jadi, seperti dalam fisika kuantum, hambatan terhadap apa yang kita pahami sebagai realitas diruntuhkan, dalam ilmu saraf kita menemukan bahwa di otak hal-hal berbeda dari dunia yang kita rasakan secara sadar dan kita harus memiliki pikiran yang sangat terbuka bahwa segala sesuatu tidak harus seperti apa adanya kita melihat mereka.

Satu-satunya hal yang jelas bagi saya adalah sesuatu yang sering diulang-ulang oleh Antonio Damasio dalam buku-bukunya: otak adalah pembuat peta yang hebat. Mungkin otak menginterpretasikan waktu dan ruang dengan cara yang sama untuk membentuk peta ingatan kita. Dan jika tampaknya chimerical bagi Anda, pikirkan bahwa Einstein dalam teori relativitasnya salah satu teori yang dia postulatkan adalah bahwa waktu tidak dapat dipahami tanpa ruang, dan sebaliknya. Tidak diragukan lagi mengungkap misteri ini adalah sebuah tantangan, terlebih lagi ketika mereka adalah aspek yang sulit untuk dipelajari pada hewan.

Namun, tidak ada upaya yang harus dilakukan untuk masalah ini. Pertama karena penasaran. Jika kita mempelajari perluasan alam semesta atau gelombang gravitasi yang baru-baru ini direkam, mengapa kita tidak mempelajari bagaimana otak kita menafsirkan waktu dan ruang? Dan kedua, banyak dari patologi neurodegeneratif seperti penyakit Alzheimer, gejala pertama mereka adalah disorientasi spatio-temporal. Mengetahui mekanisme neurofisiologis dari pengkodean ini, kami dapat menemukan aspek baru yang akan membantu untuk lebih memahami perjalanan patologis penyakit ini dan, siapa tahu, apakah akan menemukan target obat baru atau tidak farmakologis.

Referensi bibliografi:

• Eichenbaum H. 2014. Sel waktu di hipokampus: dimensi baru untuk memetakan ingatan. Alam 15: 732-742
• Frank LM, Brown EN, Wilson M. 2000. Pengkodean lintasan di hipokampus dan korteks entorhinal. Neuron 27: 169-178.
• Fyhn M, Molden S, Witter MP, Moser EI, Moser M-B. 2004. Representasi spasial di korteks entorhinal. Sains 305: 1258–1264
• Kentros C, Hargreaves E, Hawkins RD, Kandel ER, Shapiro M, Muller RV. 1998. Penghapusan stabilitas jangka panjang dari peta sel tempat hippocampal baru oleh blokade reseptor NMDA. Sains 280: 2121-2126.
• Monaco JD, Abbott LF. 2011. Penataan kembali aktivitas sel grid entorhinal sebagai dasar untuk pemetaan ulang hipokampus. J Neurosci 31: 9414-9425.
• O'Keefe J, Pembicara A. 1987. Aktivitas unit tunggal di hippocampus tikus selama tugas memori spasial. Exp Brain Res 68: 1 –27.
• Scoville WB, Milner B (1957). Kehilangan memori baru-baru ini setelah hippocampallesion bilateral. J Neurol Neurolsurg Psikiatri 20: 11-21.