'תאי המקום', משהו כמו ה- GPS המוחי שלנו

התמצאות וחקירה במרחבים חדשים או לא מוכרים היא אחת מהפקולטות הקוגניטיביות בהן אנו משתמשים לרוב. אנו משתמשים בו בכדי להתמצא בביתנו, בשכונה שלנו, ללכת לעבודה.

אנו תלויים בכך גם כשאנחנו נוסעים לעיר חדשה ולא מוכרת. אנו משתמשים בו גם בנהיגה, ואולי הקורא יהיה קורבן של אוריינטציה רשלנית או בזה של עמית, אשר יגנה אותו ללכת לאיבוד, נאלץ להסיע את המכונית עד שמצא את המסלול נאות.

זו לא אשמת האוריינטציה, אלא אשמת ההיפוקמפוס

כל אלה הם מצבים שבדרך כלל מתסכלים אותנו מאוד ומובילים אותנו לקלל את האוריינטציה שלנו או של אחרים עם עלבונות, צעקות והתנהגויות שונות. נו, ובכן, היום אתן מכחול על מנגנוני ההתמצאות הנוירופיזיולוגיים, בשלנו GPS מוחי להבין אותנו.

נתחיל מלהיות ספציפיים: אסור לנו לקלל אוריינטציה מכיוון שזה רק תוצר של הפעילות העצבית שלנו באזורים ספציפיים. לכן, נתחיל בקללת שלנו היפוקמפוס.

ההיפוקמפוס כמבנה מוח

מבחינה אבולוציונית, ההיפוקמפוס הוא מבנה קדום, הוא חלק מהארכיקורטקס, כלומר, אותם מבנים שהם מבוגרים פילוגנטית במין שלנו. מבחינה אנטומית, זהו חלק מהמערכת הלימבית, בה נמצאים גם מבנים אחרים כמו האמיגדלה. המערכת הלימבית נחשבת למצע המורפולוגי של זיכרון, רגשות, למידה ומוטיבציה.

הקורא, אולי אם הוא רגיל לפסיכולוגיה, יידע שההיפוקמפוס הוא מבנה הכרחי לאיחוד הזיכרונות. הצהרתית, כלומר עם אותם זיכרונות עם תוכן אפיזודי על חוויותינו או סמנטיות (נאדל ואוקיף, 1972).

ההוכחה לכך הם המחקרים הרבים שקיימים אודות המקרה הפופולרי של "חולה HM", חולה שהסירו את שתי ההמיספרות הזמניות. לייצר אמנזיה אנטרוגרדית הרסנית, כלומר הוא לא יכול היה לשנן עובדות חדשות אם כי שמר על רוב זיכרונותיו מלפני מבצע. למי שרוצה להעמיק במקרה זה, אני ממליץ על מחקריהם של סקוביל ומילנר (1957), שחקרו באופן ממצה את חולה HM.

תאי המקום: מה הם?

עד כה איננו אומרים שום דבר חדש, או שום דבר מפתיע. אך זה היה בשנת 1971 כאשר במקרה התגלתה עובדה שיצרה את תחילת המחקר של מערכות ניווט במוח. אוקיף וג'ון דוסטרובסקי, באמצעות אלקטרודות תוך גולגולתיות, הצליחו לתעד את הפעילות של נוירונים בהיפוקמפוס ספציפיים בחולדות. זה הציע את האפשרות שבעת ביצוע בדיקות התנהגות שונות, החיה הייתה ערה, בהכרה ונע בחופשיות.

מה שהם לא ציפו לגלות היה שיש נוירונים שהגיבו באופן סלקטיבי בהתבסס על האזור בו נמצאה החולדה. זה לא שהיו נוירונים ספציפיים בכל מיקום (למשל, אין נוירון לשירותים שלך), אלא זה נצפה ב- CA1 (אזור מסוים של ההיפוקמפוס) תאים שסימנו ציוני דרך שיכולים להסתגל לשונה רווחים.

התאים האלה נקראו מקום תאים. לכן, לא קיים נוירון של מקום לכל מרחב ספציפי שאתה פוקד, אלא הם נקודות התייחסות המתייחסות לסביבתך; כך נוצרות מערכות ניווט אגוצנטריות. נוירונים המקום יהוו גם מערכות ניווט אלקנטריות שיקשרו אלמנטים של מרחב זה לזה.

תכנות מולדת לעומת ניסיון

תגלית זו תמהה מדעני מוח רבים, שראו בהיפוקמפוס מבנה למידה הצהרתי ועכשיו הם ראו איך הוא מסוגל לקודד מידע מֶרחָב. זה הוליד את ההשערה של "המפה הקוגניטיבית" שתניח כי ייווצר ייצוג של הסביבה שלנו בהיפוקמפוס.

אותו דבר כמוהו מוֹחַ זהו מחולל מפות מצוין עבור שיטות חושיות אחרות כגון קידוד אותות חזותי, שמיעתי וסומטו-סנסורי לא בלתי סביר לחשוב על ההיפוקמפוס כמבנה שמייצר מפות של הסביבה שלנו ומבטיח את ההתמצאות שלנו בהם..

המחקר הרחיק לכת ובחן את הפרדיגמה הזו במצבים מגוונים מאוד. נראה, למשל, שממקמים תאים במשימות מבוך כאשר החיה עושה טעויות או כאשר הוא נמצא במצב בו הנוירון יורה בדרך כלל (אוקיף ודיבר, 1987). במשימות בהן על החיה לנוע במרחבים שונים, נראה שמציבים נוירונים באש תלוי מאיפה מגיע החיה ולאן היא הולכת (Frank et al., 2000).

כיצד נוצרות מפות מרחביות

אחד ממוקדי העניין העיקריים של המחקר בתחום זה היה כיצד נוצרות מפות מרחביות אלה. מצד אחד, אנו יכולים לחשוב שתאי מקום קובעים את תפקידם על סמך החוויה שאנו מקבלים מתי אנו חוקרים סביבה, או אולי אנו חושבים שהיא מרכיב בסיסי במעגלי המוח שלנו, כלומר מוּטבָּע. השאלה עדיין לא ברורה ונוכל למצוא עדויות אמפיריות התומכות בשתי ההשערות.

מצד אחד, בניסויים של מונאקו ואבוט (2014), שתיעדו את פעילותם של מספר רב של תאי אתר, יש מכיוון שכאשר חיה ממוקמת בסביבה חדשה, לוקח לתאים אלה מספר דקות להתחיל לירות איתה נוֹרמָלִי. אז זה, מפות מקום יבואו לידי ביטוי, באופן כלשהו, ​​מהרגע בו בעל חיים נכנס לסביבה חדשה, אך הניסיון ישנה את המפות הללו בעתיד.

לכן, היינו יכולים לחשוב כי פלסטיות מוחית ממלאת תפקיד ביצירת מפות מרחביות. ואז, אם הפלסטיות אכן מילאה תפקיד היינו מצפים מעכברי נוקאאוט לדפוק את קולטן ה- NMDA עבור הנוירוטרנסמיטר גלוטמט - כלומר עכברים שאינם מבטאים קולטן זה - לא יצרו מפות מרחביות משום שקולטן זה ממלא תפקיד מהותי בפלסטיות המוחית ה לְמִידָה.

לפלסטיות תפקיד חשוב בתחזוקת מפות מרחביות

עם זאת, זה לא המקרה, ונראה כי עכברי נוקאאוט לקולטן NMDA או עכברים שטופלו תרופתית כדי לחסום קולטן זה, הם מבטאים דפוסי תגובה דומים של תאי מקום בסביבות חדשות או מוכרות. זה מצביע על כך שהביטוי של מפות מרחביות אינו תלוי בפלסטיות המוחית (Kentrol et al., 1998). תוצאות אלו יתמכו בהשערה שמערכות ניווט אינן תלויות בלמידה.

למרות הכל, תוך שימוש בהיגיון, מנגנוני הפלסטיות במוח חייבים להיות נחוצים בבירור ליציבות הזיכרון של המפות החדשות שנוצרו. ואם זה לא היה מה, איזו תועלת תהיה החוויה שנוצרת בהתבסס על הליכה ברחובות עירם? האם לא תמיד הייתה לנו הרגשה שזו הפעם הראשונה שאנחנו נכנסים לבית שלנו? אני מאמין שכמו בכל כך הרבה הזדמנויות אחרות, ההשערות משלימות יותר ממה שנדמה, ואיכשהו, למרות תפקוד מולד של פונקציות אלה, הפלסטיות צריכה למלא תפקיד בשמירת המפות המרחביות הללו בזיכרון.

תאי רשת, כתובת וקצה

זה די מופשט לדבר על תאים במקום ואולי יותר מקורא אחד הופתעו שאותו אזור מוחי שמייצר זיכרונות משמש, כביכול, כ- GPS. אבל אנחנו לא סיימנו והטוב ביותר שעוד יבוא. עכשיו בואו נסלסל את התלתל אמיתי. בהתחלה חשבו שניווט בחלל יהיה תלוי אך ורק בהיפוקמפוס כשרואים זאת מבנים סמוכים כמו קליפת המוח התוך-רחמית הראו הפעלה חלשה מאוד כפונקציה של החלל (Frank et al. al., 2000).

עם זאת, במחקרים אלה נרשמה פעילות באזורי הגחון של קליפת המוח התוך המוחית ובמחקרים אזורים אחוריים, אזורי גב נותרו בעלי מספר רב יותר של קשרים להיפוקמפוס (Fyhn et. al., 2004). אז זה נצפה כי תאים רבים באזור זה יורים כפונקציה של מיקום, בדומה להיפוקמפוס. עד כה, מדובר בתוצאות שצפויות להימצא, אך כשהחליטו להגדיל את השטח שיירשמו בקליפת המוח התוך-רחמית הייתה להם הפתעה: בין קבוצות הנוירונים שהופעלו כפונקציה של החלל שנכבש על ידי החיה, היו ככל הנראה אזורים שקטים - כלומר, הם לא היו מוּפעָל. כאשר הצטרפו למעשה האזורים שהראו הפעלה, נצפו דפוסים בצורת משושים או משולשים. הם כינו את הנוירונים הללו בקליפת המוח התוך-רחמית "תאי רשת".

על ידי גילוי תאי רשת נראתה אפשרות לפתור את השאלה כיצד נוצרים תאים של מקום. מכיוון שלתאים יש חיבורים רבים של תאי רשת, אין זה בלתי סביר לחשוב שהם נוצרים מאלה. עם זאת, שוב, הדברים אינם כה פשוטים וראיות ניסיוניות לא אישרו השערה זו. הדפוסים הגיאומטריים היוצרים את תאי הרשת טרם פורשו.

מערכות ניווט אינן מוגבלות להיפוקמפוס

המורכבות לא מסתיימת כאן. עוד פחות כאשר נראה כי מערכות הניווט אינן מוגבלות להיפוקמפוס. זה הרחיב את גבולות המחקר לאזורי מוח אחרים, וכך התגלה סוגים אחרים של תאים הקשורים לתאי מקום: תאי כיוון ותאי קצה.

תאי כיוון יקודדו את כיוון הנבדק נע וימוקמו בגרעין הטגמנטלי הגבי של גזע המוח. תאי קצה, לעומת זאת, הם תאים שיגדילו את קצב הירי שלהם ככל שהנושא הופך להתקרב לגבולות המרחב הנתון ונוכל למצוא אותם בתת-התוכנית - האזור הספציפי של השטח היפוקמפוס-. אנו הולכים להציע דוגמה פשוטה בה ננסה לסכם את הפונקציה של כל סוג של תא:

דמיין שאתה נמצא בחדר האוכל של הבית שלך ואתה רוצה ללכת למטבח. מכיוון שאתה נמצא בחדר האוכל של ביתך, יהיה לך תא מקום שיורה כל עוד תישאר בבית חדר אוכל, אך מכיוון שתרצו ללכת למטבח יהיה לכם גם תא מקום נוסף שמייצג את ה- מִטְבָּח. ההפעלה תהיה ברורה מכיוון שביתך הוא מרחב שאתה מכיר היטב וניתן לזהות את ההפעלה בתאי המקום ובתאי הרשת.

עכשיו, התחל ללכת לכיוון המטבח. תהיה קבוצה של תאי כתובת ספציפיים שכעת יופעלו ולא ישתנו כל עוד תשמר על כתובת ספציפית. עכשיו, דמיין שכדי ללכת למטבח צריך לפנות ימינה ולחצות מסדרון צר. ברגע שאתה מסתובב, תאי ההיגוי שלך יידעו זאת וסט אחר של תאי היגוי יתעד את הכיוון שלקח כעת והפעלתו, והקודמים יכבו.

תאר לעצמך גם שהמסדרון צר וכל תנועה שגויה עלולה לגרום לך להתרסק על הקיר, כך שתאי הגבול שלך יגדילו את קצב האש שלהם. ככל שמתקרבים לדופן המסדרון, כך קצב הירי גבוה יותר שתאי הקצה יראו. חשוב על תאי קצה כמו חיישנים שיש למכוניות חדשות יותר שנותנים אות נשמע כשאתה מתמרן לחנות. תאי גבול הם פועלים בדומה לחיישנים אלה, ככל שאתה קרוב יותר להתנגשות כך הם מרעישים יותר. כשתגיע למטבח, תאי המקום שלך יצביעו בפניך שהוא הגיע בצורה מספקת והיותו סביבה גדולה יותר, תאי הקצה שלך יירגעו.

בוא נסיים לסבך הכל

סקרן לחשוב שלמוח שלנו יש דרכים לדעת את עמדתנו. אך נותרה שאלה: כיצד נשלב בין זיכרון הצהרתי לבין ניווט מרחבי בהיפוקמפוס, כלומר כיצד זיכרונותינו משפיעים על מפות אלה? או שיכול להיות שהזיכרונות שלנו נוצרו מהמפות האלה? כדי לנסות לענות על שאלה זו עלינו לחשוב קצת יותר רחוק. מחקרים אחרים הצביעו על כך שאותם תאים המקודדים חלל, שכבר דיברנו עליהם, מקודדים גם את הזמן. לפיכך, היו דיבורים על תאי זמן (אייכנבאום, 2014) אשר יקודד את תפיסת הזמן.

הדבר המפתיע במקרה הוא זה יש יותר ויותר עדויות התומכות ברעיון שתאי המקום זהים לתאי הזמן. ואז, אותו נוירון דרך אותם דחפים חשמליים מסוגל לקודד מקום וזמן. מערכת היחסים בין קידוד הזמן והמרחב באותם פוטנציאל פעולה וחשיבותם בזיכרון נותרים בגדר תעלומה.

לסיכום: דעתי האישית

דעתי לגבי זה? מוריד את שמלת המדען שלי, אני יכול לומר את זה בני אדם נוטים לחשוב על האופציה הקלה ואנחנו אוהבים לחשוב שהמוח מדבר באותה שפה כמונו. הבעיה היא שהמוח מציע לנו גרסה פשוטה יותר של המציאות שהוא מעבד את עצמו. באופן הדומה לצללים במערת אפלטון. לפיכך, בדיוק כמו בפיזיקה קוונטית, מחסומים למה שאנחנו מבינים כמציאות מפורקים, בתוך מדעי המוח אנו מגלים שבמוח הדברים שונים מהעולם שאנו תופסים במודע ועלינו להיות בראש פתוח מאוד שדברים לא חייבים להיות כפי שהם באמת אנו תופסים אותם.

הדבר היחיד שברור לי הוא משהו שאנטוניו דמסיו משתמש בו כדי לחזור עליו רבות בספריו: המוח הוא מחולל מפות נהדר. אולי המוח מפרש זמן ומרחב באותה צורה ויוצרים מפות של זיכרונותינו. ואם זה נראה לך כימרי, תחשוב שאיינסטן בתורת היחסות שלו אחת התיאוריות שהוא הניח הייתה שלא ניתן היה להבין את הזמן ללא מקום, ולהיפך. ללא ספק פרום התעלומות הללו הוא אתגר, ביתר שאת כאשר היבטים קשים ללימוד אצל בעלי חיים.

עם זאת, אין לחסוך מאמץ בנושאים אלה. ראשית מתוך סקרנות. אם אנו בוחנים את התפשטות היקום או את גלי הכבידה שנרשמו לאחרונה, מדוע לא היינו חוקרים כיצד מוחנו מפרש זמן ומרחב? ושנית, רבים מה- פתולוגיות נוירודגנרטיביות כמו מחלת אלצהיימר, התסמינים הראשונים שלהם הם דיסאוריינטציה מרחבית-זמנית. הכרת המנגנונים הנוירופיזיולוגיים של קידוד זה נוכל לגלות היבטים חדשים שיעזרו להם להבין טוב יותר את המסלול הפתולוגי של מחלות אלה ומי יודע אם לגלות מטרות חדשות לתרופות או לא תרופתי.

הפניות ביבליוגרפיות:

• אייכנבאום ה. 2014. תאי זמן בהיפוקמפוס: מימד חדש למיפוי זיכרונות. טבע 15: 732-742
• פרנק LM, בראון EN, ווילסון מ. 2000. קידוד מסלול בהיפוקמפוס ובקליפת המוח התוך המוחית. נוירון 27: 169–178.
• Fyhn M, Molden S, MP Witter, Moser EI, Moser M-B. 2004. ייצוג מרחבי בקליפה המוחית. מדע 305: 1258–1264
• קנטרוס C, Hargreaves E, Hawkins RD, Kandel ER, Shapiro M, Muller RV. 1998. ביטול יציבות ארוכת טווח של מפות תאי מקום חדשות בהיפוקמפוס על ידי חסימת קולטן NMDA. מדע 280: 2121-2126.
• מונקו JD, אבוט LF. 2011. יישור מודולרי של פעילות תאי רשת entorhinal כבסיס למיפוי מחדש של ההיפוקמפוס. נוירוש 31: 9414–9425.
• אוקיפי ג'יי, דובר א. 1987. פעילות יחידה אחת בהיפוקמפוס חולדות במהלך משימת זיכרון מרחבית. Exp Bra Res Res 68: 1 –27.
• Scoville WB, Milner B (1957). אובדן זיכרון אחרון לאחר היפוקמפסל דו-צדדי. J Neurol Neurosurg Psychiatry 20: 11–21.