„Vietos ląstelės“, kažkas panašaus į mūsų smegenų GPS

Orientavimasis ir tyrinėjimas naujose ar nepažįstamose erdvėse yra vienas iš pažintinių gebėjimų, kurį naudojame dažniausiai. Mes ją naudojame norėdami orientuotis savo namuose, kaimynystėje, eiti į darbą.

Nuo to priklausome ir keliaudami į naują ir mums nežinomą miestą. Mes jį naudojame net vairuodami ir, galbūt, skaitytojas bus neatsargios orientacijos auka arba kolega, kuris bus pasmerkęs jį pasiklysti, buvo priverstas vairuoti automobilį, kol ras kelią tinkamas.

Kalta ne orientacija, o hipokampas

Visa tai yra situacijos, kurios mus labai nuvilia ir kurios verčia keikti savo ar kitų orientaciją įžeidimais, riksmais ir įvairiu elgesiu. Na, Na, šiandien duosiu teptuką neurofiziologiniams orientacijos mechanizmams, mūsų Smegenų GPS kad suprastume mus.

Pradėsime nuo konkretumo: neturime keikti orientacijos, nes tai tik mūsų neuronų veiklos produktas konkrečiuose regionuose. Todėl mes pradėsime keikti savo hipokampas.

Hipokampas kaip smegenų struktūra

Evoliuciškai hipokampas yra senovinė struktūra, ji yra archicortex dalis, tai yra tos struktūros, kurios filogenetiniu požiūriu yra senesnės mūsų rūšyse. Anatomiškai tai yra limbinės sistemos dalis, kurioje taip pat randamos kitos struktūros, tokios kaip migdolinė. Limbinė sistema laikoma atminties, emocijų, mokymosi ir motyvacijos morfologiniu substratu.

Skaitytojas, galbūt, jei yra įpratęs prie psichologijos, žinos, kad hipokampas yra būtina struktūra prisiminimams įtvirtinti. deklaratyviai, tai yra su tais epizodinio turinio prisiminimais apie mūsų patirtį ar semantiką (Nadel ir O'Keefe, 1972).

Tai įrodo gausūs tyrimai apie populiarų „HM paciento“ atvejį - pacientą, kuriam buvo pašalinti abu laikini pusrutuliai. sukėlęs niokojančią anterogradinę amneziją, tai yra, jis negalėjo įsiminti naujų faktų, nors didžiąją dalį savo operacija. Norintiems įsigilinti į šį atvejį, rekomenduoju Scoville'o ir Millnerio (1957) tyrimus, kurie nuodugniai tyrė paciento HM.

Vietos ląstelės: kas tai?

Kol kas nesakome nieko naujo ar nieko nuostabaus. Bet tai buvo 1971 m., Kai atsitiktinai buvo atrastas faktas, sukūręs smegenų navigacijos sistemų tyrimo pradžią. O'keefe ir John Dostrovski, naudojant intrakranijinius elektrodus, sugebėjo užregistruoti specifinių hipokampo neuronų aktyvumą žiurkėms. Tai suteikė galimybę, kad atlikdamas skirtingus elgesio testus, gyvūnas buvo budrus, sąmoningas ir laisvai judėjo.

Jie nesitikėjo atrasti, kad buvo neuronų, kurie reagavo selektyviai, atsižvelgdami į plotą, kuriame žiurkė buvo. Tai nėra tas, kad kiekvienoje padėtyje buvo specifiniai neuronai (pavyzdžiui, jūsų vonios kambariui nėra neurono), bet tai pastebėta CA1 (specifinis hipokampo regionas) ląstelėse, kurios žymėjo orientyrus, kurie galėjo prisitaikyti prie skirtingų tarpai.

Šios ląstelės buvo vadinamos vietos langelius. Todėl ne tai, kad kiekvienai konkrečiai erdvei yra vietos neuronas, kurį jūs dažnai lankotės, bet tai yra atskaitos taškai, siejantys jus su jūsų aplinka; taip formuojasi egocentrinės navigacijos sistemos. Vietos neuronai taip pat suformuos paskirstentrines navigacijos sistemas, kurios tarpusavyje susies erdvės elementus.

Įgimtas programavimas vs patirtis

Šis atradimas suglumino daugelį neuromokslininkų, kurie hipokampą vertino kaip deklaratyvi mokymosi struktūra ir dabar jie pamatė, kaip ji sugeba užkoduoti informaciją vietos. Tai leido kelti „kognityvinio žemėlapio“ hipotezę, kuri teigtų, kad hipokampe bus sukurtas mūsų aplinkos vaizdas.

Tas pats kaip jis smegenys tai puikus žemėlapių generatorius kitoms jutimo modalybėms, tokioms kaip regos, klausos ir somatosensorinis signalo kodavimas; Nėra nepagrįsta galvoti apie hipokampą kaip apie struktūrą, kuri sukuria mūsų aplinkos žemėlapius ir garantuoja mūsų orientaciją juose.

Tyrimai nuėjo toliau ir išbandė šią paradigmą labai įvairiose situacijose. Pavyzdžiui, buvo pastebėta, kad labirinto užduočių langeliai dega, kai gyvūnas padaro klaidų ar kai jis yra tokioje padėtyje, kurioje neuronas paprastai šaudytų (O'keefe'as ir Speakmanas, 1987). Atliekant užduotis, kuriose gyvūnas turi judėti skirtingose ​​erdvėse, buvo pastebėta, kad neuronai uždega, priklausomai nuo to, iš kur gyvūnas yra ir kur jis eina (Frank ir kt., 2000).

Kaip formuojami erdviniai žemėlapiai

Kitas pagrindinis šios srities mokslinių tyrimų dėmesys buvo skirtas šių erdvinių žemėlapių formavimui. Viena vertus, galėtume galvoti, kad tos vietos ląstelės nustato savo funkciją, remdamosi patirtimi, kurią gauname kada tyrinėjame aplinką arba galime pagalvoti, kad tai yra pagrindinis mūsų smegenų grandinių komponentas, įgimtas. Klausimas dar nėra aiškus ir galime rasti empirinių įrodymų, patvirtinančių abi hipotezes.

Viena vertus, Monako ir Abbotto (2014) eksperimentai, užfiksavę daugybės ląstelių aktyvumą, kadangi kai gyvūnas patenka į naują aplinką, užtrunka kelias minutes, kol šios ląstelės pradeda šaudyti normalus. Taigi, vietos žemėlapiai būtų tam tikru būdu išreikšti nuo to momento, kai gyvūnas pateks į naują aplinką, tačiau patirtis ateityje modifikuos šiuos žemėlapius.

Todėl galėtume manyti, kad smegenų plastiškumas vaidina vaidmenį formuojant erdvinius žemėlapius. Tada, jei plastiškumas iš tikrųjų vaidino svarbų vaidmenį, mes tikėtumėmės, kad pelės, kurios nokautuoja, išmuš NMDA receptorius neurotransmiterio glutamatui, ty pelėms kurios neišreiškia šio receptoriaus - nesukūrė erdvinių žemėlapių, nes šis receptorius vaidina pagrindinį vaidmenį smegenų plastiškumui ir mokymasis.

Plastika vaidina svarbų vaidmenį tvarkant erdvinius žemėlapius

Tačiau tai nėra tas atvejis, ir buvo pastebėta, kad nukentėjusios pelės prie NMDA receptoriaus arba pelės, kurios buvo gydomos farmakologiškai. Norėdami blokuoti šį receptorių, jie išreiškia panašius reakcijos modelius iš vietos ląstelių naujoje ar pažįstamoje aplinkoje. Tai rodo, kad erdvinių žemėlapių išraiška nepriklauso nuo smegenų plastiškumo (Kentrol ir kt., 1998). Šie rezultatai patvirtintų hipotezę, kad navigacijos sistemos yra nepriklausomos nuo mokymosi.

Nepaisant visko, naudojant logiką, smegenų plastiškumo mechanizmai turi būti akivaizdžiai būtini naujai suformuotų žemėlapių atminties stabilumui. Ir jei taip nebūtų, kokia būtų patirtis, kurią formuoja vaikščiojimas savo miesto gatvėmis? Argi ne visada jausime, kad pirmą kartą įžengiame į savo namus? Manau, kad hipotezės, kaip ir daugeliu kitų atvejų, papildo viena kitą, nei atrodo, ir, kaip nors, nepaisant įgimto šių funkcijų veikimo, plastika turi vaidinti vaidmenį išlaikant šiuos erdvinius žemėlapius atmintyje.

Tinklo, adreso ir krašto langeliai

Gana abstrakti kalbėti apie vietos ląsteles ir galbūt ne vienas skaitytojas nustebo, kad ta pati smegenų sritis, kuri generuoja prisiminimus, tarnauja, galima sakyti, kaip GPS. Bet mes dar nebaigėme, o geriausia dar laukia. Dabar garbanosime garbaną iš tikrųjų. Iš pradžių manyta, kad kosminė navigacija priklausys tik nuo hipokampo, kai tai bus matoma Gretimos struktūros, tokios kaip entorinalinė žievė, parodė labai silpną aktyvaciją kaip erdvės funkciją (Frank ir kt. al., 2000).

Tačiau atliekant šiuos tyrimus, aktyvumas buvo užfiksuotas vidurinės žievės pilvo srityje ir tyrimuose užpakalinės sritys, užfiksuoti nugaros plotai, turintys daugiau jungčių su hipokampu (Fyhn et al., 2004). Taigi buvo pastebėta, kad daugelis šio regiono ląstelių užsidega kaip padėties funkcija, panaši į hipokampą. Kol kas tai buvo rezultatai, kurių tikėtasi rasti, tačiau nusprendę padidinti plotą, kurį registruos entorhinalinėje žievėje, juos nustebino: Tarp neuronų grupių, kurios buvo suaktyvintos kaip gyvūno užimamos erdvės funkcija, matyt, buvo tylios zonos, ty jos nebuvo suaktyvinta. Kai regionai, kurie parodė aktyvavimą, buvo praktiškai sujungti, pastebėti šešiakampių ar trikampių pavidalai. Šiuos entorhinalinės žievės neuronus jie pavadino „tinklo ląstelėmis“.

Atrandant tinklo langelius, buvo pastebėta galimybė išspręsti klausimą, kaip formuojamos vietos ląstelės. Kadangi ląstelės turi daugybę tinklo ląstelių jungčių, nėra nepagrįsta manyti, kad jos susidaro iš jų. Tačiau vėlgi viskas nėra taip paprasta ir eksperimentiniai įrodymai nepatvirtino šios hipotezės. Geometriniai modeliai, kurie sudaro tinklo langelius, taip pat dar nebuvo interpretuoti.

Navigacijos sistemos neapsiriboja hipokampu

Kompleksiškumas čia nesibaigia. Dar mažiau, kai buvo pastebėta, kad navigacijos sistemos neapsiriboja hipokampu. Tai išplėtė tyrimų ribas ir kitose smegenų srityse, taip atrandant kitų tipų ląsteles, susijusias su vietos ląstelėmis: krypties langeliai ir krašto langeliai.

Vairavimo ląstelės užkoduotų kryptį, kuria subjektas juda, ir būtų smegenų kamieno nugaros tegmentaliniame branduolyje. Kita vertus, krašto ląstelės yra ląstelės, kurios padidins jų šaudymo greitį, kai subjektas tampa priartėti prie tam tikros erdvės ribų ir jas galime rasti konkretiame regione hipokampu-. Mes pasiūlysime supaprastintą pavyzdį, kuriame bandysime apibendrinti kiekvieno tipo ląstelių funkciją:

Įsivaizduokite, kad esate savo namo valgomajame ir norite eiti į virtuvę. Kadangi esate savo namo valgomajame, turėsite vietos kamerą, kuri užsidegs tol, kol liksite valgomasis, bet kadangi norite eiti į virtuvę, turėsite ir kitą aktyvuotą vietos langelį, kuris reprezentuoja virtuvė. Aktyvinimas bus aiškus, nes jūsų namai yra erdvė, kurią puikiai pažįstate, ir aktyvavimą galima aptikti tiek vietos, tiek tinklo langeliuose.

Pradėk eiti link virtuvės. Bus grupė konkrečių adreso langelių, kurie dabar bus suaktyvinti ir nesikeis tol, kol išlaikysite konkretų adresą. Įsivaizduokite, kad eidami į virtuvę turite pasukti į dešinę ir pereiti siaurą prieškambarį. Tą akimirką, kai pasisuksite, vairo elementai tai sužinos, o kitas vairo elementų rinkinys užfiksuos kryptį, kuria jis dabar aktyvavosi, ir ankstesnės bus išjungtos.

Taip pat įsivaizduokite, kad koridorius yra siauras ir dėl bet kokio neteisingo judėjimo galite atsitrenkti į sieną, todėl jūsų krašto ląstelės padidins jų ugnies greitį. Kuo arčiau priartėsite prie koridoriaus sienos, tuo didesnė šaudymo norma rodytų jos krašto ląsteles. Pagalvokite apie kraštines ląsteles, tokias kaip jutikliai, kuriuos turi kai kurie naujesni automobiliai, kurie skleidžia garsinį signalą, kai manevruojate stovėdami. Pasienio ląstelės Jie veikia panašiai kaip šie jutikliai, kuo arčiau esate susidūrę, tuo daugiau jų skleidžiamo triukšmo. Kai pateksite į virtuvę, jūsų vietos kameros jums parodys, kad ji atėjo patenkinamai, ir būdami didesnė aplinka, jūsų krašto ląstelės atsipalaiduos.

Baigkime viską apsunkinti

Smalsu manyti, kad mūsų smegenys turi būdų sužinoti savo poziciją. Tačiau lieka klausimas: kaip suderinti deklaratyvią atmintį su erdvine navigacija hipokampe? Tai yra, kaip mūsų prisiminimai daro įtaką šiems žemėlapiams? Ar gali būti, kad iš šių žemėlapių susidarė mūsų prisiminimai? Norėdami pabandyti atsakyti į šį klausimą, turime galvoti šiek tiek toliau. Kiti tyrimai parodė, kad tos pačios ląstelės, koduojančios erdvę, apie kurias jau kalbėjome, taip pat koduoja laiką. Taigi, buvo kalbėta laiko langeliai (Eichenbaum, 2014), kuris užkoduotų laiko suvokimą.

Stebina tai, kad byloje yra vis daugiau įrodymų, patvirtinančių mintį, kad vietos ląstelės yra tokios pačios kaip laiko ląstelės. Tada tas pats neuronas per tuos pačius elektrinius impulsus sugeba užkoduoti erdvę ir laiką. Laiko ir erdvės kodavimo santykis tame pačiame veiksmo potenciale ir jų svarba atmintyje lieka paslaptimi.

Pabaigai: mano asmeninė nuomonė

Mano nuomonė apie tai? Nusivilkusi mokslininko chalatą galiu tai pasakyti žmonės linkę galvoti apie lengvą variantą, ir mums patinka manyti, kad smegenys kalba ta pačia kalba kaip ir mes. Problema ta, kad smegenys mums siūlo supaprastintą realybės versiją, kurią pačios apdoroja. Panašiai kaip šešėliai Platono oloje. Taigi, lygiai taip pat, kaip kvantinėje fizikoje, yra nutraukti barjerai to, ką mes suprantame kaip tikrovę neuromokslas mes atrandame, kad smegenyse viskas skiriasi nuo pasaulio, kurį suvokiame sąmoningai ir mes turime būti labai atviri, kad viskas neturi būti taip, kaip yra iš tikrųjų mes juos suvokiame.

Vienintelis dalykas, kuris man yra aiškus, yra tai, ką Antonio Damasio dažnai naudoja savo knygose: smegenys yra puikus žemėlapių generatorius. Galbūt smegenys laiką ir erdvę aiškina taip pat, kad sudarytų mūsų prisiminimų žemėlapius. Ir jei jums tai atrodo chimeriškai, pagalvokite, kad Einstenas savo reliatyvumo teorijoje yra viena iš teorijų, kurią jis postulavo, kad laiko negalima suprasti be erdvės, ir atvirkščiai. Neabejotinai išaiškinti šias paslaptis yra iššūkis, juo labiau, kai jas sunku tirti su gyvūnais.

Tačiau nereikėtų gailėti šių klausimų. Pirmiausia iš smalsumo. Jei tyrinėtume visatos išsiplėtimą ar neseniai užfiksuotas gravitacines bangas, kodėl mes netyrėme, kaip mūsų smegenys interpretuoja laiką ir erdvę? Antra, daugelis neurodegenaracinės patologijos kaip ir Alzheimerio liga, pirmieji jų simptomai yra dezorientacija laiko ir laiko atžvilgiu. Žinodami neurofiziologinius šio kodavimo mechanizmus, galėtume atrasti naujų aspektų, kurie padės geriau suprasti šių ligų patologinę eigą ir, kas žino, ar atrasti naujus vaistus, ar ne farmakologinis.

Bibliografinės nuorodos:

• Eichenbaum H. 2014. Laiko ląstelės hipokampe: naujas prisiminimų žemėlapio matmuo. Gamta 15: 732-742
• Frankas LM, Brownas EN, Wilsonas M. 2000. Trajektorijos kodavimas hipokampe ir entorinalinėje žievėje. Neuronas 27: 169–178.
• Fyhn M, Molden S, Witter MP, Moser EI, Moser M-B. 2004. Erdvinis vaizdavimas entorhinalinėje žievėje. Mokslas 305: 1258–1264
• Kentrosas C, Hargreavesas E, Hawkinsas RD, Kandelis ER, Shapiro M, Mullerio RV. 1998. Naujų hipokampo vietos ląstelių žemėlapių ilgalaikio stabilumo panaikinimas naudojant NMDA receptorių blokadą. Science 280: 2121-2126.
• Monakas JD, Abbott LF. 2011. Modulinis entorinalinio tinklelio ląstelių aktyvumo derinimas kaip hipokampo kartografavimo pagrindas. J Neurosci 31: 9414–9425.
• O'Keefe J, Speakman A. 1987. Vieno vieneto aktyvumas žiurkės hipokampe atliekant erdvinės atminties užduotį. Exp Brain Res 68: 1–27.
• Scoville WB, Milner B (1957). Nesenios atminties praradimas po dvišalio hipokampalijos. J Neurol Neurosurg psichiatrija 20: 11–21.