“Vietas šūnas”, kaut kas līdzīgs mūsu smadzeņu GPS

Orientēšanās un izpēte jaunās vai nepazīstamās telpās ir viena no kognitīvajām spējām, kuru mēs visbiežāk izmantojam. Mēs to izmantojam, lai orientētos savā mājā, apkārtnē, lai dotos uz darbu.

No tā esam atkarīgi arī tad, ja dodamies uz jaunu un mums nezināmu pilsētu. Mēs to izmantojam pat braucot, un, iespējams, lasītājs būs cietis no neuzmanīgas orientācijas vai kolēģa, kurš būs nosodījis viņu pazust, piespiežot braukt ar mašīnu līdz brīdim, kad atradis maršrutu adekvāti.

Tā nav orientēšanās, bet hipokampa vaina

Visas šīs ir situācijas, kas mūs mēdz ļoti nomākt un kas mūs mudina uz lāstu savu vai citu orientāciju ar apvainojumiem, kliegšanu un dažādu uzvedību. Nu, Nu, šodien es došu otu par neirofizioloģiskajiem orientēšanās mehānismiem, mūsu Smadzeņu GPS lai mūs saprastu.

Mēs sāksim ar konkrētību: mēs nedrīkstam nolādēt orientāciju, jo tas ir tikai mūsu neironu darbības rezultāts noteiktos reģionos. Tāpēc mēs sāksim ar savu nolādēšanu hipokampu.

Hipokamps kā smadzeņu struktūra

Evolucionāli hipokamps ir sena struktūra, tā ir daļa no arhortorteksa, tas ir, tās struktūras, kas mūsu sugās ir filoģenētiski vecākas. Anatomiski tā ir daļa no limbiskās sistēmas, kurā atrodamas arī citas struktūras, piemēram, amigdala. Limbiskā sistēma tiek uzskatīta par atmiņas, emociju, mācīšanās un motivācijas morfoloģisko substrātu.

Lasītājs, iespējams, ja viņš ir pieradis pie psiholoģijas, zinās, ka hipokamps ir nepieciešama atmiņu konsolidācijas struktūra. deklaratīvs, tas ir, ar tām atmiņām ar epizodisku saturu par mūsu pieredzi vai semantisko (Nadel and O'Keefe, 1972).

Pierādījums tam ir bagātīgie pētījumi par populāro “HM pacienta” gadījumu - pacientu, kuram bija noņemtas abas temporālās puslodes. izraisot postošu anterogrādo amnēziju, tas ir, viņš nevarēja iegaumēt jaunus faktus, kaut arī saglabāja lielāko daļu atmiņu pirms darbība. Tiem, kas vēlas iedziļināties šajā lietā, iesaku Skovila un Millnera (1957) pētījumus, kuri izsmeļoši pētīja HM pacientu.

Vietas šūnas: kas tās ir?

Pagaidām mēs nesakām neko jaunu vai pārsteidzošu. Bet tas notika 1971. gadā, kad nejauši tika atklāts fakts, kas radīja smadzeņu navigācijas sistēmu izpētes sākumu. O'keefe un John Dostrovski, izmantojot intrakraniālos elektrodus, spēja reģistrēt specifisku hipokampu neironu darbību žurkām. Tas piedāvāja iespēju, ka, veicot dažādus uzvedības testus, dzīvnieks bija nomodā, pie samaņas un brīvi pārvietojās.

Tas, ko viņi necerēja atklāt, bija tas, ka bija neironi, kas reaģēja selektīvi, pamatojoties uz teritoriju, kurā atradās žurka. Nevis katrā pozīcijā bija īpaši neironi (piemēram, jūsu vannas istabai nav neironu), bet gan tas novērots CA1 (konkrēts hipokampa reģions) šūnās, kas iezīmēja orientierus, kas varētu pielāgoties dažādiem atstarpes.

Šīs šūnas tika sauktas vietu šūnas. Tāpēc nav tā, ka katrai konkrētajai telpai, kurā jūs bieži sastopaties, ir vietas neirons, bet drīzāk tie ir atskaites punkti, kas jūs saista ar jūsu vidi; šādi veidojas egocentriskas navigācijas sistēmas. Vietas neironi veidos arī izvietentriskas navigācijas sistēmas, kas savstarpēji saistīs kosmosa elementus.

Iedzimta programmēšana vs pieredze

Šis atklājums mulsināja daudzus neirozinātniekus, kuri hipokampu uzskatīja par deklaratīva mācību struktūra, un tagad viņi redzēja, kā tā spēja kodēt informāciju telpa. Tas radīja "kognitīvās kartes" hipotēzi, kas postulētu, ka hipokampā tiks ģenerēts mūsu vides attēlojums.

Tāds pats kā viņš smadzenes tas ir lielisks karšu ģenerators citām sensoro modalitātēm, piemēram, redzes, dzirdes un somatosensorālo signālu kodēšanai; Nav saprātīgi domāt par hipokampu kā struktūru, kas ģenerē mūsu vides kartes un garantē mūsu orientāciju tajās.

Pētījumi ir gājuši tālāk un pārbaudījuši šo paradigmu ļoti dažādās situācijās. Ir redzams, ka, piemēram, šūnas labirinta uzdevumos aizdegas, kad dzīvnieks pieļauj kļūdas vai kad tas atrodas stāvoklī, kurā neirons parasti izšautu (O'keefe un Speakman, 1987). Veicot uzdevumus, kuros dzīvniekam jāpārvietojas pa dažādām telpām, ir redzams, ka neironi aizdegas atkarībā no tā, no kurienes dzīvnieks nāk un kurp viņš dodas (Frank et al., 2000).

Kā tiek veidotas telpiskās kartes

Vēl viens no galvenajiem pētniecības interešu lokiem šajā jomā ir bijis tas, kā tiek veidotas šīs telpiskās kartes. No vienas puses, mēs varētu domāt, ka vietas šūnas izveido savu funkciju, pamatojoties uz pieredzi, kuru mēs saņemam, kad mēs izpētām vidi vai varētu domāt, ka tā ir mūsu smadzeņu ķēžu pamatelements, tas ir, iedzimts. Jautājums vēl nav skaidrs, un mēs varam atrast empīriskus pierādījumus, kas apstiprina abas hipotēzes.

No vienas puses, Monako un Abota (2014) eksperimenti, kuros reģistrēta liela daudzuma šūnu šūnu aktivitāte, ir kopš dzīvnieka ievietošanas jaunā vidē ir nepieciešamas vairākas minūtes, līdz šīs šūnas sāk šaut normāli. Tā, vietu kartes kaut kādā veidā būtu izteiktas no brīža, kad dzīvnieks nonāk jaunā vidē, taču pieredze nākotnē modificēs šīs kartes.

Tāpēc mēs varētu domāt, ka smadzeņu plastiskumam ir nozīme telpisko karšu veidošanā. Tad, ja plastiskumam patiešām bija nozīme, mēs sagaidām, ka nokautās peles izsitīs neirotransmitera glutamāta - tas ir, peles - NMDA receptoru kas neizpauž šo receptoru - nav ģenerētas telpiskās kartes, jo šim receptoram ir būtiska loma smadzeņu plastikā un mācīšanās.

Plastiskumam ir svarīga loma telpisko karšu uzturēšanā

Tomēr tas tā nav, un ir redzams, ka nokautās peles pret NMDA receptoru vai peles, kas ir ārstētas farmakoloģiski Lai bloķētu šo receptoru, viņi pauž līdzīgus reakcijas modeļus no vietas šūnām jaunā vai pazīstamā vidē. Tas liek domāt, ka telpisko karšu ekspresija nav atkarīga no smadzeņu plastika (Kentrol et al., 1998). Šie rezultāti apstiprinātu hipotēzi, ka navigācijas sistēmas ir neatkarīgas no mācīšanās.

Neskatoties uz visu, izmantojot loģiku, smadzeņu plastikas mehānismiem noteikti jābūt nepieciešamiem jaunizveidoto karšu atmiņas stabilitātei. Un, ja tas tā nebūtu, kāda būtu pieredze, ko cilvēks veido, balstoties uz pastaigām savas pilsētas ielās? Vai mums ne vienmēr būtu sajūta, ka mūsu mājā ienākam pirmo reizi? Es uzskatu, ka, tāpat kā tik daudzos citos gadījumos, hipotēzes ir vairāk papildinošas, nekā šķiet, un kaut kā, neskatoties uz šo funkciju iedzimto darbību, plastiskumam ir jābūt lomai, saglabājot šīs telpiskās kartes atmiņā.

Tīkla, adreses un malu šūnas

Ir diezgan abstrakti runāt par vietas šūnām, un, iespējams, ne viens vien lasītājs ir pārsteigts, ka tā pati smadzeņu zona, kas ģenerē atmiņas, kalpo, tā sakot, kā GPS. Bet mēs neesam darījuši, un labākais vēl ir priekšā. Tagad saritināsim čokurošanos pa īstam. Sākumā tika uzskatīts, ka kosmosa navigācija būs atkarīga tikai no hipokampa, kad tas tika redzēts Blakus esošās struktūras, piemēram, entorhinal cortex, parādīja ļoti vāju aktivāciju kā telpas funkciju (Frank et al. al., 2000).

Tomēr šajos pētījumos aktivitāte tika reģistrēta entorhinal garozas vēdera zonās un pētījumos aizmugurējās zonas, tika reģistrēti muguras rajoni, kuriem ir lielāks savienojumu skaits ar hipokampu (Fyhn et al., 2004). Tā tika novērots, ka daudzas šūnas šajā reģionā aizdegas atkarībā no stāvokļa, līdzīgi kā hipokampā. Līdz šim tie bija rezultāti, kurus bija paredzēts atrast, bet, kad viņi nolēma palielināt platību, kuru reģistrēs entorhinālajā garozā, viņiem bija pārsteigums: Starp neironu grupām, kas tika aktivizētas kā dzīvnieka aizņemtās telpas funkcija, acīmredzami bija klusas zonas, tas ir, tās nebija aktivizēts. Kad reģioni, kas izrādīja aktivizāciju, faktiski tika apvienoti, tika novēroti modeļi sešstūru vai trijstūru formā. Viņi sauca šos entorhinālajā garozā esošos neironus par "tīkla šūnām".

Atklājot tīkla šūnas, tika parādīta iespēja atrisināt jautājumu par vietas šūnu veidošanos. Tā kā šūnām ir daudz tīkla šūnu savienojumu, nav saprātīgi domāt, ka tās veidojas no šīm. Tomēr atkal viss nav tik vienkārši, un eksperimentālie pierādījumi šo hipotēzi nav apstiprinājuši. Arī ģeometriskie modeļi, kas veido tīkla šūnas, vēl nav interpretēti.

Navigācijas sistēmas neaprobežojas tikai ar hipokampu

Sarežģītība šeit nebeidzas. Vēl mazāk, ja ir redzams, ka navigācijas sistēmas neaprobežojas tikai ar hipokampu. Tas ir paplašinājis pētījumu robežas citās smadzeņu jomās, tādējādi atklājot cita veida šūnas, kas saistītas ar vietas šūnām: virziena šūnas un malu šūnas.

Virziena šūnas kodētu virzienu, kurā subjekts pārvietojas, un atrastos smadzeņu stumbra muguras tegmentālajā kodolā. No otras puses, malas šūnas ir šūnas, kas palielinātu to šaušanas ātrumu, kad subjekts kļūst pietuvoties noteiktas telpas robežām, un mēs tās varam atrast hipokampus-. Mēs piedāvāsim vienkāršotu piemēru, kurā mēs mēģināsim apkopot katra veida šūnu funkcijas:

Iedomājieties, ka atrodaties savas mājas ēdamzālē un vēlaties doties uz virtuvi. Tā kā jūs atrodaties savas mājas ēdamzālē, jums būs vietas šūna, kas šaus, kamēr jūs paliksit ēdamistaba, bet, tā kā vēlaties doties uz virtuvi, jums būs arī vēl viena aktivizēta vietas šūna, kas apzīmē virtuve. Aktivizācija būs skaidra, jo jūsu mājas ir telpa, kuru jūs lieliski pazīstat, un aktivizēšanu var noteikt gan vietas šūnās, gan tīkla šūnās.

Sāciet iet uz virtuvi. Tiks izveidota konkrētu adrešu šūnu grupa, kas tagad tiks aktivizēta un nemainīsies, kamēr saglabājat konkrētu adresi. Tagad iedomājieties, ka, lai dotos uz virtuvi, jums jāgriežas pa labi un jāšķērso šaurs gaitenis. Brīdī, kad pagriezīsities, stūres šūnas to uzzinās, un cits stūres šūnu komplekts ierakstīs virzienu, kuru tā tagad ir pagriezusi, un iepriekšējās izslēgsies.

Iedomājieties arī, ka koridors ir šaurs un jebkura nepareiza kustība var izraisīt triecienu pret sienu, tāpēc jūsu malas šūnas palielinās to uguns ātrumu. Jo tuvāk jūs nokļūstat koridora sienai, jo augstāku šāviena ātrumu parādīs tās malas šūnas. Padomājiet par malu šūnām kā par sensoriem, kas ir dažām jaunākām automašīnām, kas dod skaņas signālu, kad manevrējat, lai stāvētu. Robežu šūnas Tie darbojas līdzīgi šiem sensoriem, jo ​​tuvāk esat sadursmei, jo vairāk viņi rada troksni. Kad jūs nokļūsiet virtuvē, jūsu vietas šūnas jums būs norādījušas, ka tā ir ieradusies apmierinoši un, būdama lielāka vide, jūsu malas šūnas atslābinās.

Pabeigsim visu sarežģīt

Ir interesanti domāt, ka mūsu smadzenēm ir veidi, kā uzzināt mūsu nostāju. Bet paliek jautājums: kā mēs saskaņojam deklaratīvo atmiņu ar telpisko navigāciju hipokampā? Tas ir, kā mūsu atmiņas ietekmē šīs kartes? Vai varbūt tā ir, ka mūsu atmiņas veidojās no šīm kartēm? Lai mēģinātu atbildēt uz šo jautājumu, mums jādomā nedaudz tālāk. Citi pētījumi ir norādījuši, ka tās pašas šūnas, kas kodē telpu, par kurām mēs jau runājām, arī kodē laiku. Tādējādi ir runāts par laika šūnas (Eichenbaum, 2014), kas kodētu laika uztveri.

Pārsteidzošā lieta lietā ir tā arvien vairāk pierādījumu apstiprina domu, ka vietas šūnas ir vienādas ar laika šūnām. Tad viens un tas pats neirons, izmantojot tos pašus elektriskos impulsus, spēj kodēt telpu un laiku. Laika un telpas kodēšanas attiecības vienā un tajā pašā darbības potenciālā un to nozīme atmiņā joprojām ir noslēpums.

Noslēgumā: mans personīgais viedoklis

Mans viedoklis par to? Noņemot savu zinātnieku tērpu, es to varu teikt cilvēki mēdz domāt par vieglo variantu, un mums patīk domāt, ka smadzenes runā tajā pašā valodā kā mēs. Problēma ir tā, ka smadzenes mums piedāvā vienkāršotu realitātes versiju, kuru tās pašas apstrādā. Savā ziņā līdzīgi ēnām Platona alā. Tādējādi, tāpat kā kvantu fizikā, tiek nojaukti šķēršļi tam, ko mēs saprotam kā realitāti neirozinātne mēs atklājam, ka smadzenēs lietas atšķiras no pasaules, kuru mēs uztveram apzināti, un mums ir jābūt ļoti atvērtam prātam, ka lietām nav jābūt tādām, kādas tās patiesībā ir mēs viņus uztveram.

Vienīgais, kas man ir skaidrs, ir kaut kas, ko Antonio Damasio izmanto, lai daudz atkārtotu savās grāmatās: smadzenes ir lielisks karšu ģenerators. Varbūt smadzenes laiku un telpu interpretē vienādi, veidojot mūsu atmiņu kartes. Un, ja jums tas šķiet himēriski, domājiet, ka Einstens savā relativitātes teorijā bija viena no teorijām, ko viņš postulēja, ka laiku nevar saprast bez vietas, un otrādi. Neapšaubāmi šo noslēpumu atklāšana ir izaicinājums, vēl jo vairāk, ja tos ir grūti izpētīt ar dzīvniekiem.

Tomēr šajos jautājumos nevajadzētu taupīt pūles. Pirmkārt, ziņkārības dēļ. Ja mēs pētām Visuma paplašināšanos vai nesen reģistrētos gravitācijas viļņus, kāpēc gan mums nevajadzētu izpētīt, kā mūsu smadzenes interpretē laiku un telpu? Otrkārt, daudzi no tiem neirodeģeneratīvas patoloģijas tāpat kā Alcheimera slimība, viņu pirmie simptomi ir dezorientācija laikā un laikā. Zinot šīs kodēšanas neirofizioloģiskos mehānismus, mēs varētu atklāt jaunus aspektus, kas palīdzēs labāk izprast šo slimību patoloģisko gaitu un, kas zina, vai atklāt jaunus narkotiku mērķus vai nē farmakoloģisks.

Bibliogrāfiskās atsauces:

• Eichenbaum H. 2014. Laika šūnas hipokampā: jauna dimensija atmiņu kartēšanai. Daba 15: 732-742
• Frank LM, Brown EN, Wilson M. 2000. Trajektorijas kodēšana hipokampā un entorhinālajā garozā. Neirons 27: 169–178.
• Fyhn M, Molden S, Witter MP, Moser EI, Moser M-B. 2004. Telpiskā attēlojums entorhinālajā garozā. Zinātne 305: 1258–1264
• Kentros C, Hargreavess E, Hokinss RD, Kandels ER, Šapiro M, Mullers RV. 1998. Jauno hipokampu vietu šūnu karšu ilgtermiņa stabilitātes atcelšana, izmantojot NMDA receptoru blokādi. Science 280: 2121-2126.
• Monako JD, Abbott LF. 2011. Entorinālā režģa šūnu aktivitātes modulāra pārveidošana par pamatu hipokampu atkārtotai kartēšanai. J Neurosci 31: 9414–9425.
• O'Keefe J, Speakman A. 1987. Vienas vienības aktivitāte žurku hipokampā telpiskās atmiņas uzdevuma laikā. Exp Brain Res 68: 1 –27.
• Skovila PB, Milners B (1957). Nesenās atmiņas zudums pēc divpusējas hipokampallijas. J Neurola neiroķirurģijas psihiatrija 20: 11–21.