'Cellene av sted', noe som hjernen vår GPS

Orientering og utforskning i nye eller ukjente rom er en av de kognitive fakultetene vi bruker oftest. Vi bruker den til å orientere oss i huset vårt, nabolaget vårt, for å gå på jobb.

Vi er også avhengige av det når vi reiser til en ny og ukjent by. Vi bruker det selv når du kjører, og muligens vil leseren ha blitt utsatt for en uforsiktig orientering eller av en kollega, som vil ha dømt ham til å gå seg vill, blir tvunget til å kjøre bilen til han fant ruten tilstrekkelig.

Det er ikke orienteringens feil, det er hippocampusens feil

Alt dette er situasjoner som vanligvis frustrerer oss mye, og som får oss til å forbanne vår orientering eller andres med fornærmelser, kjefting og ulik oppførsel. Vi vil, Vel, i dag vil jeg gi et penselstrøk på de nevrofysiologiske orienteringsmekanismene, i vår Hjernens GPS å forstå oss.

Vi begynner med å være spesifikke: vi må ikke forbanne orientering siden dette bare er et produkt av vår neuronale aktivitet i bestemte regioner. Derfor vil vi begynne med å forbanne vår hippocampus.

Hippocampus som en hjernestruktur

Evolusjonelt er hippocampus en eldgammel struktur, den er en del av archicortex, det vil si de strukturene som er fylogenetisk eldre i vår art. Anatomisk er det en del av det limbiske systemet, der andre strukturer som amygdala også finnes. Limbic System betraktes som det morfologiske underlaget til minne, følelser, læring og motivasjon.

Leseren, muligens hvis han er vant til psykologi, vil vite at hippocampus er en nødvendig struktur for konsolidering av minner. erklærende, det vil si med de minner med episodisk innhold om våre erfaringer eller semantiske (Nadel og O'Keefe, 1972).

Bevis på dette er de mange studiene som finnes om det populære tilfellet med “HM-pasienten”, en pasient som hadde fått fjernet begge temporale halvkuler. produsere en ødeleggende anterograd amnesi, det vil si at han ikke kunne huske nye fakta selv om han beholdt de fleste av minnene sine fra før operasjon. For de som ønsker å fordype seg i denne saken, anbefaler jeg studiene av Scoville og Millner (1957), som uttømmende studerte pasienten HM.

The Cells of Place: hva er de?

Så langt sier vi ikke noe nytt, eller noe overraskende. Men det var i 1971 da det ved en tilfeldighet ble oppdaget et faktum som genererte begynnelsen på studiet av navigasjonssystemer i hjernen. O'keefe og John Dostrovski, ved hjelp av intrakraniale elektroder, var i stand til å registrere aktiviteten til spesifikke hippocampusneuroner hos rotter. Dette ga muligheten for at dyret var våken, bevisst og beveget seg fritt mens han utførte forskjellige atferdstester.

Det de ikke forventet å oppdage var at det var nevroner som reagerte selektivt basert på området der rotten befant seg. Det er ikke det at det var spesifikke nevroner ved hver posisjon (det er for eksempel ikke noe neuron på badet ditt), men det observert i CA1 (en spesifikk region av hippocampus) celler som markerte landemerker som kunne tilpasse seg forskjellige mellomrom.

Disse cellene ble kalt plassere celler. Derfor er det ikke at det er et sted med et nevron for hvert spesifikke rom du besøker, men de er snarere referansepunkter som relaterer deg til ditt miljø; Slik dannes egosentriske navigasjonssystemer. Stedneuronene vil også danne allokentriske navigasjonssystemer som vil relatere romelementer til hverandre.

Medfødt programmering vs erfaring

Denne oppdagelsen forvirret mange nevrologer som så på hippocampus som en deklarativ læringsstruktur og nå så de hvordan den var i stand til å kode informasjon rom. Dette ga opphav til hypotesen om det "kognitive kartet" som ville postulere at en representasjon av miljøet vårt ville bli generert i hippocampus.

Samme som ham hjerne Det er en utmerket kartgenerator for andre sensoriske modaliteter som visuell, auditiv og somatosensorisk signalkoding Det er ikke urimelig å tenke på hippocampus som en struktur som genererer kart over miljøet vårt og som garanterer vår orientering i dem.

Forskning har gått lenger og testet dette paradigmet i svært forskjellige situasjoner. Det har for eksempel blitt sett at plassere celler i labyrintoppgaver avfyres når dyret gjør feil eller når den er i en posisjon der nevronet normalt vil skyte (O'keefe og Speakman, 1987). I oppgaver der dyret må bevege seg gjennom forskjellige rom, har man sett at det brenner nevroner avhengig av hvor dyret kommer fra og hvor det skal (Frank et al., 2000).

Hvordan romlige kart dannes

En annen av hovedfokusene for forskningsinteresse i dette området har vært på hvordan disse romlige kartene blir dannet. På den ene siden kunne vi tro at stedceller etablerer sin funksjon basert på erfaringen vi får når vi utforsker et miljø, eller vi tror kanskje det er en underliggende komponent i hjernekretsene våre, det vil si medfødt. Spørsmålet er ennå ikke klart, og vi kan finne empiriske bevis som støtter begge hypotesene.

På den ene siden har eksperimentene til Monaco og Abbott (2014), som registrerte aktiviteten til et stort antall stedceller, hatt siden når et dyr blir plassert i et nytt miljø, tar det flere minutter før disse cellene begynner å skyte med vanlig. Så det, stedskart ville på noen måte komme til uttrykk fra det øyeblikket et dyr kommer inn i et nytt miljø, men opplevelsen vil endre disse kartene i fremtiden.

Derfor kunne vi tro at hjernens plastisitet spiller en rolle i dannelsen av romlige kart. Så hvis plastisitet virkelig spilte en rolle, ville vi forvente at knockout-mus ville slå NMDA-reseptoren ut for nevrotransmitteren glutamat - det vil si mus som ikke uttrykker denne reseptoren - genererte ikke romlige kart fordi denne reseptoren spiller en grunnleggende rolle i hjernens plastisitet og de læring.

Plastisitet spiller en viktig rolle i vedlikehold av romlige kart

Dette er imidlertid ikke tilfelle, og det er sett at knockoutmus til NMDA-reseptoren eller mus som har blitt behandlet farmakologisk For å blokkere denne reseptoren uttrykker de lignende responsmønstre fra stedceller i nye eller kjente miljøer. Dette antyder at uttrykk for romlige kart er uavhengig av hjernens plastisitet (Kentrol et al., 1998). Disse resultatene vil støtte hypotesen om at navigasjonssystemer er uavhengige av læring.

Til tross for alt, ved hjelp av logikk, må mekanismene for hjernens plastisitet helt klart være nødvendige for minnestabiliteten til de nydannede kartene. Og hvis det ikke var slik, hvilken nytte ville opplevelsen man dannet basert på å gå i gatene i byen deres? Ville vi ikke alltid hatt følelsen av at det er første gang vi kommer inn i huset vårt? Jeg tror at hypotesene, som ved så mange andre anledninger, er mer komplementære enn de ser ut til, og på en eller annen måte, til tross for at disse funksjonene er medfødt, plastisitet må spille en rolle for å holde disse romlige kartene i minnet.

Nett-, adresse- og kantceller

Det er ganske abstrakt å snakke om celler av sted, og muligens har mer enn en leser blitt overrasket over at det samme hjerneområdet som genererer minner, så å si fungerer som GPS. Men vi er ikke ferdige, og det beste er ennå ikke kommet. La oss nå krølle krøllen på ordentlig. Først trodde man at romnavigasjon utelukkende ville avhenge av hippocampus når man så det Tilstøtende strukturer som entorhinal cortex viste svært svak aktivering som en funksjon av rommet (Frank et al. al., 2000).

I disse studiene ble det imidlertid registrert aktivitet i ventrale områder av entorhinal cortex og i studier bakre områder, ryggområder ble registrert som har et større antall forbindelser til hippocampus (Fyhn et. al., 2004). Så det mange celler i denne regionen ble observert å skyte som en funksjon av posisjon, i likhet med hippocampus. Så langt er det resultater som forventes å bli funnet, men da de bestemte seg for å øke området som de ville registrere i entorhinal cortex, hadde de en overraskelse: Blant gruppene nevroner som ble aktivert som en funksjon av dyrets plass, var det tilsynelatende stille områder - det vil si at de ikke var aktivert. Når områdene som viste aktivering var praktisk talt sammenføyet, ble mønstre i form av sekskanter eller trekanter observert. De kalte disse nevronene i entorhinal cortex for "nettverksceller."

Ved å oppdage nettverksceller ble det sett en mulighet til å løse spørsmålet om hvordan celler av sted dannes. Siden celler har mange forbindelser av nettverksceller, er det ikke urimelig å tro at de er dannet av disse. Imidlertid er ting nok en gang ikke så greie, og eksperimentelle bevis har ikke bekreftet denne hypotesen. De geometriske mønstrene som danner nettverkscellene har ennå ikke blitt tolket.

Navigasjonssystemer er ikke begrenset til hippocampus

Kompleksiteten ender ikke her. Enda mindre når man har sett at navigasjonssystemer ikke er begrenset til hippocampus. Dette har utvidet grensene for forskning til andre hjerneområder, og oppdager dermed andre typer celler relatert til stedets celler: retningsceller og kantceller.

Retningsceller vil kode i hvilken retning motivet beveger seg og vil være lokalisert i den dorsale tegmentale kjernen i hjernestammen. Kantceller er derimot celler som vil øke skytefrekvensen når motivet blir nærme oss grensene for et gitt rom, og vi kan finne dem i underområdet - spesifikk region i området hippocampus-. Vi skal tilby et forenklet eksempel der vi vil prøve å oppsummere funksjonen til hver type celle:

Tenk deg at du er i spisestuen til huset ditt, og at du vil gå på kjøkkenet. Siden du er i spisestuen til huset ditt, vil du ha en stedcelle som vil skyte så lenge du blir værende i spisestue, men siden du vil gå på kjøkkenet, vil du også ha en annen aktivert stedcelle som representerer kjøkken. Aktiveringen vil være tydelig fordi hjemmet ditt er et rom du kjenner godt, og aktiveringen kan oppdages både i stedcellene og i nettverkscellene.

Begynn å gå mot kjøkkenet. Det vil være en gruppe spesifikke adresseceller som nå vil skyte og ikke vil endres så lenge du opprettholder en spesifikk adresse. Tenk deg nå at for å gå til kjøkkenet må du ta til høyre og krysse en smal gang. I det øyeblikket du snur, vil styrecellene dine vite det, og et annet sett med styreceller vil registrere retningen den nå har tatt, og de forrige vil slå seg av.

Tenk deg også at korridoren er smal og at feil bevegelse kan føre til at du krasjer mot veggen, slik at grensecellene øker skuddfrekvensen. Jo nærmere du kommer til korridorveggen, jo høyere avfyringshastighet vil kantcellene vise. Tenk på kantceller som sensorene noen nyere biler har som gir et hørbart signal når du manøver for å parkere. Grenseceller De fungerer på samme måte som disse sensorene, jo nærmere kollisjonen er jo mer støy lager de. Når du kommer til kjøkkenet, vil cellene dine ha indikert for deg at det har kommet tilfredsstillende og et større miljø, vil kantcellene slappe av.

La oss fullføre kompliseringen av alt

Det er nysgjerrig å tenke at hjernen vår har måter å kjenne vår posisjon på. Men et spørsmål gjenstår: Hvordan kan vi forene deklarativ hukommelse med romlig navigasjon i hippocampus, det vil si hvordan våre minner påvirker disse kartene? Eller kan det være at minnene våre ble dannet fra disse kartene? For å prøve å svare på dette spørsmålet må vi tenke litt nærmere. Andre studier har påpekt at de samme cellene som koder for rom, som vi allerede har snakket om, også koder for tid. Dermed har det vært snakk om tidceller (Eichenbaum, 2014) som ville kode for oppfatningen av tid.

Det overraskende med saken er at det er økende bevis som støtter ideen om at celler av sted er de samme som tidens celler. Deretter er den samme nevronen gjennom de samme elektriske impulser i stand til å kode rom og tid. Forholdet mellom koding av tid og rom i de samme handlingspotensialene og deres betydning i minnet forblir et mysterium.

Avslutningsvis: min personlige mening

Min mening om det? Å ta av meg forskerkjolen, kan jeg si det mennesker har en tendens til å tenke på det enkle alternativet, og vi liker å tro at hjernen snakker samme språk som oss. Problemet er at hjernen tilbyr oss en forenklet versjon av virkeligheten som den behandler selv. På en måte som ligner skyggene i Platons hule. Således, som i kvantefysikk, brytes barrierer for det vi forstår som virkelighet, i nevrovitenskap vi oppdager at ting i hjernen er forskjellige fra den verden vi oppfatter bevisst og vi må ha et veldig åpent sinn at ting ikke trenger å være som de egentlig er vi oppfatter dem.

Det eneste som er klart for meg er noe Antonio Damasio bruker for å gjenta mye i bøkene sine: hjernen er en flott kartgenerator. Kanskje tolker hjernen tid og rom på samme måte for å danne kart over minnene våre. Og hvis det virker kimært for deg, tenk at Einsten i sin relativitetsteori var en av teoriene han postulerte, at tiden ikke kunne forstås uten plass, og omvendt. Utvilsomt å løse disse mysteriene er en utfordring, enda mer når det er vanskelige aspekter å studere hos dyr.

Imidlertid bør ingen innsats spares på disse problemene. Først av nysgjerrighet. Hvis vi studerer utvidelsen av universet eller de nylig registrerte gravitasjonsbølgene, hvorfor skulle vi ikke studere hvordan hjernen vår tolker tid og rom? Og for det andre, mange av nevrodegenarative patologier I likhet med Alzheimers sykdom, er deres første symptomer romtemporisk desorientering. Å kjenne de nevrofysiologiske mekanismene til denne kodingen, kunne vi oppdage nye aspekter som vil hjelpe bedre forstå det patologiske forløpet til disse sykdommene, og hvem vet, om de skal oppdage nye legemiddelmål eller ikke farmakologisk.

Bibliografiske referanser:

• Eichenbaum H. 2014. Tidsceller i hippocampus: en ny dimensjon for å kartlegge minner. Natur 15: 732-742
• Frank LM, Brown EN, Wilson M. 2000. Banekoding i hippocampus og entorhinal cortex. Neuron 27: 169–178.
• Fyhn M, Molden S, Witter MP, Moser EI, Moser M-B. 2004. Romlig representasjon i entorhinal cortex. Vitenskap 305: 1258–1264
• Kentros C, Hargreaves E, Hawkins RD, Kandel ER, Shapiro M, Muller RV. 1998. Avskaffelse av langvarig stabilitet av nye hippocampus-cellekart ved NMDA-reseptorblokkade. Vitenskap 280: 2121-2126.
• Monaco JD, Abbott LF. 2011. Modulær justering av entorhinal gridcelleaktivitet som grunnlag for hippocampal remapping. J Neurosci 31: 9414–9425.
• O'Keefe J, Speakman A. 1987. Enhetsaktivitet i rottehippocampus under en romlig minneoppgave. Exp Brain Res 68: 1 –27.
• Scoville WB, Milner B (1957). Tap av nylig minne etter bilateral hippocampallesion. J Neurol Neurosurg Psychiatry 20: 11–21.