„Komórki miejsca”, coś w rodzaju naszego mózgu GPS

Orientacja i eksploracja w nowych lub nieznanych przestrzeniach to jedna z najczęściej używanych przez nas zdolności poznawczych. Używamy go, aby orientować się w naszym domu, naszej okolicy, do pracy.

Zależymy od tego również, gdy podróżujemy do miasta nowego i nieznanego nam. Używamy go nawet podczas jazdy i prawdopodobnie czytelnik padł ofiarą nieostrożnej orientacji lub na przykład kolegi, który skazałby go na zabłądzenie, zmuszanie do jazdy samochodem dookoła, dopóki nie znalazł trasy odpowiedni.

To nie wina orientacji, to wina hipokampu

Wszystko to są sytuacje, które zwykle bardzo nas frustrują i prowadzą do przeklinania naszej orientacji lub orientacji innych obelgami, krzykami i różnymi zachowaniami. Dobrze, Cóż, dziś pociągnięcia pędzlem na temat neurofizjologicznych mechanizmów orientacji, w naszym Mózg GPS aby nas zrozumieć.

Zaczniemy od konkretów: nie możemy przeklinać orientacji, ponieważ jest to tylko produkt naszej aktywności neuronowej w określonych regionach. Dlatego zaczniemy od przeklinania naszego hipokamp.

Hipokamp jako struktura mózgu

Ewolucyjnie hipokamp jest starożytną strukturą, jest częścią archikorteksu, to znaczy tych struktur, które są filogenetycznie starsze u naszego gatunku. Anatomicznie jest częścią układu limbicznego, w którym znajdują się również inne struktury, takie jak ciało migdałowate. Układ limbiczny uważany jest za morfologiczny substrat pamięci, emocji, uczenia się i motywacji.

Czytelnik, być może przyzwyczajony do psychologii, będzie wiedział, że hipokamp jest strukturą niezbędną do konsolidacji wspomnień. deklaratywne, to znaczy z tymi wspomnieniami o treści epizodycznej na temat naszych doświadczeń lub semantycznej (Nadel i O'Keefe, 1972).

Dowodem na to są liczne badania, które istnieją na temat popularnego przypadku „pacjenta HM”, pacjenta, któremu usunięto obie półkule skroniowe. powodując wyniszczającą amnezję następczą, to znaczy nie mógł zapamiętać nowych faktów, chociaż zachował większość swoich wspomnień sprzed operacja. Tym, którzy chcą zagłębić się w ten przypadek, polecam badania Scoville'a i Millnera (1957), którzy wyczerpująco przebadali pacjenta z HM.

Komórki Miejsca: czym one są?

Na razie nie mówimy nic nowego, ani niczego zaskakującego. Jednak dopiero w 1971 roku przypadkowo odkryto fakt, który zapoczątkował badania nad systemami nawigacji w mózgu. O'keefe i John Dostrovski, używając elektrod wewnątrzczaszkowych, byli w stanie zarejestrować aktywność określonych neuronów hipokampa u szczurów. Dało to możliwość, że podczas wykonywania różnych testów behawioralnych zwierzę było obudzone, przytomne i poruszało się swobodnie.

Nie spodziewali się odkryć, że istnieją neurony reagujące selektywnie w zależności od obszaru, w którym przebywał szczur. Nie chodzi o to, że w każdej pozycji znajdowały się określone neurony (nie ma na przykład neuronu w twojej łazience), ale że obserwowane w komórkach CA1 (określony region hipokampu), które zaznaczyły punkty orientacyjne, które mogą przystosować się do różnych spacje.

Te komórki nazwano umieść komórki. Dlatego nie jest tak, że istnieje neuron miejsca dla każdej konkretnej przestrzeni, którą odwiedzasz, ale raczej są to punkty odniesienia, które wiążą cię z twoim środowiskiem; tak powstają egocentryczne systemy nawigacyjne. Neurony miejsca będą również tworzyć allocentryczne systemy nawigacyjne, które będą wiązać ze sobą elementy przestrzeni.

Programowanie wrodzone a doświadczenie

To odkrycie zaskoczyło wielu neuronaukowców, którzy postrzegali hipokamp jako: deklaratywna struktura uczenia się, a teraz zobaczyli, jak jest w stanie zakodować informacje przestrzeń. Dało to początek hipotezie „mapy poznawczej”, która zakładałaby, że w hipokampie będzie generowana reprezentacja naszego środowiska.

Taki sam jak on mózg Jest doskonałym generatorem map dla innych modalności sensorycznych, takich jak kodowanie sygnałów wzrokowych, słuchowych i somatosensorycznych; Nie jest nierozsądne myśleć o hipokampie jako strukturze generującej mapy naszego środowiska i gwarantującej naszą orientację w nich.

Badania poszły dalej i przetestowały ten paradygmat w bardzo różnych sytuacjach. Zaobserwowano na przykład, że komórki w zadaniach labiryntu zapalają się, gdy zwierzę popełnia błędy lub kiedy znajduje się w pozycji, w której neuron normalnie by wystrzelił (O'keefe i Speakman, 1987). W zadaniach, w których zwierzę musi poruszać się przez różne przestrzenie, zaobserwowano, że neurony zapalają się w zależności od tego, skąd zwierzę pochodzi i dokąd zmierza (Frank i in., 2000).

Jak powstają mapy przestrzenne

Innym z głównych obszarów zainteresowań badawczych w tej dziedzinie jest sposób tworzenia tych map przestrzennych. Z jednej strony moglibyśmy pomyśleć, że komórki miejsca ustalają swoją funkcję na podstawie doświadczenia, które otrzymujemy, gdy badamy środowisko lub możemy pomyśleć, że jest to podstawowy element naszych obwodów mózgowych, to znaczy wrodzony. Pytanie nie jest jeszcze jasne i możemy znaleźć dowody empiryczne, które wspierają obie hipotezy.

Z jednej strony eksperymenty Monaco i Abbott (2014), w których zarejestrowano aktywność dużej liczby komórek miejsca, wykazały ponieważ kiedy zwierzę jest umieszczane w nowym środowisku, komórki te potrzebują kilku minut, aby zacząć działać. normalna. Po to aby, mapy miejsc byłyby w pewien sposób wyrażane od momentu wejścia zwierzęcia do nowego środowiska, ale doświadczenie zmodyfikuje te mapy w przyszłości.

Dlatego możemy pomyśleć, że plastyczność mózgu odgrywa rolę w tworzeniu map przestrzennych. Następnie, gdyby plastyczność rzeczywiście odgrywała rolę, spodziewalibyśmy się, że myszy z nokautem wybiją receptor NMDA dla neuroprzekaźnika glutaminianu – to znaczy myszy które nie wyrażają tego receptora - nie generowały map przestrzennych, ponieważ receptor ten odgrywa fundamentalną rolę w plastyczności mózgu i uczenie się.

Plastyczność odgrywa ważną rolę w utrzymaniu map przestrzennych

Jednak tak nie jest i zaobserwowano, że myszy z nokautem do receptora NMDA lub myszy, które były leczone farmakologicznie Aby zablokować ten receptor, wyrażają podobne wzorce odpowiedzi z komórek umiejscowionych w nowych lub znanych środowiskach. Sugeruje to, że ekspresja map przestrzennych jest niezależna od plastyczności mózgu (Kentrol i wsp., 1998). Wyniki te wspierają hipotezę, że systemy nawigacyjne są niezależne od uczenia się.

Mimo wszystko, używając logiki, mechanizmy plastyczności mózgu muszą być wyraźnie niezbędne dla stabilności pamięci nowo tworzonych map. A gdyby tak nie było, jaki byłby pożytek z doświadczenia, które tworzy się na podstawie chodzenia po ulicach swojego miasta? Czy nie mielibyśmy zawsze wrażenia, że ​​po raz pierwszy wchodzimy do naszego domu? Uważam, że, jak przy wielu innych okazjach, hipotezy te są bardziej komplementarne, niż się wydaje i jakoś mimo wrodzonego funkcjonowania tych funkcji, plastyczność musi odgrywać rolę w utrzymywaniu tych map przestrzennych w pamięci.

Komórki sieciowe, adresowe i brzegowe

Mówienie o komórkach miejsca jest dość abstrakcyjne i prawdopodobnie więcej niż jeden czytelnik był zaskoczony, że ten sam obszar mózgu, który generuje wspomnienia, służy, że tak powiem, jako GPS. Ale jeszcze nie skończyliśmy, a najlepsze dopiero przed nami. Teraz podkręćmy loki naprawdę. Początkowo sądzono, że nawigacja w kosmosie będzie zależeć wyłącznie od hipokampu, gdy stwierdzono, że Sąsiednie struktury, takie jak kora śródwęchowa, wykazywały bardzo słabą aktywację w funkcji przestrzeni (Frank et al. al., 2000).

Jednak w tych badaniach aktywność była rejestrowana w brzusznych obszarach kory śródwęchowej oraz w badaniach obszary tylne, zarejestrowano obszary grzbietowe, które mają większą liczbę połączeń z hipokampem (Fyhn et al. al., 2004). Po to aby zaobserwowano, że wiele komórek w tym regionie działa jako funkcja pozycji, podobnie jak w hipokampie. Do tej pory są to wyniki, których oczekiwano, ale kiedy zdecydowali się zwiększyć obszar, który zarejestrowaliby w korze śródwęchowej, mieli niespodziankę: Wśród grup neuronów, które były aktywowane w zależności od zajmowanej przez zwierzę przestrzeni, znajdowały się pozornie ciche obszary - to znaczy nie były aktywowany. Kiedy regiony, które wykazywały aktywację, zostały wirtualnie połączone, zaobserwowano wzory w postaci sześciokątów lub trójkątów. Nazwali te neurony w korze śródwęchowej „komórkami sieciowymi”.

Odkrywając komórki sieciowe, dostrzeżono możliwość rozwiązania problemu formowania się komórek miejsca. Ponieważ komórki mają liczne połączenia komórek sieciowych, nie jest nierozsądne sądzić, że powstały z nich. Jednak po raz kolejny sprawy nie są takie proste, a dowody eksperymentalne nie potwierdziły tej hipotezy. Geometryczne wzory tworzące komórki sieci również nie zostały jeszcze zinterpretowane.

Systemy nawigacyjne nie ograniczają się do hipokampa

Złożoność na tym się nie kończy. Tym bardziej, gdy okazało się, że systemy nawigacyjne nie ograniczają się do hipokampu. To rozszerzyło granice badań na inne obszary mózgu, odkrywając w ten sposób inne typy komórek związanych z komórkami miejsca: komórki kierunkowe i komórki krawędzi.

Komórki kierunkowe kodowałyby kierunek, w którym porusza się podmiot i byłyby zlokalizowane w grzbietowym jądrze nakrywki pnia mózgu. Z drugiej strony komórki brzegowe to komórki, które zwiększają swoją szybkość wypalania, gdy obiekt staje się zbliżają się do granic danej przestrzeni i możemy je znaleźć w subiculum – specyficznym obszarze hipokamp-. Przedstawimy uproszczony przykład, w którym postaramy się podsumować funkcję każdego typu komórki:

Wyobraź sobie, że jesteś w jadalni swojego domu i chcesz iść do kuchni. Ponieważ jesteś w jadalni swojego domu, będziesz miał celę, która będzie się uruchamiać, dopóki pozostaniesz w remain jadalni, ale ponieważ chcesz iść do kuchni, będziesz miał również aktywowaną komórkę miejsca, która reprezentuje kuchnia. Aktywacja będzie jasna, ponieważ Twój dom to przestrzeń, którą doskonale znasz, a aktywację można wykryć zarówno w komórkach lokalu, jak i w komórkach sieci.

Teraz zacznij iść w kierunku kuchni. Będzie grupa określonych komórek adresowych, które będą teraz uruchamiane i nie zmienią się, dopóki zachowasz określony adres. Teraz wyobraź sobie, że aby przejść do kuchni, musisz skręcić w prawo i przejść przez wąski korytarz. W momencie, gdy skręcisz, twoje komórki sterujące będą o tym wiedzieć, a inny zestaw komórek sterujących zarejestruje kierunek, w którym teraz obrał kierunek włączenia, a poprzednie się wyłączą.

Wyobraź sobie również, że korytarz jest wąski i każdy niewłaściwy ruch może spowodować, że uderzysz o ścianę, więc twoje komórki graniczne zwiększą swoją szybkostrzelność. Im bliżej ściany korytarza, tym większą szybkość strzelania będą pokazywały jej komórki krawędziowe. Pomyśl o komórkach krawędziowych, takich jak czujniki niektórych nowszych samochodów, które dają sygnał dźwiękowy, gdy manewrujesz, aby zaparkować. Komórki graniczne Działają podobnie do tych czujników, im bliżej jesteś zderzenia, tym więcej hałasują. Kiedy dotrzesz do kuchni, twoje komórki miejsca wskażą ci, że dotarły w zadowalający sposób i będąc większym środowiskiem, twoje komórki na krawędzi zrelaksują się.

Skończmy wszystko komplikować

Ciekawe, że nasz mózg ma sposoby na poznanie naszej pozycji. Pozostaje jednak pytanie: jak pogodzić pamięć deklaratywną z nawigacją przestrzenną w hipokampie, czyli jak nasza pamięć wpływa na te mapy? A może nasze wspomnienia powstały z tych map? Aby spróbować odpowiedzieć na to pytanie, musimy się zastanowić. Inne badania wykazały, że te same komórki, które kodują przestrzeń, o której już mówiliśmy, kodują również czas. Tak więc mówi się o komórki czasu (Eichenbaum, 2014), które zakodowałyby percepcję czasu.

Zaskakujące w tej sprawie jest to, że istnieje coraz więcej dowodów na poparcie tezy, że komórki miejsca są tym samym co komórki czasu. Wtedy ten sam neuron poprzez te same impulsy elektryczne jest w stanie kodować przestrzeń i czas. Zagadką pozostaje związek zakodowania czasu i przestrzeni w tych samych potencjałach czynnościowych i ich znaczenie w pamięci.

Podsumowując: moja osobista opinia

Moja opinia na ten temat? Zdejmuję sukienkę naukowca, mogę to powiedzieć ludzie mają tendencję do myślenia o łatwej opcji i lubimy myśleć, że mózg mówi tym samym językiem co my. Problem polega na tym, że mózg oferuje nam uproszczoną wersję rzeczywistości, którą sam przetwarza. W sposób podobny do cieni w jaskini Platona. W ten sposób, podobnie jak w fizyce kwantowej, bariery dla tego, co rozumiemy jako rzeczywistość, są przełamywane, neurobiologia odkrywamy, że w mózgu rzeczy różnią się od świata, który postrzegamy świadomie i musimy mieć bardzo otwarty umysł, że rzeczy nie muszą być takie, jakie są w rzeczywistości postrzegamy je.

Jedyne, co jest dla mnie jasne, to coś, co Antonio Damasio często powtarza w swoich książkach: mózg jest świetnym generatorem map. Być może mózg interpretuje czas i przestrzeń w ten sam sposób, tworząc mapy naszych wspomnień. A jeśli wydaje ci się to chimeryczne, pomyśl, że Einsten w swojej teorii względności jedną z postulowanych teorii głosił, że czasu nie można zrozumieć bez przestrzeni i vice versa. Niewątpliwie rozwikłanie tych tajemnic jest wyzwaniem, tym bardziej, gdy są one trudnymi aspektami do badania na zwierzętach.

Nie należy jednak szczędzić wysiłków w tych kwestiach. Najpierw z ciekawości. Jeśli badamy rozszerzanie się wszechświata lub ostatnio zarejestrowane fale grawitacyjne, dlaczego nie mielibyśmy badać, jak nasz mózg interpretuje czas i przestrzeń? A po drugie, wielu patologie neurodegeneracyjne podobnie jak choroba Alzheimera, ich pierwszymi objawami są dezorientacja czasowo-przestrzenna. Znając neurofizjologiczne mechanizmy tego kodowania moglibyśmy odkryć nowe aspekty, które pomogą lepiej zrozumieć patologiczny przebieg tych chorób i kto wie, czy odkrywać nowe cele leków, czy nie farmakologiczny.

Odniesienia bibliograficzne:

• Eichenbaum H. 2014. Komórki czasu w hipokampie: nowy wymiar mapowania wspomnień. Natura 15: 732-742
• Frank LM, Brown EN, Wilson M. 2000. Kodowanie trajektorii w hipokampie i korze śródwęchowej. Neuron 27: 169-178.
• Fyhn M, Molden S, Witter MP, Moser EI, Moser M-B. 2004. Reprezentacja przestrzenna w korze śródwęchowej. Nauka 305: 1258–1264
• Kentros C, Hargreaves E, Hawkins RD, Kandel ER, Shapiro M, Muller RV. 1998. Zniesienie długoterminowej stabilności nowych map komórkowych miejsca hipokampa przez blokadę receptora NMDA. Nauka 280: 2121-2126.
• Monako JD, Abbott LF. 2011. Modularne wyrównanie aktywności komórek siatki śródwęchowej jako podstawa remapowania hipokampa. J Neurosci 31: 9414-9425.
• O'Keefe J, Speakman A. 1987. Aktywność pojedynczej jednostki w hipokampie szczura podczas zadania pamięci przestrzennej. Exp Brain Res 68: 1 –27.
• Scoville WB, Milner B (1957). Utrata pamięci świeżej po obustronnej hipokampallezji. J Neurol Neurosurg Psychiatry 20: 11–21.