„Celulele locului”, ceva de genul GPS creierului nostru

Orientarea și explorarea în spații noi sau necunoscute este una dintre facultățile cognitive pe care le folosim cel mai des. O folosim pentru a ne orienta în casa noastră, în cartierul nostru, pentru a merge la muncă.

Depindem de ea și atunci când călătorim într-un oraș nou și necunoscut pentru noi. O folosim chiar și atunci când conducem și, eventual, cititorul va fi fost victima unei orientări nepăsătoare sau în cea a unui coleg, care îl va fi condamnat să se piardă, fiind obligat să conducă mașina până când a găsit ruta adecvat.

Nu este vina orientării, este vina hipocampului

Toate acestea sunt situații care tind să ne frustreze foarte mult și care ne determină să ne blestemăm orientarea sau a celorlalți cu insulte, țipete și comportamente diverse. Bine, Ei bine, astăzi voi da o apăsare pe mecanismele neurofiziologice de orientare, în a noastră GPS creier să ne înțeleagă.

Vom începe prin a fi specifici: nu trebuie să blestemăm orientarea, deoarece este doar un produs al activității noastre neuronale în anumite regiuni. Prin urmare, vom începe prin a ne blestema hipocamp.

Hipocampul ca structură a creierului

Evolutiv, hipocampul este o structură veche, face parte din archicortex, adică acele structuri care sunt filogenetic mai vechi în specia noastră. Din punct de vedere anatomic, face parte din sistemul limbic, în care se găsesc și alte structuri, cum ar fi amigdala. Sistemul limbic este considerat substratul morfologic al memoriei, emoțiilor, învățării și motivației.

Cititorul, eventual dacă este obișnuit cu psihologia, va ști că hipocampul este o structură necesară pentru consolidarea amintirilor. declarativ, adică cu acele amintiri cu conținut episodic despre experiențele noastre sau semantice (Nadel și O'Keefe, 1972).

Dovadă în acest sens sunt studiile abundente care există despre cazul popular al „pacientului HM”, un pacient căruia i s-au îndepărtat ambele emisfere temporale. producând o amnezie anterogradă devastatoare, adică nu a putut memora fapte noi, deși și-a păstrat majoritatea amintirilor dinaintea Operațiune. Pentru cei care doresc să aprofundeze acest caz, recomand studiile lui Scoville și Millner (1957), care au studiat exhaustiv pacientul HM.

Celulele locului: ce sunt acestea?

Până acum nu spunem nimic nou sau nimic surprinzător. Dar a fost în 1971 când întâmplător a fost descoperit un fapt care a generat începutul studiului sistemelor de navigație din creier. O'keefe și John Dostrovski, folosind electrozi intracranieni, au fost capabili să înregistreze activitatea neuronilor hipocampici specifici la șobolani. Aceasta a oferit posibilitatea ca, în timp ce efectua diferite teste de comportament, animalul să fie treaz, conștient și să se miște liber.

Ceea ce nu se așteptau să descopere a fost că au existat neuroni care au răspuns selectiv pe baza zonei în care a fost localizat șobolanul. Nu este vorba de existența unor neuroni specifici la fiecare poziție (de exemplu, nu există un neuron pentru baia dvs.), ci asta observate în CA1 (o regiune specifică a hipocampului) celule care au marcat repere care s-ar putea adapta la diferite spații.

Aceste celule au fost numite plasează celulele. Prin urmare, nu există un neuron al locului pentru fiecare spațiu specific pe care îl frecventați, ci mai degrabă acestea sunt puncte de referință care vă raportează la mediul vostru; așa se formează sistemele de navigație egocentrică. Neuronii locului vor forma, de asemenea, sisteme de navigație alocentrică care vor lega elementele spațiului între ele.

Programare înnăscută vs experiență

Această descoperire a nedumerit mulți neurologi, care priveau hipocampul ca fiind o structură de învățare declarativă și acum au văzut cum a fost capabilă să codeze informații spaţiu. Acest lucru a dat naștere ipotezei „hărții cognitive” care ar postula că o reprezentare a mediului nostru va fi generată în hipocamp.

La fel ca el creier Este un generator excelent de hărți pentru alte modalități senzoriale, cum ar fi codarea semnalelor vizuale, auditive și somatosenzoriale; Nu este nerezonabil să ne gândim la hipocamp ca la o structură care generează hărți ale mediului nostru și care garantează orientarea noastră în ele.

Cercetările au mers mai departe și au testat această paradigmă în situații foarte diverse. S-a văzut, de exemplu, că plasează celulele în sarcinile labirintului atunci când animalul face greșeli sau când se află într-o poziție în care neuronul ar trage în mod normal (O'keefe și Speakman, 1987). În sarcinile în care animalul trebuie să se deplaseze prin diferite spații, s-a văzut că plasează neuronii în funcție de unde vine animalul și de unde se îndreaptă (Frank și colab., 2000).

Cum se formează hărțile spațiale

Un alt obiectiv principal al interesului de cercetare în acest domeniu a fost asupra modului în care se formează aceste hărți spațiale. Pe de o parte, am putea crede că celulele locului își stabilesc funcția pe baza experienței pe care o primim când explorăm un mediu sau ne-am putea gândi că este o componentă de bază a circuitelor noastre cerebrale, adică înnăscut. Întrebarea nu este încă clară și putem găsi dovezi empirice care susțin ambele ipoteze.

Pe de o parte, experimentele Monaco și Abbott (2014), care au înregistrat activitatea unui număr mare de celule ale sitului, au avut deoarece, atunci când un animal este plasat într-un mediu nou, durează câteva minute până când aceste celule încep să tragă cu normal. Astfel încât, hărțile locului ar fi exprimate, într-un fel, din momentul în care un animal intră într-un mediu nou, dar experiența ar face ca aceste hărți să fie modificate în viitor.

Prin urmare, am putea crede că plasticitatea creierului joacă un rol în formarea hărților spațiale. Apoi, dacă plasticitatea a jucat într-adevăr un rol, ne-am aștepta ca șoarecii knockout să elimine receptorul NMDA pentru neurotransmițătorul glutamat - adică șoarecii care nu exprimă acest receptor - nu au generat hărți spațiale deoarece acest receptor joacă un rol fundamental în plasticitatea creierului și învăţare.

Plasticitatea joacă un rol important în menținerea hărților spațiale

Cu toate acestea, acest lucru nu este cazul și s-a văzut că șoarecii knock-out la receptorul NMDA sau șoarecii care au fost tratați farmacologic Pentru a bloca acest receptor, aceștia exprimă modele similare de răspuns de la celulele locului în medii noi sau familiare. Acest lucru sugerează că exprimarea hărților spațiale este independentă de plasticitatea creierului (Kentrol și colab., 1998). Aceste rezultate ar susține ipoteza că sistemele de navigație sunt independente de învățare.

În ciuda tuturor, folosind logica, mecanismele plasticității creierului trebuie să fie în mod clar necesare pentru stabilitatea memoriei hărților nou formate. Și, dacă nu ar fi așa, ce folos ar avea experiența pe care o formează pe baza plimbării pe străzile orașului lor? Nu am avea întotdeauna senzația că este prima dată când intrăm în casa noastră? Cred că, la fel ca în atâtea alte ocazii, ipotezele sunt mai complementare decât par și, cumva, în ciuda funcționării înnăscute a acestor funcții, plasticitatea trebuie să joace un rol în păstrarea acestor hărți spațiale în memorie.

Celule de rețea, adresă și margine

Este destul de abstract să vorbim despre celulele locului și, probabil, mai mult de un cititor a fost surprins că aceeași zonă a creierului care generează amintiri servește, ca să spunem așa, ca GPS. Dar nu am terminat și cel mai bun este încă să vină. Acum, să curbăm bucla cu adevărat. La început, s-a crezut că navigația spațială va depinde exclusiv de hipocampus atunci când s-a văzut asta Structurile adiacente, cum ar fi cortexul entorhinal, au prezentat o activare foarte slabă în funcție de spațiu (Frank și colab. al., 2000).

Cu toate acestea, în aceste studii, activitatea a fost înregistrată în zonele ventrale ale cortexului entorhinal și în studii zone posterioare, s-au înregistrat zone dorsale care au un număr mai mare de conexiuni cu hipocampul (Fyhn et al., 2004). Astfel încât s-a observat că multe celule din această regiune trag în funcție de poziție, similar hipocampului. Până în prezent, sunt rezultate care se așteptau să fie găsite, dar când au decis să mărească suprafața pe care o vor înregistra în cortexul entorhinal au avut o surpriză: Printre grupurile de neuroni care au fost activați în funcție de spațiul ocupat de animal, existau zone aparent tăcute - adică nu erau activat. Când regiunile care au prezentat activare au fost practic unite, au fost observate tipare sub formă de hexagoane sau triunghiuri. Aceștia au numit acești neuroni din cortexul entorhinal „celule de rețea”.

Prin descoperirea celulelor de rețea, s-a văzut posibilitatea de a rezolva problema cum se formează celulele locului. Deoarece celulele au numeroase conexiuni de celule de rețea, nu este nerezonabil să credem că sunt formate din acestea. Cu toate acestea, încă o dată, lucrurile nu sunt atât de simple, iar dovezile experimentale nu au confirmat această ipoteză. Nici modelele geometrice care formează celulele rețelei nu au fost încă interpretate.

Sistemele de navigație nu sunt limitate la hipocamp

Complexitatea nu se termină aici. Cu atât mai puțin atunci când s-a văzut că sistemele de navigație nu se limitează la hipocamp. Acest lucru a extins limitele cercetării către alte zone ale creierului, descoperind astfel alte tipuri de celule legate de celulele locului: celule de direcție și celule de margine.

Celulele de direcție ar codifica direcția în care se deplasează subiectul și ar fi localizate în nucleul tegmental dorsal al trunchiului cerebral. Celulele marginale, pe de altă parte, sunt celule care și-ar crește rata de tragere pe măsură ce subiectul devine abordăm limitele unui spațiu dat și le putem găsi în regiunea specifică a subiculului hipocamp-. Vom oferi un exemplu simplificat în care vom încerca să rezumăm funcția fiecărui tip de celulă:

Imaginează-ți că ești în sufrageria casei tale și vrei să mergi la bucătărie. În timp ce vă aflați în sufrageria casei dvs., veți avea o celulă care va declanșa atâta timp cât rămâneți în sala de mese, dar din moment ce doriți să mergeți la bucătărie, veți avea, de asemenea, o altă celulă activată care reprezintă bucătărie. Activarea va fi clară deoarece casa dvs. este un spațiu pe care îl cunoașteți perfect și activarea poate fi detectată atât în ​​celulele locului, cât și în celulele rețelei.

Acum, începeți să mergeți spre bucătărie. Va exista un grup de celule de adresă specifice care se vor declanșa acum și nu se vor schimba atâta timp cât mențineți o adresă specifică. Acum, imaginați-vă că pentru a merge la bucătărie trebuie să faceți dreapta și să traversați un hol îngust. În momentul în care vă întoarceți, celulele de direcție îl vor cunoaște și un alt set de celule de direcție va înregistra direcția pe care a luat-o acum activând, iar cele anterioare vor fi dezactivate.

Imaginați-vă, de asemenea, că coridorul este îngust și orice mișcare greșită vă poate face să vă prăbușiți de perete, astfel încât celulele dvs. de la graniță vor crește rata de foc. Cu cât te apropii de peretele coridorului, cu atât ar fi mai mare rata de tragere a celulelor sale de margine. Gândiți-vă la celule de margine, cum ar fi senzorii pe care le au unele mașini mai noi, care dau un semnal sonor atunci când manevrați pentru a parca. Celule de margine Acestea funcționează în mod similar cu acești senzori, cu cât sunteți mai aproape de coliziune, cu atât fac mai mult zgomot. Când ajungi la bucătărie, celulele tale de loc îți vor fi indicat că a ajuns satisfăcător și că este un mediu mai mare, celulele tale de margine se vor relaxa.

Să terminăm de complicat totul

Este curios să ne gândim că creierul nostru are modalități de a ne cunoaște poziția. Dar rămâne o întrebare: cum putem concilia memoria declarativă cu navigația spațială în hipocamp? Adică, cum influențează amintirile noastre pe aceste hărți? Sau poate că amintirile noastre s-au format din aceste hărți? Pentru a încerca să răspundem la această întrebare, trebuie să ne gândim puțin mai departe. Alte studii au arătat că aceleași celule care codifică spațiul, despre care am vorbit deja, codifică și timpul. Astfel, s-a vorbit despre celule de timp (Eichenbaum, 2014) care ar codifica percepția timpului.

Lucrul surprinzător al cazului este că există dovezi în creștere care susțin ideea că celulele locului sunt aceleași cu celulele timpului. Apoi, același neuron prin aceleași impulsuri electrice este capabil să codifice spațiul și timpul. Relația de codificare a timpului și spațiului în aceleași potențiale de acțiune și importanța lor în memorie rămân un mister.

În concluzie: părerea mea personală

Părerea mea despre asta? Îmi scot rochia de savant, pot spune asta ființele umane tind să se gândească la opțiunea ușoară și ne place să credem că creierul vorbește același limbaj ca și noi. Problema este că creierul ne oferă o versiune simplificată a realității pe care o procesează singură. Într-un mod similar cu umbrele din peștera lui Platon. Astfel, la fel ca în fizica cuantică, barierele din ceea ce înțelegem ca realitate sunt defalcate, în neuroștiințe descoperim că în creier lucrurile sunt diferite de lumea pe care o percepem conștient și trebuie să avem o minte foarte deschisă că lucrurile nu trebuie să fie așa cum sunt cu adevărat le percepem.

Singurul lucru care îmi este clar este ceva pe care Antonio Damasio îl folosește pentru a repeta multe în cărțile sale: creierul este un mare generator de hărți. Poate că creierul interpretează timpul și spațiul în același mod pentru a forma hărți ale amintirilor noastre. Și dacă vi se pare chimeric, gândiți-vă că Einsten, în teoria sa relativității, una dintre teoriile pe care le postulează era că timpul nu putea fi înțeles fără spațiu și invers. Fără îndoială, dezvăluirea acestor mistere este o provocare, cu atât mai mult atunci când sunt aspecte dificile de studiat la animale.

Cu toate acestea, nu ar trebui depuse eforturi pentru aceste probleme. Mai întâi din curiozitate. Dacă studiem expansiunea universului sau undele gravitaționale recent înregistrate, de ce nu am fi studiat modul în care creierul nostru interpretează timpul și spațiul? Și în al doilea rând, multe dintre patologii neurodegenarative la fel ca boala Alzheimer, primele lor simptome sunt dezorientarea spațio-temporală. Cunoscând mecanismele neurofiziologice ale acestei codificări am putea descoperi noi aspecte care ne vor ajuta să înțeleagă mai bine evoluția patologică a acestor boli și, cine știe, dacă descoperă sau nu ținte medicamentoase farmacologic.

Referințe bibliografice:

• Eichenbaum H. 2014. Celulele orare din hipocamp: o nouă dimensiune pentru cartografierea amintirilor. Natura 15: 732-742
• Frank LM, Brown EN, Wilson M. 2000. Codificarea traiectoriei în hipocamp și cortex entorhinal. Neuron 27: 169–178.
• Fyhn M, Molden S, Witter MP, Moser EI, Moser M-B. 2004. Reprezentarea spațială în cortexul entorhinal. Știința 305: 1258–1264
• Kentros C, Hargreaves E, Hawkins RD, Kandel ER, Shapiro M, Muller RV. 1998. Abolirea stabilității pe termen lung a noilor hărți ale celulelor locului hipocampic prin blocarea receptorilor NMDA. Știință 280: 2121-2126.
• Monaco JD, Abbott LF. 2011. Realinierea modulară a activității celulei de rețea entorhinală ca bază pentru remaparea hipocampului. J Neurosci 31: 9414-9425.
• O'Keefe J, Speakman A. 1987. Activitate de unitate unică în hipocampul șobolanului în timpul unei sarcini de memorie spațială. Exp Brain Res 68: 1 –27.
• Scoville WB, Milner B (1957). Pierderea memoriei recente după hipocampallesion bilateral. J Neurol Neurosurg Psychiatry 20: 11-21.