"Celice kraja", nekaj takega kot naš možganski GPS

Usmerjenost in raziskovanje v novih ali neznanih prostorih je ena od kognitivnih sposobnosti, ki jo najpogosteje uporabljamo. Uporabljamo ga za orientacijo v naši hiši, soseski, za odhod v službo.

Od tega smo odvisni tudi, ko potujemo v novo in nam neznano mesto. Uporabljamo ga tudi med vožnjo in verjetno je bil bralec žrtev neprevidne orientacije oz v kolega, ki ga bo obsodil, da se je izgubil, ko je bil prisiljen voziti avto, dokler ni našel poti ustrezna.

Krivda ni orientacija, kriv je hipokampus

Vse to so situacije, ki nas ponavadi zelo frustrirajo in zaradi katerih z žaljivkami, vpitjem in različnim vedenjem preklinjamo svojo usmerjenost ali usmerjenost drugih. No, No, danes bom podal čopič o nevrofizioloških mehanizmih orientacije, v našem Brain GPS da nas razumejo.

Začeli bomo z natančnostjo: ne smemo preklinjati orientacije, saj je to le produkt naše nevronske aktivnosti v določenih regijah. Zato bomo začeli s preklinjanjem našega hipokampus.

Hipokampus kot možganska struktura

Evolucijsko je hipokampus starodavna struktura, je del arhikorteksa, torej tistih struktur, ki so pri naši vrsti filogenetski starejše. Anatomsko je del limbičnega sistema, v katerem najdemo tudi druge strukture, kot je amigdala. Limbični sistem velja za morfološki substrat spomina, čustev, učenja in motivacije.

Bralec, morda če je vajen psihologije, bo vedel, da je hipokampus nujna struktura za utrditev spominov. deklarativno, torej s tistimi spomini z epizodno vsebino o naših izkušnjah ali pomensko (Nadel in O'Keefe, 1972).

Dokaz za to so obilne študije o priljubljenem primeru "bolnika z zdravstvenim stanjem", bolnika, ki so mu odstranili obe časovni polobli. ki je povzročil uničujočo anterogradno amnezijo, torej ni mogel zapomniti novih dejstev, čeprav je večino svojih spominov ohranil pred delovanje. Tistim, ki se želijo poglobiti v ta primer, priporočam raziskave Scovillea in Millnerja (1957), ki sta izčrpno preučila pacientovo HM.

Celice kraja: kaj so?

Zaenkrat ne povemo nič novega ali česar koli presenetljivega. Toda to je bilo leta 1971, ko je bilo po naključju odkrito dejstvo, ki je začelo preučevanje navigacijskih sistemov v možganih. O'keefe in John Dostrovski z uporabo intrakranialnih elektrod, so lahko zabeležili aktivnost določenih hipokampalnih nevronov pri podganah. To je ponujalo možnost, da je bila žival med izvajanjem različnih vedenjskih testov budna, zavestna in se je prosto gibala.

Niso pričakovali, da bodo odkrili, da obstajajo nevroni, ki so se odzivali selektivno glede na območje, na katerem je bila podgana. Ne gre za to, da bi bili na vsakem položaju določeni nevroni (na primer za vašo kopalnico ni nevrona), ampak to opazili v celicah CA1 (določena regija hipokampa), ki so označevale mejnike, ki bi se lahko prilagodili različnim prostorih.

Te celice so bile imenovane postavite celice. Zato ne gre za to, da za vsak določen prostor obstaja nevronski prostor, ki ga obiskujete, temveč so referenčne točke, ki vas povezujejo z vašim okoljem; tako nastajajo egocentrični navigacijski sistemi. Nevroni kraja bodo tvorili tudi alocentrične navigacijske sisteme, ki bodo medsebojno povezovali elemente vesolja.

Prirojeno programiranje proti izkušnjam

To odkritje je zmedlo številne nevroznanstvenike, ki so na hipokampus gledali deklarativno učno strukturo in zdaj so videli, kako lahko kodira informacije vesolja. To je povzročilo hipotezo o "kognitivnem zemljevidu", ki bi predpostavil, da bo v hipokampusu ustvarjena predstavitev našega okolja.

Enako kot on možgane je odličen generator zemljevidov za druge senzorične načine, kot so vizualno, slušno in somatosenzorično kodiranje signalov; Ni nerazumno razmišljati o hipokampusu kot strukturi, ki ustvarja zemljevide našega okolja in ki zagotavlja našo orientacijo v njih.

Raziskave so šle dlje in preizkusile to paradigmo v zelo različnih situacijah. Videti je bilo na primer, da celice pri nalogah labirinta postavljajo ogenj, ko žival naredi napake oz ko je v položaju, v katerem bi nevron običajno streljal (O'keefe in Speakman, 1987). Pri nalogah, pri katerih se mora žival premikati skozi različne prostore, je bilo opaziti, da nevroni sprožijo ogenj, odvisno od tega, od kod žival prihaja in kam gre (Frank in sod., 2000).

Kako se oblikujejo prostorski zemljevidi

Drugi glavni poudarek raziskovalnega zanimanja na tem področju je bil način oblikovanja teh prostorskih zemljevidov. Po eni strani bi lahko mislili, da celice kraja določajo svojo funkcijo na podlagi izkušenj, ki smo jih deležni raziskujemo okolje ali bi lahko mislili, da je osnovna sestavina naših možganskih vezij, to je, prirojena. Vprašanje še ni jasno in najdemo empirične dokaze, ki podpirajo obe hipotezi.

Po eni strani so poskusi Monaka in Abbotta (2014), ki so zabeležili aktivnost velikega števila celic mesta, ker ko žival postavijo v novo okolje, traja nekaj minut, da začnejo te celice streljati normalno. Torej, zemljevidi krajev bi bili na nek način izraženi od trenutka, ko žival vstopi v novo okolje, vendar bi izkušnje te zemljevide v prihodnosti spremenile.

Zato bi lahko mislili, da ima plastičnost možganov pomembno vlogo pri oblikovanju prostorskih zemljevidov. Potem, če bi plastičnost resnično imela vlogo, bi pričakovali, da bodo izločljive miši izločile receptor NMDA za nevrotransmiter glutamat - to je miši ki ne izražajo tega receptorja - niso ustvarili prostorskih zemljevidov, ker ima ta receptor ključno vlogo pri plastičnosti možganov in učenje.

Plastičnost ima pomembno vlogo pri vzdrževanju prostorskih zemljevidov

Vendar temu ni tako in je bilo ugotovljeno, da so miši, ki izbijejo receptorje NMDA, ali miši, ki so bile zdravljene farmakološko Da bi blokirali ta receptor, izražajo podobne vzorce odziva celic v novih ali znanih okoljih. To kaže na to, da je izražanje prostorskih zemljevidov neodvisno od plastičnosti možganov (Kentrol et al., 1998). Ti rezultati bi podprli hipotezo, da so navigacijski sistemi neodvisni od učenja.

Kljub vsemu morajo biti z uporabo logike mehanizmi plastičnosti možganov očitno nujni za stabilnost spomina novonastalih zemljevidov. In če ne bi bilo tako, kakšno korist bi imela izkušnja, ki jo ustvari posameznik, ki temelji na sprehodu po ulicah svojega mesta? Ali ne bi imeli vedno občutka, da prvič vstopimo v svojo hišo? Verjamem, da se hipoteze, tako kot ob številnih drugih priložnostih, bolj dopolnjujejo, kot se zdijo in nekako kljub prirojenemu delovanju teh funkcij plastičnost mora imeti pomembno vlogo pri ohranjanju teh prostorskih zemljevidov v spominu.

Mrežne, naslovne in robne celice

Precej abstraktno je govoriti o krajevnih celicah in morda je več kot en bralec presenečen, da isto področje možganov, ki ustvarja spomine, tako rekoč služi kot GPS. Nismo pa končali in najboljše šele prihaja. Zdaj pa zavijmo kodro zares. Sprva so mislili, da bo vesoljska navigacija odvisna izključno od hipokampusa, ko se bo to videlo Sosednje strukture, kot je entorinalna skorja, so pokazale zelo šibko aktivacijo v odvisnosti od prostora (Frank et al. al., 2000).

Vendar so v teh študijah zabeležili aktivnost v ventralnih predelih entorinalne skorje in v študijah posteriorna območja, zabeleženi so hrbtni predeli, ki imajo večje število povezav s hipokampusom (Fyhn et al., 2004). Torej to Število celic v tej regiji je bilo opaziti, da se sprožijo v odvisnosti od položaja, podobno kot hipokampus. Zaenkrat gre za rezultate, za katere se je pričakovalo, da jih bodo našli, toda ko so se odločili, da bodo povečali površino, ki jo bodo registrirali v entorinalni skorji, so bili presenečeni: Med skupinami nevronov, ki so se aktivirale kot funkcija prostora, ki ga je zasedla žival, so bila očitno tiha območja - to pomeni, da niso aktivirano. Ko so se regije, ki so pokazale aktivacijo, tako rekoč združile, so opazili vzorce v obliki šesterokotnikov ali trikotnikov. Tem nevronom v entorinalni skorji so rekli "mrežne celice".

Z odkrivanjem mrežnih celic se je videla možnost rešitve vprašanja, kako nastajajo krajevne celice. Ker imajo celice številne povezave mrežnih celic, ni nerazumno misliti, da so oblikovane iz njih. Vendar še enkrat stvari niso tako enostavne in eksperimentalni dokazi te hipoteze niso potrdili. Tudi geometrijski vzorci, ki tvorijo mrežne celice, še niso interpretirani.

Navigacijski sistemi niso omejeni na hipokampus

Zapletenost se tu še ne konča. Še manj, ko je bilo ugotovljeno, da navigacijski sistemi niso omejeni na hipokampus. To je razširilo meje raziskav na druga možganska področja in tako odkrilo druge vrste celic, povezanih s celicami kraja: smerne celice in robne celice.

Usmerjevalne celice bi kodirale smer, v kateri se oseba premika, in bi se nahajale v hrbtnem tegmentalnem jedru možganskega debla. Robne celice pa so celice, ki bi povečale hitrost streljanja, ko subjekt postane približujemo se mejam danega prostora in jih lahko najdemo v območju, ki je specifično za subiculum hipokampus-. Ponudili bomo poenostavljen primer, v katerem bomo poskušali strniti funkcijo vsake vrste celice:

Predstavljajte si, da ste v jedilnici svoje hiše in želite v kuhinjo. Ker ste v jedilnici svoje hiše, boste imeli prostorno celico, ki bo gorela, dokler boste v njej jedilnica, ker pa želite iti v kuhinjo, boste imeli tudi drugo aktivirano celico, ki predstavlja kuhinjo. Aktivacija bo jasna, saj je vaš dom prostor, ki ga popolnoma dobro poznate in ga je mogoče zaznati tako v celicah mesta kot v celicah omrežja.

Zdaj pa začnite hoditi proti kuhinji. Obstajala bo skupina določenih naslovnih celic, ki se bodo sprožale in se ne bodo spreminjale, dokler boste vzdrževali določen naslov. Zdaj pa si predstavljajte, da morate v kuhinjo zaviti desno in prečkati ozek hodnik. V trenutku, ko zavijete, bodo vaše krmilne celice to vedele, drugi sklop krmilnih celic pa bo zapisal smer, po kateri se je zdaj aktivirala, prejšnje pa bodo deaktivirane.

Predstavljajte si tudi, da je hodnik ozek in da lahko vsako napačno premikanje povzroči strmoglavljenje ob steno, zato bodo vaše obmejne celice povečale hitrost požara. Bolj ko se približate steni hodnika, večjo hitrost streljanja bi pokazale njegove robne celice. Pomislite na robne celice, kot so senzorji, ki jih imajo nekateri novejši avtomobili in ki oddajajo zvočni signal, ko manevrirate za parkiranje. Mejne celice Delujejo na podoben način kot ti senzorji, bolj ko se bližate trčenju, več hrupa povzročajo. Ko pridete v kuhinjo, vam bodo vaše krajevne celice pokazale, da je prispela zadovoljivo in da so vaše robne celice sproščene, ker je večje okolje.

Zaključimo vse s kompliciranjem

Nenavadno je misliti, da naši možgani lahko poznajo naš položaj. Vendar ostaja vprašanje: kako v hipokampusu uskladimo deklarativni spomin s prostorsko navigacijo? Se pravi, kako naši spomini vplivajo na te zemljevide? Ali pa bi se lahko iz teh zemljevidov oblikovali naši spomini? Da bi poskušali odgovoriti na to vprašanje, moramo malo razmisliti. Druge študije so poudarile, da iste celice, ki kodirajo prostor, o katerem smo že govorili, kodirajo tudi čas. Tako se je že govorilo o tem časovne celice (Eichenbaum, 2014), ki bi kodiral dojemanje časa.

Presenetljivo pri primeru je to čedalje več dokazov podpira idejo, da so krajevne celice enake celicam časa. Potem je isti nevron skozi iste električne impulze sposoben kodirati prostor in čas. Povezava kodiranja časa in prostora v istih akcijskih potencialih in njihov pomen v spominu ostajata skrivnost.

Za konec: moje osebno mnenje

Moje mnenje o tem? Če slečem svojo znanstveno obleko, lahko to rečem ljudje ponavadi razmišljajo o enostavni možnosti in radi mislimo, da možgani govorijo isti jezik kot mi. Težava je v tem, da nam možgani ponujajo poenostavljeno različico realnosti, ki jo sami obdelajo. Na nek način podoben sencam v Platonovi jami. Tako, tako kot v kvantni fiziki, se tudi v nevroznanost odkrijemo, da se stvari v možganih razlikujejo od sveta, ki ga zaznavamo zavestno in moramo imeti zelo odprt um, da ni treba, da so stvari takšne, kot so v resnici jih zaznavamo.

Jasno mi je le nekaj, s čimer Antonio Damasio v svojih knjigah veliko ponavlja: možgani so odličen generator zemljevidov. Morda si možgani na enak način razlagajo čas in prostor, da tvorijo zemljevide naših spominov. In če se vam zdi himerno, pomislite, da je Einsten v svoji teoriji relativnosti ena od teorij, ki jo je postavil, trdila, da časa ni mogoče razumeti brez prostora in obratno. Nedvomno je razkrivanje teh skrivnosti izziv, še toliko bolj, če jih je težko proučiti na živalih.

Vendar si pri teh vprašanjih ne bi smeli prihraniti truda. Najprej iz radovednosti. Če preučujemo širjenje vesolja ali nedavno zabeležene gravitacijske valove, zakaj ne bi preučevali, kako si možgani razlagajo čas in prostor? In drugič, veliko nevrodegenarativne patologije tako kot Alzheimerjeva bolezen so njihovi prvi simptomi prostorsko-časovna dezorientacija. S poznavanjem nevrofizioloških mehanizmov tega kodiranja bi lahko odkrili nove vidike, ki bodo pomagali bolje razumeti patološki potek teh bolezni in, kdo ve, ali naj odkrijejo nove cilje na zdravila ali ne farmakološki.

Bibliografske reference:

• Eichenbaum H. 2014. Časovne celice v hipokampusu: nova dimenzija za preslikavo spominov. Narava 15: 732-742
• Frank LM, Brown EN, Wilson M. 2000. Kodiranje poti v hipokampusu in entorinalni skorji. Nevron 27: 169–178.
• Fyhn M, Molden S, Witter MP, Moser EI, Moser M-B. 2004. Prostorska predstavitev v entorinalni skorji. Znanost 305: 1258–1264
• Kentros C, Hargreaves E, Hawkins RD, Kandel ER, Shapiro M, Muller RV. 1998. Odprava dolgoročne stabilnosti novih celičnih map hipokampalnega mesta z blokado receptorjev NMDA. Znanost 280: 2121-2126.
• Monako JD, Abbott LF. 2011. Modularna prilagoditev aktivnosti celic entorinalne mreže kot osnova za preslikavo hipokampusa. J Neurosci 31: 9414–9425.
• O'Keefe J, Speakman A. 1987. Aktivnost ene enote v hipokampusu podgan med opravilom prostorskega spomina. Exp Brain Res 68: 1–27.
• Scoville WB, Milner B (1957). Izguba nedavnega spomina po dvostranski hipokampaliji. J Nevrol Nevrosurg Psychiatry 20: 11–21.