Platscellerna, något som GPS i vår hjärna

Orientering och utforskning i nya eller okända utrymmen är en av de kognitiva förmågor som vi använder oftast. Vi använder den för att orientera oss i vårt hus, vårt grannskap, för att gå till jobbet.

Vi är också beroende av det när vi reser till en ny och okänd stad för oss. Vi använder det även när vi kör och läsaren kommer eventuellt att ha blivit offer för en slarvig orientering eller i en kollegas, som kommer att ha fördömt honom att gå vilse, tvingas köra bilen tills han hittade rutten lämplig.

Det är inte orienteringens fel, det är hippocampusens fel

Allt detta är situationer som tenderar att frustrera oss mycket och som leder oss att förbanna vår eller andras orientering med förolämpningar, skrik och olika beteenden. Väl, Tja, idag ska jag ge en penseldrag på de neurofysiologiska orienteringsmekanismerna, i vår Hjärnan GPS att förstå oss.

Vi börjar med att vara specifika: vi får inte förbanna orienteringen eftersom detta bara är en produkt av vår neuronala aktivitet i specifika regioner. Därför börjar vi med att förbanna vår hippocampus.

Hippocampus som en hjärnstruktur

Evolutionärt är hippocampus en gammal struktur, den är en del av archicortex, det vill säga de strukturer som är fylogenetiskt äldre i vår art. Anatomiskt är det en del av det limbiska systemet, där andra strukturer som amygdala också finns. Limbic System anses vara det morfologiska substratet för minne, känslor, lärande och motivation.

Läsaren kanske om han är van vid psykologi vet att hippocampus är en nödvändig struktur för konsolidering av minnen deklarativ, det vill säga med de minnena med episodiskt innehåll om våra erfarenheter eller semantiska (Nadel och O'Keefe, 1972).

Bevis på detta är de omfattande studier som finns på det populära fallet med "HM-patienten", en patient som hade fått bort båda temporala halvklotet. producerar en förödande anterograd amnesi, det vill säga han kunde inte memorera nya fakta även om han behöll de flesta av sina minnen från innan drift. För dem som vill fördjupa sig i det här fallet rekommenderar jag studierna av Scoville och Millner (1957), som uttömmande studerade HM-patienten.

The Cells of Place: vad är de?

Hittills säger vi inte något nytt eller något överraskande. Men det var 1971 då det av en slump upptäcktes ett faktum som genererade början på studien av navigationssystem i hjärnan. O'keefe och John Dostrovski, med hjälp av intrakraniella elektroder, kunde registrera aktiviteten hos specifika hippocampusneuroner hos råttor. Detta erbjöd möjligheten att djuret var vaken, medveten och rörde sig fritt när han utför olika beteendestester.

Vad de inte förväntade sig att upptäcka var att det fanns nervceller som svarade selektivt baserat på det område där råttan var. Det är inte så att det fanns specifika neuroner vid varje position (det finns till exempel inget neuron för ditt badrum), utan det observerades i CA1 (en specifik region av hippocampus) celler som markerade landmärken som kunde anpassa sig till olika mellanslag.

Dessa celler kallades placera celler. Därför är det inte så att det finns en neuron av plats för varje specifikt utrymme som du besöker, utan de är snarare referenspunkter som relaterar dig till din miljö; så bildas egocentriska navigationssystem. Platsneuronerna kommer också att bilda allocentriska navigationssystem som kommer att relatera rymdelement till varandra.

Medfödd programmering vs erfarenhet

Denna upptäckt förbryllade många neurovetenskapsmän som betraktade hippocampus som en deklarativ inlärningsstruktur och nu såg de hur den kunde koda information Plats. Detta gav upphov till hypotesen om den "kognitiva kartan" som skulle postulera att en representation av vår miljö skulle genereras i hippocampus.

Samma som honom hjärna Det är en utmärkt kartgenerator för andra sensoriska modaliteter som visuell, auditiv och somatosensorisk signalkodning Det är inte orimligt att tänka på hippocampus som en struktur som genererar kartor över vår miljö och som garanterar vår orientering i dem.

Forskning har gått längre och testat detta paradigm i mycket olika situationer. Det har till exempel sett att placera celler i labyrintuppgifter avfyras när djuret gör misstag eller när den är i en position där neuronen normalt skulle skjuta (O'keefe och Speakman, 1987). I uppgifter där djuret måste röra sig genom olika utrymmen har man sett att neuroner avfyrar beroende på var djuret kommer ifrån och vart det går (Frank et al., 2000).

Hur rumskartor bildas

En annan av de främsta fokuserna för forskningsintresse inom detta område har varit hur dessa rumskartor bildas. Å ena sidan kan vi tro att platsceller fastställer sin funktion baserat på den erfarenhet vi får när vi utforskar en miljö, eller vi kanske tror att den är en underliggande komponent i våra hjärnkretsar, det vill säga medfödd. Frågan är ännu inte klar och vi kan hitta empiriska bevis som stöder båda hypoteserna.

Å ena sidan har experimenten från Monaco och Abbott (2014), som registrerat aktiviteten hos ett stort antal platsceller, eftersom när ett djur placeras i en ny miljö tar det flera minuter för dessa celler att börja skjuta med vanligt. Så att, platskartor skulle på något sätt uttryckas från det ögonblick ett djur går in i en ny miljö, men erfarenhet skulle göra att dessa kartor ändras i framtiden.

Därför kan vi tro att hjärnans plasticitet spelar en roll i bildandet av rumskartor. Om plasticitet verkligen spelade en roll, skulle vi förvänta oss knockout-möss till NMDA-receptorn för neurotransmittorn glutamat - det vill säga möss som inte uttrycker denna receptor - genererade inte rumskartor eftersom denna receptor spelar en grundläggande roll i hjärnans plasticitet och de inlärning.

Plasticitet spelar en viktig roll i underhållet av rumskartor

Detta är emellertid inte fallet, och man har sett att knockout-möss till NMDA-receptorn eller möss som har behandlats farmakologiskt För att blockera denna receptor uttrycker de liknande svarsmönster från platsceller i nya eller välbekanta miljöer. Detta antyder att uttryck för rumskartor är oberoende av hjärnans plasticitet (Kentrol et al., 1998). Dessa resultat skulle stödja hypotesen att navigationssystem är oberoende av lärande.

Trots allt, med hjälp av logik, måste hjärnans plasticitet vara klart nödvändig för minnesstabiliteten hos nybildade kartor. Och om det inte var så, vilken nytta skulle den upplevelse man bildar baserat på att gå på gatorna i deras stad vara? Skulle vi inte alltid känna att det är första gången vi går in i vårt hus? Jag tror att hypoteserna, som vid så många andra tillfällen, är mer komplementära än de verkar och på något sätt, trots att dessa funktioner är medfödda, plasticitet måste spela en roll för att hålla dessa rumskartor i minnet.

Nät-, adress- och kantceller

Det är ganska abstrakt att prata om celler på plats och kanske mer än en läsare har varit förvånad över att samma hjärnområde som genererar minnen tjänar så att säga GPS. Men vi är inte färdiga och det bästa återstår. Låt oss nu krulla locket på riktigt. Först trodde man att rymdnavigering uteslutande skulle bero på hippocampus när man såg det Intilliggande strukturer som entorhinal cortex visade mycket svag aktivering som en funktion av rymden (Frank et al. al., 2000).

I dessa studier registrerades dock aktivitet i ventrala områden i hjärnbarken och i studier bakre områden, ryggområden registrerades som har ett större antal anslutningar till hippocampus (Fyhn et al., 2004). Så att många celler i denna region observerades elda som en funktion av position, liknande hippocampus. Hittills är de resultat som förväntades hittas, men när de bestämde sig för att öka det område som de skulle registrera i hjärnbarken hade de en överraskning: Bland de grupper av neuroner som aktiverades som en funktion av djurets utrymme fanns det tydligen tysta områden - det vill säga de var inte aktiverad. När de regioner som visade aktivering så gott som sammanfogades observerades mönster i form av hexagoner eller trianglar. De kallade dessa nervceller i entorhinal cortex "nätverksceller."

Genom att upptäcka nätverksceller sågs en möjlighet att lösa frågan om hur celler av plats bildas. Eftersom celler har många anslutningar av nätverksceller är det inte orimligt att tro att de är bildade av dessa. Men återigen är saker inte så enkla och experimentella bevis har inte bekräftat denna hypotes. De geometriska mönster som bildar nätverkscellerna har ännu inte tolkats.

Navigationssystem är inte begränsade till hippocampus

Komplexiteten slutar inte här. Ännu mindre när man har sett att navigationssystem inte är begränsade till hippocampus. Detta har utvidgat gränserna för forskning till andra hjärnområden och därmed upptäckt andra typer av celler relaterade till platsceller: riktningsceller och kantceller.

Riktningsceller skulle koda i vilken riktning ämnet rör sig och skulle placeras i den dorsala tegmentala kärnan i hjärnstammen. Kantceller, å andra sidan, är celler som skulle öka deras avfyrningshastighet när motivet blir närma oss gränserna för ett visst utrymme och vi kan hitta dem i delområdets - specifika region i hippocampus-. Vi kommer att erbjuda ett förenklat exempel där vi försöker sammanfatta funktionen för varje cellstyp:

Tänk dig att du är i matsalen i ditt hus och att du vill gå till köket. Eftersom du är i matsalen i ditt hus kommer du att ha en platscell som kommer att skjuta så länge du stannar kvar i huset matsal, men eftersom du vill gå till köket har du också en annan aktiverad platscell som representerar kök. Aktiveringen kommer att vara tydlig eftersom ditt hem är ett utrymme som du känner mycket väl och aktiveringen kan detekteras både i platscellerna och i nätverkscellerna.

Börja nu gå mot köket. Det kommer att finnas en grupp med specifika adressceller som nu kommer att skjutas och kommer inte att ändras så länge du behåller en specifik adress. Föreställ dig nu att för att gå till köket måste du sväng höger och korsa en smal hall. I det ögonblick du vrider kommer dina styrceller att känna till det och en annan uppsättning styrceller kommer att registrera den riktning som det nu har tagit aktiveras, och de tidigare kommer att inaktiveras.

Föreställ dig också att korridoren är smal och att eventuella felrörelser kan få dig att krascha mot väggen så att dina gränsceller ökar sin eldhastighet. Ju närmare du kommer korridorväggen, desto högre avfyrningshastighet skulle dess kantceller visa. Tänk på kantceller som sensorer som vissa nyare bilar har som ger en hörbar signal när du manövrerar för att parkera. Gränsceller De fungerar på samma sätt som dessa sensorer, ju närmare du är att kollidera desto mer buller gör de. När du kommer till köket kommer dina platsceller att ha visat för dig att det har kommit tillfredsställande och är en större miljö, kommer dina celler av kanten att slappna av.

Låt oss avsluta komplicera allt

Det är nyfiken att tänka att vår hjärna har sätt att känna till vår position. Men en fråga kvarstår: Hur kan vi förena deklarativt minne med rumslig navigering i hippocampus, det vill säga hur påverkar våra minnen dessa kartor? Eller kan det vara så att våra minnen bildades från dessa kartor? För att försöka svara på denna fråga måste vi tänka lite längre. Andra studier har påpekat att samma celler som kodar för rymden, som vi redan har talat om, också kodar för tid. Således har det pratats om tidsceller (Eichenbaum, 2014) som skulle koda tidsuppfattningen.

Det överraskande med fallet är det det finns ökande bevis som stöder idén att celler på plats är desamma som tidens celler. Då kan samma neuron genom samma elektriska impulser koda utrymme och tid. Förhållandet mellan kodning av tid och rum i samma handlingspotentialer och deras betydelse i minnet är fortfarande ett mysterium.

Sammanfattningsvis: min personliga åsikt

Min åsikt om det? Jag tar av mig forskarklänningen, det kan jag säga människor tenderar att tänka på det enkla alternativet och vi tycker om att hjärnan talar samma språk som oss. Problemet är att hjärnan erbjuder oss en förenklad version av verkligheten som den bearbetar sig själv. På ett sätt som liknar skuggorna i Platons grotta. Precis som i kvantfysik bryts barriärer av vad vi förstår som verklighet, i neurovetenskap vi upptäcker att saker och ting i hjärnan skiljer sig från den värld vi uppfattar medvetet och vi måste ha ett mycket öppet sinne att saker inte behöver vara som de verkligen är vi uppfattar dem.

Det enda som är klart för mig är något som Antonio Damasio använder för att upprepa mycket i sina böcker: hjärnan är en bra kartgenerator. Kanske tolkar hjärnan tid och rum på samma sätt för att bilda kartor över våra minnen. Och om det verkar chimärt för dig, tänk att Einsten i sin relativitetsteori en av de teorier som han postulerade var att tiden inte kunde förstås utan utrymme, och vice versa. Utan tvekan är det en utmaning att upptäcka dessa mysterier, ännu mer när det är svåra aspekter att studera hos djur.

Emellertid bör inga ansträngningar sparas i dessa frågor. Först och främst av nyfikenhet. Om vi ​​studerar universums expansion eller de nyligen inspelade gravitationsvågorna, varför skulle vi inte studera hur vår hjärna tolkar tid och rum? Och för det andra många av de neurodegenarativa patologier liksom Alzheimers sjukdom är deras första symtom rumslig-tidsmässig desorientering. Att känna till de neurofysiologiska mekanismerna för denna kodning kan vi upptäcka nya aspekter som kommer att hjälpa till bättre förstå den patologiska utvecklingen av dessa sjukdomar och, vem vet, om man ska upptäcka nya läkemedelsmål eller inte farmakologisk.

Bibliografiska referenser:

• Eichenbaum H. 2014. Tidsceller i hippocampus: en ny dimension för att kartlägga minnen. Nature 15: 732-742
• Frank LM, Brown EN, Wilson M. 2000. Bana kodning i hippocampus och entorhinal cortex. Neuron 27: 169–178.
• Fyhn M, Molden S, Witter MP, Moser EI, Moser M-B. 2004. Rumslig representation i entorhinal cortex. Vetenskap 305: 1258–1264
• Kentros C, Hargreaves E, Hawkins RD, Kandel ER, Shapiro M, Muller RV. 1998. Avskaffande av långvarig stabilitet hos nya hippocampus-platscellskartor genom NMDA-receptorblockad. Science 280: 2121-2126.
• Monaco JD, Abbott LF. 2011. Modulär omjustering av entorhinal rutnätcellaktivitet som en bas för hippocampus remapping. J Neurosci 31: 9414–9425.
• O'Keefe J, Speakman A. 1987. Enhetsaktivitet i råtthippocampus under en rumslig minnesuppgift. Exp Brain Res 68: 1 –27.
• Scoville WB, Milner B (1957). Förlust av senaste minnet efter bilateral hippocampallesion. J Neurol Neurosurg Psychiatry 20: 11–21.