'Yer hücreleri', beynimizin GPS'i gibi bir şey

Yeni veya bilinmeyen alanlarda oryantasyon ve keşif, en sık kullandığımız bilişsel fakültelerden biridir. Evimizde, mahallemizde, işe gitmek için kendimizi yönlendirmek için kullanırız.

Yeni ve bizim için bilinmeyen bir şehre seyahat ederken de buna güveniriz. Araba kullanırken bile kullanırız ve muhtemelen okuyucu dikkatsiz bir yönelimin veya onu kaybolmaya mahkûm edecek bir meslektaşının, rotayı bulana kadar arabayı etrafta dolaşmaya zorlanması gibi. yeterli.

Bu oryantasyonun suçu değil, hipokampusun suçu

Bütün bunlar bizi çok fazla hayal kırıklığına uğratmaya meyilli ve hakaret, bağırma ve çeşitli davranışlarla kendimizin veya başkalarının yönelimini lanetlememize neden olan durumlardır. İyi, Pekala, bugün oryantasyonun nörofizyolojik mekanizmalarına bir fırça darbesi vereceğim., bizim Beyin GPS'i bizi anlamak için.

Spesifik olarak başlayacağız: sadece belirli bölgelerdeki nöronal aktivitemizin bir ürünü olduğu için oryantasyonu lanetlememeliyiz. Bu nedenle, kendimize lanet okuyarak başlayacağız. hipokampus.

Bir beyin yapısı olarak hipokampus

Evrimsel olarak, hipokampus eski bir yapıdır, arkkorteksin, yani türümüzde filogenetik olarak daha eski olan yapıların bir parçasıdır. Anatomik olarak, amigdala gibi diğer yapıların da bulunduğu limbik sistemin bir parçasıdır. Limbik Sistem, hafızanın, duyguların, öğrenmenin ve motivasyonun morfolojik alt katmanı olarak kabul edilir.

Okuyucu, muhtemelen psikolojiye alışmışsa, hipokampusun anıların pekiştirilmesi için gerekli bir yapı olduğunu bilecektir. bildirimsel, yani deneyimlerimiz veya semantik hakkında epizodik içerikli anılarla (Nadel ve O'Keefe, 1972).

Bunun kanıtı, her iki temporal hemisferi çıkarılmış bir hasta olan popüler “HM hastası” vakası hakkında var olan çok sayıda çalışmadır. yıkıcı bir anterograd amnezi üretti, yani anılarının çoğunu öncekinden saklamasına rağmen yeni gerçekleri ezberleyemedi. operasyon. Bu vakayı araştırmak isteyenler için, HM hastasını kapsamlı bir şekilde inceleyen Scoville ve Millner'in (1957) çalışmalarını tavsiye ederim.

Yer Hücreleri: Bunlar nedir?

Şimdiye kadar yeni veya şaşırtıcı bir şey söylemiyoruz. Ancak 1971'de, beyindeki navigasyon sistemleri çalışmasının başlangıcını oluşturan bir gerçeğin tesadüfen keşfedilmesiydi. O'keefe ve John Dostrovski, kafa içi elektrotlar kullanarak, sıçanlarda spesifik hipokampal nöronların aktivitesini kaydedebildiler. Bu, farklı davranış testleri yaparken hayvanın uyanık, bilinçli ve özgürce hareket etme olasılığını sundu.

Keşfetmeyi beklemedikleri şey, farenin bulunduğu alana göre seçici olarak yanıt veren nöronlar olduğuydu. Her pozisyonda belirli nöronlar olduğundan değil (örneğin banyonuz için nöron yok), ancak bu Farklı koşullara uyum sağlayabilecek yer işaretlerini işaretleyen CA1 (hipokampüsün belirli bir bölgesi) hücrelerinde gözlendi. boşluklar.

Bu hücrelere denirdi hücreleri yerleştir. Bu nedenle, sık kullandığınız her özel alan için bir yer nöronu olması değil, sizi çevrenizle ilişkilendiren referans noktalarıdır; benmerkezci navigasyon sistemleri bu şekilde oluşur. Yer nöronları, aynı zamanda, uzayın unsurlarını birbiriyle ilişkilendirecek olan allosentrik navigasyon sistemleri oluşturacaktır.

Doğuştan programlama vs deneyim

Bu keşif, hipokampüsü bir hastalık olarak gören birçok sinirbilimciyi şaşırttı. bildirimsel bir öğrenme yapısı ve şimdi bilgiyi nasıl kodlayabildiğini gördüler Uzay. Bu, çevremizin bir temsilinin hipokampusta üretileceğini varsayan "bilişsel harita" hipotezine yol açtı.

onunla aynı beyin Görsel, işitsel ve somatosensoriyel sinyal kodlama gibi diğer duyusal modaliteler için mükemmel bir harita oluşturucudur. Hipokampüsü, çevremizin haritalarını oluşturan ve oralardaki oryantasyonumuzu garanti eden bir yapı olarak düşünmek mantıksız değildir..

Araştırma daha da ileri gitti ve bu paradigmayı çok çeşitli durumlarda test etti. Örneğin, hayvan hata yaptığında veya hata yaptığında hücreleri labirent görevlerine yerleştirdiği görülmüştür. nöronun normalde ateşleneceği bir konumda olduğunda (O'keefe ve Speakman, 1987). Hayvanın farklı boşluklarda hareket etmesi gereken görevlerde, hayvanın nereden geldiğine ve nereye gittiğine bağlı olarak nöronların ateşlendiği görülmüştür (Frank ve ark., 2000).

Mekansal haritalar nasıl oluşturulur?

Bu alandaki araştırma ilgi odaklarından bir diğeri, bu mekansal haritaların nasıl oluşturulduğu olmuştur. Bir yandan, yer hücrelerinin işlevlerini ne zaman aldığımız deneyime dayanarak oluşturduğunu düşünebiliriz. bir çevreyi keşfederiz veya onun beyin devrelerimizin altında yatan bir bileşen olduğunu düşünebiliriz, yani, doğuştan. Soru henüz net değil ve her iki hipotezi de destekleyen ampirik kanıtlar bulabiliriz.

Bir yandan, çok sayıda site hücresinin aktivitesini kaydeden Monaco ve Abbott'un (2014) deneyleri, Bir hayvan yeni bir ortama yerleştirildiğinde, bu hücrelerin ateşlenmeye başlaması birkaç dakika sürer. normal. Böylece, yer haritaları, bir hayvanın yeni bir çevreye girdiği andan itibaren bir şekilde ifade edilecektir., ancak deneyim bu haritaları gelecekte değiştirecektir.

Dolayısıyla uzaysal haritaların oluşumunda beyin plastisitesinin rol oynadığını düşünebiliriz. O zaman, eğer plastisite gerçekten bir rol oynasaydı, nörotransmiter glutamat için NMDA reseptörüne nakavt fareler beklerdik - yani fareler Bu reseptörü ifade etmeyen - uzaysal haritalar oluşturmadı çünkü bu reseptör beyin plastisitesinde temel bir rol oynuyor ve öğrenme.

Plastisite, mekansal haritaların bakımında önemli bir rol oynar

Ancak durum böyle değildir ve NMDA reseptörüne nakavt farelerin veya farmakolojik olarak tedavi edilen farelerin olduğu görülmüştür. Bu reseptörü bloke etmek için, yeni veya tanıdık ortamlarda yer hücrelerinden benzer tepki kalıpları ifade ederler. Bu, uzaysal haritaların ifadesinin beyin plastisitesinden bağımsız olduğunu göstermektedir (Kentrol ve diğerleri, 1998). Bu sonuçlar, navigasyon sistemlerinin öğrenmeden bağımsız olduğu hipotezini destekleyecektir.

Her şeye rağmen, mantığı kullanarak, yeni oluşturulan haritaların hafıza kararlılığı için beyin plastisite mekanizmalarının açıkça gerekli olması gerekir. Ve eğer böyle olmasaydı, insanın kendi şehrinin sokaklarında yürüyerek oluşturduğu deneyim ne işe yarardı? Evimize ilk kez girdiğimiz hissine her zaman sahip olmaz mıydık? Diğer birçok durumda olduğu gibi, hipotezlerin göründüklerinden daha tamamlayıcı olduğuna ve bir şekilde, bu işlevlerin doğuştan gelen bir işleyişine rağmen, plastisitenin bu uzamsal haritaları bellekte tutmada bir rol oynaması gerekir..

Ağ, adres ve kenar hücreleri

Yer hücreleri hakkında konuşmak oldukça soyuttur ve muhtemelen birden fazla okuyucu, anıları üreten aynı beyin bölgesinin, tabiri caizse GPS işlevi görmesine şaşırmıştır. Ama işimiz bitmedi ve en iyisi henüz gelmedi. Şimdi kıvrımı gerçek olarak kıvıralım. İlk başta, uzay navigasyonunun yalnızca hipokampusa bağlı olacağı düşünülüyordu. Entorinal korteks gibi bitişik yapılar, alanın bir fonksiyonu olarak çok zayıf aktivasyon gösterdi (Frank ve ark. al., 2000).

Bununla birlikte, bu çalışmalarda, entorhinal korteksin ventral alanlarında ve çalışmalarda aktivite kaydedilmiştir. hipokampusla daha fazla bağlantıya sahip olan arka alanlar, dorsal alanlar kaydedildi (Fyhn ve ark. al., 2004). Böylece bu bölgedeki birçok hücrenin hipokampusa benzer şekilde pozisyonun bir fonksiyonu olarak ateşlendiği gözlemlendi.. Şimdiye kadar bulunması beklenen sonuçlardı ancak entorinal kortekste kayıt edecekleri alanı artırmaya karar verdiklerinde bir sürprizle karşılaştılar: Hayvanın kapladığı alanın bir fonksiyonu olarak aktive olan nöron grupları arasında, görünüşe göre sessiz alanlar vardı - yani öyle değillerdi. Aktif. Aktivasyon gösteren bölgeler sanal olarak birleştirildiğinde, altıgen veya üçgen şeklinde desenler gözlendi. Entorinal korteksteki bu nöronlara "ağ hücreleri" adını verdiler.

Ağ hücrelerini keşfederek, yer hücrelerinin nasıl oluştuğu sorusunu çözme olasılığı görüldü. Hücreler çok sayıda ağ hücresi bağlantılarına sahip olduklarından, bunların bunlardan oluştuğunu düşünmek mantıksız değildir. Ancak, bir kez daha, işler o kadar basit değil ve deneysel kanıtlar bu hipotezi doğrulamadı. Ağ hücrelerini oluşturan geometrik desenler de henüz yorumlanmamıştır.

Navigasyon sistemleri hipokampusla sınırlı değil

Karmaşıklık burada bitmiyor. Navigasyon sistemlerinin hipokampusla sınırlı olmadığı görüldüğünde daha da az. Bu, araştırmanın sınırlarını diğer beyin alanlarına genişletti, böylece yer hücreleriyle ilgili diğer hücre türlerini keşfetti: yön hücreleri ve kenar hücreleri.

Yön hücreleri, deneğin hareket ettiği yönü kodlayacak ve beyin sapının dorsal tegmental çekirdeğinde yer alacaktır. Kenar hücreleri ise, özne haline geldikçe ateşleme hızlarını artıracak hücrelerdir. belirli bir uzayın sınırlarına yaklaşırsak, onları evrenin subiculum'a özgü bölgesinde bulabiliriz. hipokampus-. Her hücre tipinin işlevini özetlemeye çalışacağımız basitleştirilmiş bir örnek sunacağız:

Evinizin yemek odasında olduğunuzu ve mutfağa gitmek istediğinizi hayal edin. Evinizin yemek odasında olduğunuz için içeride kaldığınız sürece yanacak bir yer hücresine sahip olacaksınız. yemek odası, ancak mutfağa gitmek istediğiniz için, mutfağı temsil eden başka bir aktif yer hücresine de sahip olacaksınız. mutfak. Aktivasyon net olacaktır çünkü eviniz çok iyi bildiğiniz bir mekandır ve aktivasyon hem yer hücrelerinde hem de ağ hücrelerinde tespit edilebilir.

Şimdi mutfağa doğru yürümeye başlayın. Şimdi tetiklenecek ve belirli bir adresi koruduğunuz sürece değişmeyecek bir grup belirli adres hücresi olacaktır. Şimdi, mutfağa gitmek için sağa dönüp dar bir koridordan geçmeniz gerektiğini hayal edin. Döndüğünüz an, direksiyon hücreleriniz bunu bilecek ve başka bir direksiyon hücresi grubu, şimdi aldığı yönü kaydedecek ve öncekiler kapanacaktır.

Ayrıca koridorun dar olduğunu ve herhangi bir yanlış hareketin duvara çarpmanıza neden olabileceğini hayal edin, böylece sınır hücreleriniz ateş oranlarını artıracaktır. Koridor duvarına ne kadar yaklaşırsanız, kenar hücrelerinin göstereceği ateşleme hızı o kadar yüksek olur. Kenar hücrelerini, bazı yeni arabaların sahip olduğu ve park etmek için manevra yaparken sesli bir sinyal veren sensörler gibi düşünün. Sınır hücreleri Bu sensörlere benzer şekilde çalışırlar, çarpışmaya ne kadar yakınsanız o kadar fazla gürültü çıkarırlar.. Mutfağa geldiğinizde mekan hücreleriniz size tatmin edici bir şekilde geldiğini belirtmiş olacak ve daha geniş bir ortam olduğu için kenar hücreleriniz rahatlayacaktır.

Her şeyi karmaşıklaştırmayı bitirelim

Beynimizin konumumuzu bilmenin yolları olduğunu düşünmek ilginçtir. Ancak geriye bir soru kalıyor: Hipokampusta bildirimsel hafıza ile uzamsal navigasyonu nasıl uzlaştırıyoruz, yani hafızalarımız bu haritaları nasıl etkiliyor? Ya da hafızamız bu haritalardan oluşmuş olabilir mi? Bu soruyu cevaplamaya çalışmak için biraz daha düşünmeliyiz. Diğer çalışmalar, daha önce bahsettiğimiz uzayı kodlayan hücrelerin aynı zamanda zamanı da kodladığını göstermiştir.. Böylece, konuşuldu zaman hücreleri (Eichenbaum, 2014) zaman algısını kodlayacaktır.

Olayla ilgili şaşırtıcı olan şey, yer hücrelerinin zaman hücreleriyle aynı olduğu fikrini destekleyen kanıtlar giderek artıyor.. Daha sonra, aynı nöron, aynı elektriksel darbelerle uzay ve zamanı kodlayabilir. Aynı aksiyon potansiyellerinde zaman ve mekanın kodlanması arasındaki ilişki ve bunların bellekteki önemi bir sır olarak kalmaktadır.

Sonuç olarak: şahsi görüşüm

Bu konudaki fikrim? Bilim adamı elbisemi çıkararak söyleyebilirim ki insanlar kolay seçeneği düşünmeye meyillidir ve beynin bizimle aynı dili konuştuğunu düşünmeyi severiz.. Sorun şu ki, beyin bize kendini işlediği gerçeğin basitleştirilmiş bir versiyonunu sunuyor. Platon'un mağarasındaki gölgelere benzer bir şekilde. Böylece, tıpkı kuantum fiziğinde olduğu gibi, gerçeklik olarak anladığımız şeyin önündeki engeller, sinirbilim beyindeki şeylerin algıladığımız dünyadan farklı olduğunu keşfederiz bilinçli olarak ve her şeyin gerçekte olduğu gibi olması gerekmediği konusunda çok açık bir zihne sahip olmalıyız. onları algılıyoruz.

Benim için net olan tek şey, Antonio Damasio'nun kitaplarında çokça tekrarladığı bir şey: beyin harika bir harita oluşturucudur. Belki de beyin, anılarımızın haritalarını oluşturmak için zamanı ve mekanı aynı şekilde yorumlar. Ve size hayali geliyorsa, Einstein'ın görelilik teorisinde öne sürdüğü teorilerden birinin, zamanın uzay olmadan anlaşılamayacağı ve bunun tersi olduğunu düşünün. Kuşkusuz bu gizemleri çözmek, hayvanlar üzerinde çalışmak zor olan yönler olduğunda daha da zorlu bir iştir.

Ancak bu konularda hiçbir çabadan kaçınılmamalıdır. Öncelikle meraktan. Evrenin genişlemesini veya yakın zamanda kaydedilen yerçekimi dalgalarını incelersek, neden beynimizin zaman ve uzayı nasıl yorumladığını incelemeyecektik? Ve ikincisi, birçok nörodejeneratif patolojiler Alzheimer hastalığı gibi, ilk belirtileri uzay-zamansal yönelim bozukluğudur. Bu kodlamanın nörofizyolojik mekanizmalarını bilerek, bu kodlamaya yardımcı olacak yeni yönleri keşfedebiliriz. Bu hastalıkların patolojik seyrini ve kim bilir yeni ilaç hedeflerinin keşfedilip keşfedilmeyeceğini daha iyi anlamak farmakolojik.

Bibliyografik referanslar:

• Eichenbaum H. 2014. Hipokampustaki zaman hücreleri: anıları haritalamak için yeni bir boyut. Doğa 15: 732-742
• Frank LM, Brown EN, Wilson M. 2000. Hipokampus ve entorinal kortekste yörünge kodlaması. Nöron 27: 169–178.
• Fyhn M, Molden S, Witter MP, Moser EI, Moser M-B. 2004. Entorinal kortekste mekansal temsil. Bilim 305: 1258-1264
• Kentros C, Hargreaves E, Hawkins RD, Kandel ER, Shapiro M, Muller RV. 1998. NMDA reseptör blokajı ile yeni hipokampal yer hücre haritalarının uzun vadeli stabilitesinin kaldırılması. Bilim 280: 2121-2126.
• Monaco JD, Abbott LF. 2011. Hipokampal yeniden eşleme için bir temel olarak entorhinal ızgara hücre aktivitesinin modüler yeniden düzenlenmesi. J Neurosci 31: 9414–9425.
• O'Keefe J, Konuşmacı A. 1987. Bir mekansal hafıza görevi sırasında sıçan hipokampüsündeki tek birim aktivite. Exp Brain Res 68: 1 –27.
• Scoville WB, Milner B (1957). Bilateral hipokampallezyon sonrası yakın hafıza kaybı. J Neurol Neurosurg Psikiyatrisi 20: 11–21.