„Komórki miejsca”, coś jak nasz mózgowy GPS

Orientacja i eksploracja w nowych lub nieznanych przestrzeniach jest jedną z najczęściej używanych przez nas zdolności poznawczych. Używamy go, aby poprowadzić nas w naszym domu, naszej okolicy, aby iść do pracy.

Od tego też zależy, kiedy podróżujemy do nowego i nieznanego miasta. Używamy go nawet wtedy, gdy prowadzimy i być może czytelnik padł ofiarą niedbałości w swojej orientacji lub w towarzystwie, co skazałoby go na zgubę, zmuszając go do chodzenia z samochodem, dopóki nie da z właściwą trasą.

To nie wina orientacji, to wina hipokampa

Wszystko to są sytuacje, które często nas frustrują, co prowadzi nas do przeklinania naszej orientacji lub przekleństw innych, zniewag, krzyków i różnych zachowań. Dobrze, Dzisiaj przedstawię pociągnięcie pędzla w neurofizjologicznych mechanizmach orientacji, w naszym GPS mózgu zrozumieć nas.

Zaczniemy być konkretni: nie powinniśmy przeklinać orientacji, ponieważ jest to produkt naszej aktywności neuronalnej w określonych regionach. Dlatego zaczniemy od przeklinania naszego hipokampa.

Hipokamp jako struktura mózgu

Ewolucyjnie hipokamp jest starożytną strukturą, jest częścią hodowli drzew, czyli struktur, które są filogenetycznie starsze w naszym gatunku. Anatomicznie jest częścią układu limbicznego, w którym znajdują się również inne struktury, takie jak ciało migdałowate. Układ limbiczny jest uważany za morfologiczny substrat pamięci, emocji, uczenia się i motywacji.

Czytelnik, jeśli jest przyzwyczajony do psychologii, będzie wiedział, że hipokamp jest niezbędną strukturą dla konsolidacji wspomnień deklaratywnych, to znaczy z wspomnieniami z epizodyczną treścią o naszych doświadczeniach, lub semantycznymi (Nadel i O'Keefe, 1972).

Dowodem na to są liczne badania na temat popularnego przypadku „pacjenta HM”, pacjenta, którego skroniowe półkule zostały usunięte, powodując niszczycielską amnezję następczą, to znaczy nie mógł zapamiętać nowych faktów, chociaż zachował większość twoich wspomnień sprzed operacji. Dla tych, którzy chcą głębiej w tym przypadku, polecam badania Scoville i Millner (1957), które dokładnie zbadały pacjenta HM.

Komórki miejsca: czym są??

Do tej pory nie mówimy nic nowego ani nic dziwnego. Ale to w 1971 roku przypadkiem odkryto fakt, który spowodował początek badań systemów nawigacyjnych w mózgu. O'keefe i John Dostrovski, używając elektrod wewnątrzczaszkowych, może rejestrować aktywność neuronów specyficznych dla hipokampa u szczurów. Dało to możliwość, że podczas wykonywania różnych testów behawioralnych zwierzę było przytomne, świadome i poruszało się swobodnie.

Nie spodziewali się odkryć, że istnieją neurony, które reagują selektywnie w zależności od obszaru, w którym szczur się znajduje. Nie chodzi o to, że do każdej pozycji były specyficzne neurony (na przykład nie ma neuronu dla twojej łazienki), ale że obserwowano je w CA1 (specyficznym regionie hipokampa) komórek, które oznaczały punkty odniesienia, które można dostosować do różnych przestrzeni.

Te komórki zostały nazwane umieść komórki. Dlatego nie jest tak, że istnieje neuron miejsca dla każdej konkretnej przestrzeni, którą często odwiedzasz, ale raczej są one punktami odniesienia, które odnoszą cię do twojego środowiska; Tak powstają egocentryczne systemy nawigacyjne. Umieść neurony również tworzą alokentryczne systemy nawigacyjne, które będą odnosić elementy przestrzeni między nimi.

Wrodzone programowanie a doświadczenie

To odkrycie zdumiało wielu neuronaukowców, którzy uznali hipokamp jako deklaratywną strukturę uczenia się, a teraz zobaczyli, jak jest w stanie kodować informacje przestrzenne. To dało początek hipotezie „mapy poznawczej”, która postulowałaby, że w hipokampie zostanie wygenerowana reprezentacja naszego środowiska.

Tak jak mózg jest doskonałym generatorem map dla innych modalności sensorycznych, takich jak kodowanie sygnałów wzrokowych, słuchowych i somatosensorycznych; Myślenie o hipokampie jako strukturze generującej mapy naszego środowiska i gwarantującej naszą orientację w nich nie jest nierozsądne..

Badania posunęły się dalej i testują ten paradygmat w bardzo różnych sytuacjach. Widać na przykład, że komórki miejsca w zadaniach labiryntu strzelają, gdy zwierzę popełnia błędy lub gdy znajduje się w pozycji, w której neuron zwykle strzelał (O'keefe i Speakman, 1987). W zadaniach, w których zwierzę musi poruszać się w różnych przestrzeniach, zaobserwowano, że neurony strzelają w zależności od tego, skąd pochodzi zwierzę i dokąd zmierza (Frank i in., 2000).

Jak powstają mapy kosmiczne

Kolejnym głównym przedmiotem zainteresowania badawczego w tej dziedzinie jest sposób tworzenia tych map przestrzennych. Z jednej strony moglibyśmy pomyśleć, że komórki miejsca ustalają swoją funkcję w oparciu o doświadczenie, które otrzymujemy, gdy badamy środowisko, lub możemy myśleć, że jest to podstawowy składnik naszych obwodów mózgu, 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 odnotowano aktywność dużej liczby komórek na miejscu, pokazały, że gdy zwierzę zostanie umieszczone w nowym środowisku, minie kilka minut, aż komórki zaczną strzelać Normalność Więc więc, mapy miejsc byłyby w jakiś sposób wyrażane od chwili, gdy zwierzę wejdzie w nowe środowisko, ale doświadczenie zmodyfikowałoby te mapy w przyszłości.

Dlatego możemy pomyśleć, że plastyczność mózgu odgrywa rolę w tworzeniu map przestrzennych. Następnie, jeśli plastyczność rzeczywiście odgrywałaby rolę, spodziewalibyśmy się, że myszy pozbawione receptora NMDA glutaminianu neuroprzekaźnika - to znaczy myszy, które nie wyrażają tego receptora - nie generują map przestrzennych, ponieważ receptor ten odgrywa zasadniczą 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 w celu zablokowania tego receptora, wyrażają podobne wzorce odpowiedzi komórek w nowych lub znanych środowiskach. Sugeruje to, że ekspresja map przestrzennych jest niezależna od plastyczności mózgu (Kentrol i in., 1998). Wyniki te potwierdzą hipotezę, że systemy nawigacyjne są niezależne od uczenia się.

Pomimo wszystko, używając logiki, mechanizmy plastyczności mózgu muszą być wyraźnie konieczne dla stabilności w pamięci niedawno utworzonych map. A gdyby tak nie było, jakie byłoby wykorzystanie doświadczenia, które tworzy się, chodząc ulicami swojego miasta? Czy nie zawsze mielibyśmy wrażenie, że po raz pierwszy wchodzimy do naszego domu? Uważam, że podobnie jak przy wielu innych okazjach, hipotezy są bardziej komplementarne niż się wydaje i, w pewien sposób, pomimo wrodzonego funkcjonowania tych funkcji, plastyczność ma do odegrania rolę w utrzymaniu tych przestrzennych map w pamięci.

Komórki sieciowe, adresowe i krawędziowe

Mówienie o komórkach miejsca jest dość abstrakcyjne i prawdopodobnie więcej niż jeden czytelnik był zaskoczony, że ten sam obszar mózgu, który generuje wspomnienia, służy nam, że tak powiem, GPS. Ale nie skończyliśmy, a najlepsze jest jeszcze przed nami. Teraz naprawdę zwińmy loki. Początkowo sądzono, że nawigacja kosmiczna będzie zależeć wyłącznie od hipokampa, gdy zobaczy się, że sąsiednie struktury, takie jak kora śródwęchowa, wykazują bardzo słabą aktywację jako funkcję przestrzeni (Frank i in., 2000).

Jednak w tych badaniach rejestrowano aktywność w obszarach brzusznych kory śródwęchowej, aw późniejszych badaniach rejestrowano obszary grzbietowe, które mają większą liczbę połączeń z hipokampem (Fyhn i in., 2004). Więc więc zaobserwowano, że wiele komórek tego regionu wystrzeliło w zależności od pozycji, podobnie jak hipokamp. Do tej pory oczekiwano wyników, ale kiedy zdecydowali się zwiększyć obszar, zarejestrowaliby się w korze śródwęchowej, co miało zaskoczenie: wśród grup neuronów, które zostały aktywowane w zależności od przestrzeni zajmowanej przez zwierzę, były pozornie ciche strefy - to znaczy nie były aktywowany-. Gdy regiony, w których wykazano aktywację, były praktycznie połączone, zaobserwowano wzory w postaci sześciokątów lub trójkątów. Nazwali te neurony kory śródwęchowej „czerwone krwinki”.

Gdy odkryto czerwone krwinki, możliwe było rozwiązanie problemu powstawania komórek. Po umieszczeniu komórek w licznych połączeniach komórek sieci, nie jest nierozsądne sądzić, że są one z nich utworzone. Jednak po raz kolejny rzeczy nie są tak proste, a dowody eksperymentalne nie potwierdziły tej hipotezy. Wzory geometryczne, które tworzą komórki sieciowe, nie mogły być jeszcze zinterpretowane.

Systemy nawigacyjne nie są ograniczone do hipokampa

Złożoność nie kończy się tutaj. Jeszcze mniej, gdy zauważono, że systemy nawigacyjne nie są zredukowane do hipokampa. Umożliwiło to rozszerzenie granic badań na inne obszary mózgu, odkrywając w ten sposób inne typy komórek związanych z komórkami: Komórki sterujące i komórki krawędziowe.

Komórki sterujące kodowałyby kierunek, w którym obiekt się porusza i byłyby zlokalizowane w grzbietowym jądrze nakrywkowym pnia mózgu. Z drugiej strony, komórki krawędziowe są komórkami, które zwiększają swoją szybkość wypalania, gdy podmiot zbliża się do granic danej przestrzeni i można go znaleźć w regionie hipokampa specyficznym dla podpodu. Zaproponujemy uproszczony przykład, w którym spróbujemy podsumować funkcję każdego typu komórki:

Wyobraź sobie, że jesteś w jadalni swojego domu i chcesz iść do kuchni. Ponieważ znajdujesz się w jadalni swojego domu, będziesz miał komórkę w pokoju, która będzie strzelać podczas pobytu w jadalni, ale ponieważ chcesz iść do kuchni, będziesz mieć także inną aktywowaną komórkę, która reprezentuje kuchnię. Aktywacja będzie jasna, ponieważ twój dom jest przestrzenią, którą doskonale znasz, a aktywacja będzie w stanie wykryć ją zarówno w komórkach miejsca, jak iw sieci komórek.

Teraz zacznij iść w kierunku kuchni. Będzie grupa konkretnych komórek adresowych, które będą teraz strzelać i nie zmienią się tak długo, jak długo utrzymasz określony kierunek. Teraz wyobraź sobie, że aby pójść do kuchni, musisz skręcić w prawo i przejść przez wąski korytarz. W chwili, gdy się obrócisz, twoje komórki adresowe będą o tym wiedzieć, a inny zestaw komórek adresowych zarejestruje aktywowany adres, a poprzednie zostaną dezaktywowane.

Wyobraź sobie również, że korytarz jest wąski, a jakikolwiek fałszywy ruch może spowodować uderzenie w ścianę, dzięki czemu komórki krawędziowe zwiększą szybkość strzelania. Im bliżej ściany korytarza, tym wyższy współczynnik wypalania pokazywałby twoje komórki krawędziowe. Pomyśl o komórkach krawędziowych jako o czujnikach, które mają niektóre nowe samochody i które generują sygnał dźwiękowy podczas manewrowania w parku. Komórki krawędziowe działają w podobny sposób jak te czujniki, im bliżej zderzają się, tym więcej wytwarzanego hałasu. Kiedy dotrzesz do kuchni, twoje miejsce w komórkach wskaże ci, że dotarło ono w sposób zadowalający, a ponieważ jest to szersze środowisko, twoje komórki krawędziowe będą się relaksować.

Po prostu komplikujmy wszystko

Ciekawe jest, że nasz mózg ma sposoby na poznanie naszej pozycji. Ale wciąż pozostaje pytanie: w jaki sposób pogodzić pamięć deklaratywną z nawigacją kosmiczną w hipokampie, czyli jak nasze wspomnienia wpływają na te mapy? A może nasze wspomnienia powstały z tych map? Aby spróbować odpowiedzieć na to pytanie, musimy pomyśleć trochę dalej. Inne badania wskazały, że te same komórki, których przestrzeń kodu, o której już mówiliśmy, również kodują czas. Tak więc mówiono o komórki czasu (Eichenbaum, 2014), które kodyfikowałyby postrzeganie czasu.

Zaskakującą rzeczą w tej sprawie jest to coraz więcej dowodów potwierdzających ideę, że komórki miejsca są takie same jak komórki czasu. Następnie ten sam neuron wykorzystujący te same impulsy elektryczne jest w stanie kodować przestrzeń i czas. Związek między kodowaniem czasu i przestrzeni w tych samych potencjałach działania i ich znaczeniu w pamięci pozostaje tajemnicą.

Podsumowując: moja osobista opinia

Moja opinia na ten temat? Zdejmując szatę mojego naukowca, mogę to powiedzieć człowiek jest przyzwyczajony 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 jaskini Platona. Tak więc, tak jak w fizyce kwantowej bariery tego, co rozumiemy jako rzeczywistość, są łamane, tak w neurologii odkrywamy, że w mózgu rzeczy różnią się od świata, który świadomie postrzegamy i musimy mieć bardzo otwarty umysł, że rzeczy nie mają po co być tak, jak je naprawdę postrzegamy.

Jedyne, co mam jasne, to coś, co Antonio Damasio przywykł powtarzać w swoich książkach: mózg jest świetnym generatorem map. Być może mózg interpretuje czas i przestrzeń w ten sam sposób, aby zmapować nasze wspomnienia. A jeśli wydaje się to chimeryczne, pomyśl, że Einsten w swojej teorii względności jedną z postulowanych przez niego teorii był taki, że czasu nie można zrozumieć bez przestrzeni i vice versa. Niewątpliwie rozwikłanie tych tajemnic jest wyzwaniem, tym bardziej, że są one trudnymi aspektami badań na zwierzętach.

Jednak nie należy oszczędzać w tych kwestiach. Po pierwsze z ciekawości. Jeśli zbadamy ekspansję Wszechświata lub ostatnio zarejestrowane fale grawitacyjne, dlaczego nie mielibyśmy badać, jak nasz mózg interpretuje czas i przestrzeń? Po drugie, wiele chorób neurodegeneracyjnych, takich jak choroba Alzheimera, wywołuje dezorientację czasoprzestrzenną jako pierwsze objawy. Znając mechanizmy neurofizjologiczne tego kodowania, możemy odkryć nowe aspekty, które pomogą lepiej zrozumieć patologiczny przebieg tych chorób i kto wie, czy odkryć nowe cele farmakologiczne lub niefarmakologiczne..

Odnośniki bibliograficzne:

• Eichenbaum H. 2014. Komórki czasowe w hipokampie: nowy wymiar mapowania wspomnień. Nature 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. Science 305: 1258-1264
• Kentros C, Hargreaves E, Hawkins RD, Kandel ER, Shapiro M, Muller RV. 1998. Zniesienie długoterminowej stabilności nowych map komórek hipokampowych dzięki blokadzie receptora NMDA. Science 280: 2121-2126.
• Monaco JD, Abbott LF. 2011. Modularne wyrównanie aktywności komórek siatki jako podstawa remapowania hipokampa. J Neurosci 31: 9414-9425.
• O'Keefe J, Speakman A. 1987. Aktywność pojedynczej jednostki w hipokampie myszy podczas zadania pamięci przestrzennej. Exp Brain Res 68: 1 -27.
• Scoville WB, Milner B (1957). Utrata niedawnej pamięci po obustronnej hipokampalezji. J Neurol Neurosurg Psychiatry 20: 11-21.