"Komórki miejsce", coś w rodzaju naszego mózgu GPS

Marzec 31, 2024

Orientacja i eksploracja w nowych lub nieznanych przestrzeniach jest jedną z najczęściej używanych funkcji kognitywnych. Używamy go do prowadzenia nas w naszym domu, w naszej okolicy, do pracy.

Jesteśmy również od niego zależni, gdy podróżujemy do nowego, nieznanego nam miasta. Używamy go nawet wtedy, gdy prowadzimy samochód i prawdopodobnie czytelnik padł ofiarą niedbałości w orientacji lub w towarzystwie towarzysza, który skazałby go na zagubienie, zmuszając się do zawracania z samochodem do z odpowiednią trasą.

To nie wina orientacji, to wina hipokampa

Wszystkie te sytuacje często nas frustrują i prowadzą do przeklinania naszej orientacji lub orientacji innych za pomocą obelg, okrzyków i różnych zachowań. Cóż, ponieważ dzisiaj dam pociągnięcie w neurofizjologicznych mechanizmach orientacji , w naszym Mózgowy GPS aby nas zrozumieć

Zaczniemy od bycia konkretnym: nie powinniśmy przeklinać orientacji, ponieważ jest ona jedynie wytworem naszej aktywności neuronalnej w określonych regionach. Dlatego zaczniemy od przeklinania naszego hipokampa.

Hipokamp jako struktura mózgu

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

Czytelnik prawdopodobnie, jeśli jest przyzwyczajony do psychologii, będzie wiedział, że hipokamp jest niezbędną strukturą do konsolidacji deklaratywnych wspomnień, to jest do tych wspomnień z epizodyczną treścią o naszych doświadczeniach, czy też semantycznych (Nadel i O'Keefe, 1972) ,

Dowodem na to są liczne badania dotyczące popularnego przypadku "pacjenta HM", pacjenta, u którego skrócono półkulę czasową, powodującego druzgocącą amnezję następczą, to znaczy, że nie mógł zapamiętać nowych faktów, chociaż zachował większość twoich wspomnień sprzed operacji. Dla tych, którzy chcą pogłębić się w tej sprawie, polecam badania Scoville'a i Millnera (1957), którzy wyczerpująco badali pacjenta z HM.

The Place Cells: czym one są?

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

To, czego nie spodziewali się odkryć, to fakt, że neurony reagowały selektywnie w zależności od obszaru, w którym znajdował się szczur. Nie jest tak, że istnieją specyficzne neurony do każdej pozycji (na przykład nie ma neuronu w twojej łazience), ale są one obserwowane w komórkach CA1 (konkretny region hipokampu), które oznaczały punkty odniesienia, które można dostosować do różnych przestrzeni ,

Te komórki zostały wywołane umieść komórki, Dlatego nie jest to, że istnieje neuron miejsca dla każdej konkretnej przestrzeni, którą często się odwiedzasz, ale raczej są one punktami odniesienia, które odnoszą się do twojego otoczenia; W ten sposób powstają egocentryczne systemy nawigacyjne. Place neurony będą również tworzyć systemy nawigacyjne, które będą wiązały elementy przestrzeni między nimi.

Wrodzone programowanie a doświadczenie

Odkrycie to wprawiło w zakłopotanie wielu neuronaukowców, którzy uważali hipokamp za deklaratywną strukturę uczenia się, a teraz widzieli, jak był w stanie zakodować informacje przestrzenne. To dało podstawę do sformułowania hipotezy o "mapie poznawczej", która zakłada, że w hipokampie pojawi się reprezentacja naszego środowiska.

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

Badania posunęły się dalej i poddano ten paradygmat testowi w bardzo różnych sytuacjach. Zaobserwowano na przykład, że komórki miejsca w zadaniach labiryntu strzelają, gdy zwierzę popełnia błędy lub gdy znajduje się w położeniu, w którym zwykle strzelałby neuron (O'keefe i Speakman, 1987).W zadaniach, w których zwierzę musi poruszać się w różnych przestrzeniach, zaobserwowano, że neurony rozmieszczają się w zależności od tego, skąd pochodzi zwierzę i dokąd jedzie (Frank i wsp., 2000).

W jaki sposób tworzone są mapy przestrzenne

Innym z głównych zainteresowań badawczych w tej dziedzinie jest to, w jaki sposób tworzone są te mapy przestrzenne. Z jednej strony moglibyśmy myśleć, że komórki miejsca ustalają swoją funkcję w oparciu o doświadczenie, które otrzymujemy, kiedy badamy środowisko, lub, możemy myśleć, że jest to podstawowy składnik naszych obwodów mózgowych, to znaczy wrodzony. Pytanie nie jest jeszcze jasne i możemy znaleźć dowody empiryczne, które potwierdzają obie hipotezy.

Z jednej strony, eksperymenty Monaco i Abbotta (2014), które zarejestrowały aktywność dużej liczby komórek, wykazały, że kiedy zwierzę zostaje umieszczone w nowym środowisku, kilka minut upływa, aż komórki zaczną strzelać Normalność Tak więc mapy miejsc byłyby w pewien sposób wyrażane od momentu wejścia zwierzęcia w nowe środowisko , ale doświadczenie zmodyfikuje te mapy w przyszłości.

Dlatego możemy myśleć, że plastyczność mózgu odgrywa rolę w tworzeniu map przestrzennych. Gdyby plastyczność rzeczywiście odegrała rolę, spodziewalibyśmy się, że myszy z nokautem do receptora NMDA glutaminianu neurotransmiterów - czyli myszy, które nie wyrażają tego receptora - nie generują map przestrzennych, ponieważ receptor ten odgrywa podstawową rolę w plastyczności mózgu i uczenie się

Plastyczność odgrywa ważną rolę w utrzymaniu map przestrzennych

Jednakże tak nie jest i zaobserwowano, że myszy z nokautem do receptora NMDA lub myszy, które zostały farmakologicznie leczone w celu zablokowania tego receptora, wyrażają podobne wzorce odpowiedzi komórek w nowych lub znajomych środowiskach. Sugeruje to, że ekspresja map przestrzennych jest niezależna od plastyczności mózgu (Kentrol i wsp., 1998). Wyniki te potwierdzałyby hipotezę, że systemy nawigacji są niezależne od uczenia się.

Mimo wszystko, używając logiki, mechanizmy plastyczności mózgu muszą być wyraźnie niezbędne dla stabilności w pamięci ostatnio uformowanych map. A gdyby tak nie było, jaki byłby pożytek z doświadczenia, jakie tworzy się chodząc po ulicach jego miasta? Czy nie mielibyśmy zawsze odczucia, że po raz pierwszy weszliśmy do naszego domu? Uważam, że podobnie jak przy wielu innych okazjach, hipotezy są bardziej komplementarne niż się wydaje i, w pewnym sensie, pomimo wrodzonego funkcjonowania tych funkcji, plastyczność odgrywa rolę w utrzymywaniu w pamięci tych map przestrzennych .

Komórki sieciowe, adresowe i krawędziowe

Rozmawianie 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 jesteśmy skończeni, a najlepsze dopiero nadejdzie. A teraz podkręćmy curl naprawdę. Początkowo sądzono, że nawigacja kosmiczna będzie zależała wyłącznie od hipokampa, gdy zaobserwowano, że sąsiednie struktury, takie jak kora śródwęchowa, wykazały bardzo słabą aktywację w funkcji przestrzeni (Frank i wsp., 2000).

Jednak w tych badaniach odnotowano aktywność w obszarach brzusznych kory śródwęchowej, aw późniejszych badaniach rejestrowano obszary grzbietu, które mają większą liczbę połączeń z hipokampem (Fyhn i wsp., 2004). A więc zaobserwowano, że wiele komórek tego regionu wypalało w zależności od pozycji, podobnie jak hipokamp , Oczekuje się, że wyniki zostaną znalezione, ale gdy zdecydują się powiększyć obszar, który zarejestrują w kory śródwęchowej, zaskakują: wśród grup neuronów aktywowanych w zależności od przestrzeni zajmowanej przez zwierzęta znajdują się pozornie ciche strefy - to znaczy, że nie są aktywowany-. Gdy regiony wykazujące aktywację zostały praktycznie połączone, zaobserwowano wzorce w postaci sześciokątów lub trójkątów. Nazwali je neuronami "czerwonych krwinek" kory śródwęchowej.

Po wykryciu czerwonych krwinek można było rozwiązać kwestię powstawania komórek. Posiadanie komórek umieszcza liczne połączenia komórek sieciowych, nie jest nierozsądne, aby myśleć, że są one utworzone z nich. Jednak po raz kolejny sprawy nie są tak proste, a dowody eksperymentalne nie potwierdziły tej hipotezy. Geometryczne wzory, które tworzą komórki sieciowe, nie mogły być jeszcze interpretowane.

Systemy nawigacyjne nie są zredukowane do hipokampa

Kompleksowość nie kończy się tutaj. Jeszcze mniej, gdy okazało się, że systemy nawigacji nie są zredukowane do hipokampa. Pozwoliło to rozszerzyć granice badań na inne obszary mózgu, odkrywając w ten sposób inne typy komórek związane z komórkami miejsca: Komórki sterujące i komórki krawędziowe .

Komórki sterujące zakodowałyby kierunek poruszania się podmiotu i znajdowałyby się w grzbietowym jądrze nakrywowym pnia mózgu. Z drugiej strony, komórki krawędziowe to komórki, które zwiększają szybkość ich wyzwalania, gdy badany zbliża się do granic danej przestrzeni i można go znaleźć w specyficznym dla podikulum regionie hipokampu. Przedstawimy uproszczony przykład, w którym spróbujemy podsumować funkcję każdego typu komórki:

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

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 iść do kuchni, musisz skręcić w prawo i przejść przez wąski korytarz. W momencie, gdy się skręcisz, twoje komórki adresowe będą je znać, a inny zestaw komórek adresowych zarejestruje kierunek, w którym teraz się aktywował, a poprzednie zostaną dezaktywowane.

Wyobraź sobie również, że korytarz jest wąski i każdy fałszywy ruch może spowodować, że uderzysz w ścianę, więc twoje komórki krawędziowe zwiększą szybkość strzelania. Im bardziej zbliżysz się do ściany korytarza, tym wyższy współczynnik strzelania będzie pokazywał twoje komórki krawędziowe. Pomyśl o komórkach krawędziowych jako o czujnikach, które mają niektóre nowe samochody i które dają słyszalny sygnał podczas manewrowania do parkowania. Komórki brzegowe Działają one w podobny sposób jak te czujniki, im bardziej bliskie są zderzenia, tym więcej hałasu wytwarzają , Kiedy przybędziesz do kuchni, twoje komórki miejsca powiedzą ci, że dotarły w zadowalający sposób, a ponieważ jest to szersze środowisko, twoje komórki nerwowe rozluźnią się.

Po prostu wszystko komplikujemy

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

Zaskakujące w tej sprawie jest to, że coraz więcej dowodów na poparcie idei, że komórki miejsce są takie same jak komórki czasu , Następnie ten sam neuron wykorzystujący te same impulsy elektryczne jest w stanie zakodować przestrzeń i czas. Związek między kodowaniem czasu i przestrzeni w tych samych potencjałach czynnościowych i ich znaczenie w pamięci pozostają tajemnicą.

Podsumowując: moja osobista opinia

Moja opinia na ten temat? Zdejmując szatę 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 cienia jaskini Platona. Tak więc, podobnie jak w fizyce kwantowej, bariery tego, co rozumiemy jako rzeczywistość, są łamane, w neurobiologii odkrywamy, że w mózgu rzeczy różnią się od świata, który świadomie postrzegamy i musimy mieć bardzo otwarty umysł, że rzeczy nie mają dlaczego być tak, jak my naprawdę je postrzegamy.

Jedyne, co mam jasne, to coś, co Antonio Damasio często powtarza w swoich książkach: mózg jest świetnym generatorem map , Być może mózg interpretuje czas i przestrzeń w taki sam sposób, aby mapować nasze wspomnienia. A jeśli wydaje ci się to chimeryczne, myślisz, że Einsten w swojej teorii względności jedną z teorii, których on postulował, to że nie można zrozumieć czasu bez przestrzeni i vice versa. Niewątpliwie rozwikłanie tych tajemnic jest wyzwaniem, tym bardziej, że są one trudnymi aspektami nauki na zwierzętach.

Nie należy jednak szczędzić wysiłków w tych kwestiach. Najpierw ciekawość. Jeśli badamy ekspansję wszechświata lub ostatnio zarejestrowane fale grawitacyjne, dlaczego nie mielibyśmy badać, w jaki sposób nasz mózg interpretuje czas i przestrzeń? Po drugie, wiele patologii neurodegeneracyjnych, takich jak choroba Alzheimera, ma zaburzenia w przestrzeni i czasie jako pierwsze objawy.Znając neurofizjologiczne mechanizmy tego kodowania, możemy odkryć nowe aspekty, które pomogą lepiej zrozumieć patologiczny przebieg tych chorób i, kto wie, odkryć nowe cele farmakologiczne lub niefarmakologiczne.

Bibliografia:

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 długotrwałej stabilności nowych map komórek miejsca hipokampa poprzez blokadę receptora NMDA. Science 280: 2121-2126.
Monaco JD, Abbott LF. 2011. Modułowa reorientacja aktywności komórek grid jako podstawy 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 hipokampie. J Neurol Neurosurg Psychiatry 20: 11-21.