Клітини місця, щось на зразок нашого мозку GPS

Орієнтація і дослідження в нових або невідомих просторах є однією з когнітивних здібностей, яку ми найчастіше використовуємо. Ми використовуємо його для того, щоб керувати нас у нашому домі, в нашому районі, щоб піти на роботу.

Ми також залежимо від цього, коли ми подорожуємо до нового, невідомого для нас міста. Ми використовуємо його навіть тоді, коли ми їдемо і, можливо, читач буде жертвою недбалості в його орієнтації або в тому, що його супроводжує, який засудив його, щоб він загубився, змушений ходити з машиною, поки він не видасть з правильним маршрутом.

Це не провина орієнтації, а провина гіппокампа

Все це - ситуації, які часто засмучують нас, і які змушують нас проклинати нашу орієнтацію або іншу з образами, криками і різною поведінкою. Добре, Сьогодні я дам удар в нейрофізіологічних механізмах орієнтації, в нашому Мозок GPS щоб нас зрозуміти.

Ми почнемо бути конкретними: ми не повинні проклинати орієнтацію, оскільки це лише продукт нашої нервової діяльності в конкретних регіонах. Тому ми почнемо проклинати наш гіпокамп.

Гіпокамп як структура мозку

Еволюційно гіпокамп є старовинною структурою, він є частиною аркікультури, тобто тих структур, які філогенетично старші у нашого виду. Анатомічно, вона є частиною лімбічної системи, в якій також виявляються інші структури, такі як мигдалина. Лімбічна система вважається морфологічним субстратом пам'яті, емоцій, навчання і мотивації.

Читач, можливо, якщо він звик з психологією, знатиме, що гіпокамп є необхідною структурою для консолідації декларативних спогадів, тобто з тими спогадами з епізодичним змістом про наш досвід, або ж семантичним (Надел і О'Кіф, 1972).

Підтвердженням цього є численні дослідження, які існують про популярний випадок «пацієнт HM», пацієнт, у якого були видалені скроневі півкуль, що викликає руйнівну антероградну амнезію, тобто він не може запам'ятати нові факти, хоча він зберігає більшість Ваших спогадів перед операцією. Для тих, хто хоче глибше піти в цьому випадку, я рекомендую дослідження Scoville і Millner (1957), які вичерпно вивчали пацієнта HM.

Клітини місця: які вони??

Поки що ми не говоримо нічого нового, або нічого дивного. Але це було в 1971 році, коли випадково був виявлений факт, що породжував початок вивчення навігаційних систем у мозку. O'keefe та Джон Dostrovski, використовуючи внутрішньочерепні електроди, Можна фіксувати активність гіпокампа-специфічних нейронів у щурів. Це дало можливість, що, виконуючи різні поведінкові тести, тварина прокинулося, свідомо і вільно рухалося.

Те, що вони не очікували виявити, було те, що існували нейрони, які реагували вибірково залежно від того, де розташована щура. Це не в тому, що в кожній позиції були певні нейрони (наприклад, немає нейрона для ванної кімнати), але вони спостерігалися в клітинах CA1 (конкретна область гіпокампу), які позначили орієнтири, які можна було б адаптувати до різних просторів..

Ці клітини називалися розміщують клітини. Отже, це не те, що є нейрон місця для кожного конкретного простору, який ви часто зустрічаєте, а скоріше вони є орієнтирами, які стосуються вас до вашого оточення; Так формуються егоцентричні навігаційні системи. Нейрони місця також будуть формувати аллоцентричні навігаційні системи, які будуть зв'язувати між собою елементи простору.

Внутрішнє програмування проти досвіду

Це відкриття вразило багатьох неврологів, які вважали гіпокамп декларативною структурою навчання, і тепер бачили, як він може кодувати просторову інформацію. Це породило гіпотезу "когнітивної карти", яка б постулювала, що представлення нашого середовища буде генеруватися в гіпокампі.

Так само, як мозок є чудовим генератором карт для інших сенсорних модальностей, таких як кодування візуальних, слухових і соматосенсорних сигналів; Нерозумно думати про гіпокамп як про структуру, яка генерує карти нашого середовища і гарантує нашу орієнтацію в них.

Дослідження пішло далі і поставило цю парадигму на випробування в дуже різних ситуаціях. Було видно, наприклад, що клітини місця в лабіринтних завданнях стріляють, коли тварина робить помилки або коли вона знаходиться в положенні, в якому нейрон зазвичай стріляє (O'keefe and Speakman, 1987). У завданнях, в яких тварина повинна рухатися через різні простори, було видно, що місце нейронів знімається залежно від того, звідки тварина йде і куди вона йде (Frank et al., 2000)..

Як формуються космічні карти

Ще одним з основних напрямків дослідницького інтересу в цій галузі було те, як формуються ці просторові карти. З одного боку, ми можемо думати, що клітини місця встановлюють свою функцію на основі досвіду, який ми отримуємо, коли ми досліджуємо навколишнє середовище, або, ми можемо подумати, що це основна складова наших мозкових кіл, тобто вроджена. Питання ще не ясно, і ми можемо знайти емпіричні докази, які підтримують обидві гіпотези.

З одного боку, експерименти Монако і Ебботта (2014), які фіксували активність великої кількості клітин на місці, показали, що коли тварина поміщається в нове середовище, проходять кілька хвилин, поки ці клітини не почнуть стріляти з Нормальність Отже, тоді, місця карти будуть виражені, певним чином, з моменту, коли тварина вступить у нове середовище, але досвід може змінити ці карти в майбутньому.

Тому ми можемо думати, що пластичність мозку грає роль у формуванні просторових карт. Тоді, якщо пластичність дійсно зіграла свою роль, ми очікуємо, що миші, які нокаутують NMDA рецептор нейромедіатора глутамату, тобто мишей, які не експресують цей рецептор, не генерують просторових карт, оскільки цей рецептор відіграє фундаментальну роль у пластичності мозку і навчання.

Пластичність відіграє важливу роль у підтримці просторових карт

Однак це не так, і було видно, що нокаутні миші до рецептора NMDA або мишей, які лікувалися фармакологічно для блокування цього рецептора, експресують подібні моделі відповіді клітин у нових або звичних середовищах. Це говорить про те, що експресія просторових карт не залежить від пластичності мозку (Kentrol et al., 1998). Ці результати підтверджують гіпотезу, що навігаційні системи не залежать від навчання.

Незважаючи ні на що, використовуючи логіку, механізми церебральної пластичності повинні бути явно необхідними для стабільності в пам'яті нещодавно сформованих карт. І якщо б не так, то як би використати досвід, який формується, проходячи вулицями свого міста? Чи не завжди у нас буде відчуття, що це перший раз, коли ми входимо в наш будинок? Я вважаю, що, як і в багатьох інших випадках, гіпотези є більш взаємодоповнюючими, ніж вони здаються, і, певною мірою, незважаючи на вроджене функціонування цих функцій, пластичність відіграє певну роль у підтримці цих просторових карт в пам'яті.

Мережеві, адресні та крайні клітинки

Це досить абстрактно, щоб говорити про клітини місця і, можливо, більш ніж один читач був здивований, що та ж область мозку, яка генерує спогади, служить нам, так би мовити, GPS. Але ми ще не закінчили і найкраще ще попереду. Тепер дійсно закрутимо локон. Спочатку вважалося, що космічна навігація буде залежати виключно від гіпокампу, коли буде видно, що суміжні структури, такі як енторінальна кора, показали дуже слабку активацію як функцію простору (Frank et al., 2000)..

Однак у цих дослідженнях фіксувалася активність в вентральних областях енторхінальної кори, а в подальших дослідженнях реєструвалися дорсальні ділянки, які мають більшу кількість з'єднань з гіпокампом (Fyhn et al., 2004). Отже, тоді спостерігалося, що багато клітини цього регіону вистрілюються залежно від положення, аналогічного гіпокампу. До цих пір є результати, які, як очікувалося, знайдуть, але коли вони вирішили збільшити площу, яку вони б зареєстрували в енторінальній корі, вони мали сюрприз: серед груп нейронів, які активувалися в залежності від простору, зайнятого твариною, були, мабуть, тихі зони - тобто не активовано-. Коли ділянки, які виявляли активацію, були практично з'єднані, узори спостерігалися у вигляді шестикутників або трикутників. Вони назвали ці нейрони енторхінальної кори "червоними клітинами".

Коли були виявлені еритроцити, можна було вирішити питання про те, як формуються клітини. Маючи в осередках численні з'єднання мережевих клітин, нерозумно думати, що вони утворюються з них. Проте, знову ж таки, все не так просто і експериментальні дані не підтвердили цю гіпотезу. Геометричні структури, які утворюють клітини мережі, ще не вдалося інтерпретувати.

Навігаційні системи не зводяться до гіпокампу

Складність тут не закінчується. Ще менше, коли було видно, що навігаційні системи не зводяться до гіпокампу. Це дозволило розширити межі досліджень в інших областях мозку, виявивши таким чином інші типи клітинних клітин: Рульові осередки і крайові клітини.

Рульові осередки будуть кодувати напрямок, в якому рухається суб'єкт, і буде розташований у дорзальному ядрі тігментального стовбура мозку. З іншого боку, граничні клітини є клітинами, які збільшують швидкість їх випалу, оскільки суб'єкт наближається до меж даного простору і може бути знайдений у специфічній для субікулі області гіпокампу. Ми запропонуємо спрощений приклад, в якому ми спробуємо узагальнити функцію кожного типу комірки:

Уявіть, що ви знаходитесь в їдальні вашого будинку і що ви хочете піти на кухню. Оскільки ви перебуваєте в їдальні вашого будинку, у вас буде кімната для кімнати, яка буде стріляти під час перебування в їдальні, але оскільки ви хочете поїхати на кухню, у вас буде ще одна активована клітина, що представляє кухню. Активація буде зрозуміла, тому що ваш будинок - це простір, який ви прекрасно знаєте, і активація, яку ми зможемо виявити як у клітинах місця, так і в мережі клітин.

Тепер почніть ходити на кухню. Там буде група конкретних адресних осередків, які тепер будуть стріляти і не будуть змінюватися до тих пір, поки ви підтримуєте певний напрямок. А тепер уявіть, що щоб поїхати на кухню, ви повинні повернути праворуч і перетнути вузький коридор. У момент, коли ви повернетеся, ваші адреси комірки будуть знати це, а інший набір осередків адреси буде реєструвати адресу, яка тепер активована, а попередні будуть деактивовані..

Уявіть також, що коридор вузький, і будь-який помилковий рух може призвести до того, що ви потрапите в стіну, тому ваші осередки збільшуватимуть швидкість стрільби. Чим ближче ви доходите до стіни коридору, тим вищий коефіцієнт стрільби покаже ваші осередки. Подумайте про клітини краю як sensors що деякі нові автомобілі та що роблять слуховий сигнал коли ви маневруєте до парку. Крайові клітини вони працюють подібно до цих датчиків, чим ближче вони до зіткнення, тим більше шуму вони роблять. Коли ви приїдете на кухню, ваші клітини на вашому місці покажуть вам, що вона прийшла задовільно, і оскільки це більш широке середовище, ваші клітини краю будуть розслаблені..

Давайте просто ускладнимо все

Цікаво думати, що наш мозок має способи знати нашу позицію. Але залишається питання: як ми узгоджуємо декларативну пам'ять з космічною навігацією в гіпокампі ?, тобто, як наші спогади впливають на ці карти? Чи може бути, що наші спогади були сформовані з цих карт? Щоб спробувати відповісти на це питання, ми повинні подумати трохи далі. Інші дослідження вказували на те, що ті ж клітини, які кодують простір, про які ми вже говорили, також кодують час. Таким чином, йшли розмови час клітини (Eichenbaum, 2014), який би кодифікував сприйняття часу.

Дивовижна справа в тому, що все більше і більше доказів, що підтверджують думку про те, що місце клітини такі ж, як клітини часу. Тоді ж той самий нейрон, що використовує ті ж електричні імпульси, здатний кодувати простір і час. Взаємозв'язок між кодуванням часу і простору в одних і тих же потенціалах дії і їх важливості в пам'яті залишається загадкою.

На закінчення: моя особиста думка

Моя думка про це? Знявши одяг мого вченого, я можу це сказати людина звикла думати про легкий варіант і нам подобається думати, що мозок говорить на одній мові, як і ми. Проблема полягає в тому, що мозок пропонує нам спрощений варіант реальності, який він сам обробляє. У дорозі схожий на тіні печери Платона. Отже, як і в квантовій фізиці порушуються бар'єри того, що ми розуміємо як реальність, в неврології ми виявляємо, що в мозку речі відрізняються від світу, який ми свідомо сприймаємо, і ми повинні мати дуже відкритий розум, що речі не мають чому бути, як ми насправді сприймаємо їх.

Єдине, що я зрозумів, це те, що Антоніо Дамасіо звик повторювати багато в своїх книгах: мозок - великий генератор карт. Можливо, мозок інтерпретує час і простір таким же чином, щоб відобразити наші спогади. І якщо здається химерним, то вважайте, що Ейнстин у своїй теорії відносності однією з теорій, які він постулював, полягав у тому, що час не можна було зрозуміти без простору, і навпаки. Безсумнівно, розгадка цих таємниць є викликом, тим більше, коли вони важкі для вивчення тварин.

Проте, не слід намагатися уникнути цих питань. Спочатку цікавість. Якщо ми вивчаємо розширення Всесвіту або нещодавно зареєстровані гравітаційні хвилі, чому б нам не вивчити, як наш мозок інтерпретує час і простір? По-друге, багато нейродегенеративних захворювань, таких як хвороба Альцгеймера, мають простір-часову дезорієнтацію як перші симптоми. Знаючи нейрофізіологічні механізми цього кодування, ми могли б виявити нові аспекти, які допоможуть краще зрозуміти патологічний перебіг цих захворювань і, хто знає, чи відкривати нові фармакологічні або немедикаментозні цілі..

Бібліографічні посилання:

• Eichenbaum H. 2014. Час клітини в гіпокампі: новий вимір для відображення пам'яті. Nature 15: 732-742
• Френк Л.М., Браун Е.Н., Вілсон М. 2000. Траєкторія кодування в гіпокампі і енторінальної кори. Neuron 27: 169-178.
• Fyhn M, Molden S, Witter MP, Moser EI, Moser M-B. Просторове представлення в енторінальної кори. Science 305: 1258-1264
• Kentros C, Hargreaves E, Hawkins RD, Kandel ER, Shapiro M, Muller RV. 1998. Скасування довготривалої стабільності нових клітинних карт гіпокампу за допомогою блокади рецепторів NMDA. Science 280: 2121-2126.
• Monaco JD, Abbott LF. 2011. Модульна перебудова активності осередків сітки як основа для перерозподілу гіпокампа. J Neurosci 31: 9414-9425.
• O'Keefe J, Speakman A. 1987. Одинична активність елемента в мишачому гіпокампі під час завдання просторової пам'яті. Досвід Brain Res 68: 1 -27.
• Scoville WB, Milner B (1957). Втрата недавньої пам'яті після двостороннього гіппокампанія. J Neurol Neurosurg Psychiatry 20: 11-21.