«Места клетки», что-то вроде нашего мозга GPS

April 3, 2024

Ориентация и исследование в новых или неизвестных пространствах - одна из тех когнитивных способностей, которые мы используем чаще всего. Мы используем его, чтобы вести нас в нашем доме, в нашем районе, чтобы идти на работу.

Мы также зависим от этого, когда мы путешествуем в новый и неизвестный для нас город. Мы используем его, даже когда едем, и, возможно, читатель станет жертвой небрежности в ориентации или компаньоне, который осудит его потерять, заставляя поворачиваться с машиной, пока он с соответствующим маршрутом.

Это не вина ориентации, это вина гиппокампа

Все это ситуации, которые часто расстраивают нас и заставляют нас проклинать нашу ориентацию или ориентацию других людей оскорблениями, криками и различным поведением. хорошо, потому что сегодня я дам мазок в нейрофизиологических механизмах ориентации в нашем Мозг GPS чтобы понять нас

Начнем с того, что будем конкретны: мы не должны проклинать ориентацию, поскольку она является лишь продуктом нашей нейронной активности в конкретных регионах. Поэтому мы начнем с проклятия нашего гиппокампа.

Гиппокамп как структура мозга

С точки зрения эволюции, гиппокамп - это древняя структура, он является частью древовидной культуры, то есть тех структур, которые филогенетически старше нашего вида. Анатомически это часть лимбической системы, в которой также обнаружены другие структуры, такие как миндалина. Лимбическая система считается морфологическим субстратом памяти, эмоций, обучения и мотивации.

Читатель, возможно, если он привык к психологии, узнает, что гиппокамп является необходимой структурой для консолидации декларативных воспоминаний, то есть с этими воспоминаниями с эпизодическим содержанием о нашем опыте или иначе, семантическим (Nadel and O'Keefe, 1972) ,

Доказательством этого являются многочисленные исследования, которые существуют в отношении популярного случая «пациента HM», пациента, у которого были удалены височные полушария, что вызвало разрушительную антероградную амнезию, то есть он не мог запомнить новые факты, хотя он сохранил большинство ваших воспоминаний до операции. Для тех, кто хочет углубиться в этом случае, я рекомендую исследования Scoville и Millner (1957), которые тщательно изучали пациента с HM.

Клетки Места: что они?

Пока что мы не говорим ничего нового или удивительного. Но это было в 1971 году, когда случайно был обнаружен факт, положивший начало изучению навигационных систем в мозге. О'Киф и Джон Достровски, используя внутричерепные электроды, может записывать активность гиппокампальных специфических нейронов у крыс , Это дало возможность, что при выполнении различных поведенческих тестов животное бодрствовало, находилось в сознании и свободно двигалось.

Чего они не ожидали обнаружить, так это того, что были нейроны, которые реагировали избирательно в зависимости от области, в которой находилась крыса. Дело не в том, что в каждой позиции были специфические нейроны (например, для вашей ванной нет нейронов), а в том, что они наблюдались в клетках CA1 (специфическая область гиппокампа), которые отмечали контрольные точки, которые можно адаптировать к различным пространствам. ,

Эти клетки назывались разместить клетки, Следовательно, дело не в том, что для каждого конкретного места, которое вы часто посещаете, есть нейрон места, а скорее в качестве ориентиров, которые связывают вас с вашим окружением; Так формируются эгоцентрические навигационные системы. Место нейронов также будет формировать аллоцентрические навигационные системы, которые будут связывать элементы пространства между ними.

Врожденное программирование против опыта

Это открытие озадачило многих нейробиологов, которые рассматривали гиппокамп как декларативную структуру обучения и теперь видели, как он способен кодировать пространственную информацию. Это породило гипотезу «когнитивной карты», которая постулировала бы, что представление о нашей среде будет генерироваться в гиппокампе.

Так же, как мозг является отличным генератором карт для других сенсорных модальностей, таких как кодирование зрительных, слуховых и соматосенсорных сигналов; нередко думать о гиппокампе как о структуре, которая генерирует карты нашей окружающей среды и которая гарантирует нашу ориентацию в них .

Исследование пошло дальше и проверило эту парадигму в самых разных ситуациях. Например, было видно, что клетки места в задачах лабиринта стреляют, когда животное делает ошибки или когда оно находится в положении, в котором обычно стреляет нейрон (O'keefe and Speakman, 1987).В задачах, в которых животное должно перемещаться в разных пространствах, было замечено, что места стреляют нейронами в зависимости от того, откуда животное и куда оно идет (Frank et al., 2000).

Как формируются пространственные карты

Еще одним из основных направлений исследовательского интереса в этой области было то, как эти пространственные карты формируются. С одной стороны, мы можем думать, что клетки места устанавливают свою функцию на основе опыта, который мы получаем, когда исследуем окружающую среду, или мы можем думать, что это базовый компонент наших мозговых цепей, то есть врожденный. Вопрос еще не ясен, и мы можем найти эмпирические доказательства, подтверждающие обе гипотезы.

С одной стороны, эксперименты Monaco и Abbott (2014), в которых записана активность большого количества клеток, показали, что, когда животное помещают в новую среду, проходит несколько минут, пока эти клетки не начинают стрелять с нормальный. Таким образом, карты местности будут выражаться, в некотором роде, с момента, когда животное входит в новую среду , но опыт изменил бы эти карты в будущем.

Поэтому мы можем подумать, что пластичность мозга играет роль в формировании пространственных карт. Тогда, если бы пластичность действительно сыграла свою роль, мы ожидали бы, что нокаутные мыши по NMDA-рецептору нейротрансмиттера глутамата, то есть мыши, которые не экспрессируют этот рецептор, не будут генерировать пространственные карты, потому что этот рецептор играет фундаментальную роль в пластичности мозга и обучения.

Пластичность играет важную роль в поддержании пространственных карт

Однако это не тот случай, и было видно, что нокаутные мыши по рецептору NMDA или мыши, которых фармакологически лечили для блокирования этого рецептора, экспрессируют сходные паттерны ответа клеток в новых или знакомых условиях. Это говорит о том, что экспрессия пространственных карт не зависит от пластичности мозга (Kentrol et al., 1998). Эти результаты подтверждают гипотезу о том, что навигационные системы не зависят от обучения.

Несмотря ни на что, используя логику, механизмы церебральной пластичности должны быть явно необходимы для стабильности в памяти недавно сформированных карт. И, если бы это было не так, какая польза от опыта, который можно получить, прогуливаясь по улицам своего города? Разве у нас не всегда будет ощущение, что мы впервые входим в наш дом? Я считаю, что, как и во многих других случаях, гипотезы являются более взаимодополняющими, чем они кажутся, и, в некотором смысле, несмотря на врожденное функционирование этих функций, пластичность играет роль в поддержании этих пространственных карт в памяти .

Сеть, адрес и пограничные ячейки

Говорить о клеточных клетках довольно абстрактно, и, возможно, более чем один читатель был удивлен, что та же самая область мозга, которая генерирует воспоминания, служит нам, так сказать, GPS. Но мы еще не закончили, и лучшее еще впереди. Теперь давайте действительно свернемся. Первоначально считалось, что космическая навигация будет зависеть исключительно от гиппокампа, когда было замечено, что соседние структуры, такие как энторинальная кора, показали очень слабую активацию в зависимости от пространства (Frank et al., 2000).

Тем не менее, в этих исследованиях активность в вентральных областях энторинальной коры была зарегистрирована, а в более поздних исследованиях были зарегистрированы дорсальные области, которые имеют большее количество связей с гиппокампом (Fyhn et al., 2004). Итак, тогда было замечено, что многие клетки этой области стреляли в зависимости от положения, подобного гиппокампу , До сих пор они ожидали, что получат результаты, но когда они решили увеличить площадь, которую они будут регистрировать в энторинальной коре, у них возникло удивление: среди групп нейронов, которые были активированы в зависимости от места, занимаемого животным, были явно тихие зоны, то есть они не были activadas-. Когда области, которые показали активацию, были фактически соединены, образцы наблюдались в форме шестиугольников или треугольников. Они называли эти нейроны энторинальной коры "эритроцитами".

Когда были обнаружены эритроциты, стало возможным решить вопрос о том, как образуются клетки. Располагая сотами многочисленные соединения сетевых ячеек, нередко думать, что они образованы из них. Однако, опять же, все не так просто, и экспериментальные данные не подтвердили эту гипотезу. Геометрические узоры, которые образуют ячейки сети, еще не могут быть интерпретированы.

Навигационные системы не сводятся к гиппокампу

Сложность не заканчивается здесь. Еще меньше, когда было видно, что навигационные системы не сводятся к гиппокампу. Это позволило расширить границы исследований на другие области мозга, открыв, таким образом, другие типы клеток, связанные с клетками места: Рулевые и краевые клетки .

Управляющие клетки будут кодировать направление, в котором движется субъект, и будут располагаться в дорсальном сегментарном ядре ствола мозга. С другой стороны, краевые клетки - это клетки, которые увеличивают скорость стрельбы по мере приближения субъекта к границам данного пространства и могут быть обнаружены в специфической для субикулюма области гиппокампа. Мы собираемся предложить упрощенный пример, в котором мы попытаемся обобщить функцию каждого типа клеток:

Представьте, что вы находитесь в столовой своего дома и хотите пойти на кухню. Поскольку вы находитесь в столовой своего дома, у вас будет комнатная камера, которая будет срабатывать, пока вы остаетесь в столовой, но, поскольку вы хотите пойти на кухню, у вас также будет еще одна активированная комнатная ячейка, представляющая кухню. Активация будет ясна, потому что ваш дом - это пространство, которое вы прекрасно знаете, и активация может быть обнаружена как в ячейках места, так и в сети ячеек.

Теперь начните идти к кухне. Будет группа определенных ячеек адреса, которые теперь будут срабатывать и не будут меняться, пока вы сохраняете определенное направление. Теперь представьте, что для того, чтобы пройти на кухню, нужно повернуть направо и пересечь узкий коридор. В тот момент, когда вы включите, ваши адресные ячейки узнают об этом, а другой набор адресных ячеек зарегистрирует направление, в котором он сейчас активирован, а предыдущие будут деактивированы.

Представьте также, что коридор узкий, и любое ложное движение может привести к тому, что вы попадете в стену, поэтому ваши краевые ячейки увеличат вашу скорость стрельбы. Чем ближе вы подходите к стене коридора, тем выше будет коэффициент стрельбы, который покажет ваши краевые ячейки. Думайте о краевых ячейках как о датчиках, которые есть в некоторых новых автомобилях и которые подают звуковой сигнал, когда вы маневрируете в парке. Краевые клетки Они работают аналогично этим датчикам, чем ближе они к столкновению, тем больше шума они создают. , Когда вы прибудете на кухню, ваши ячейки скажут вам, что она прибыла удовлетворительно, и, поскольку это более широкая среда, ваши краевые ячейки расслабятся.

Давайте просто все усложним

Любопытно думать, что у нашего мозга есть способы узнать нашу позицию. Но все еще остается вопрос: как мы согласовываем декларативную память с космической навигацией в гиппокампе? То есть как наши воспоминания влияют на эти карты? Или, может быть, наши воспоминания были сформированы из этих карт? Чтобы попытаться ответить на этот вопрос, мы должны подумать немного дальше. Другие исследования указывают, что те же ячейки, которые кодируют пространство, о котором мы уже говорили, также кодируют время , Таким образом, были разговоры о клетки времени (Eichenbaum, 2014), который закодировал бы восприятие времени.

Что удивительного в этом деле все больше и больше доказательств, подтверждающих идею о том, что ячейки места совпадают с ячейками времени , Тогда тот же нейрон, использующий те же электрические импульсы, способен кодировать пространство и время. Связь между кодированием времени и пространства в одних и тех же потенциалах действия и их значимостью в памяти остается загадкой.

В заключение: мое личное мнение

Мое мнение об этом? Снимая халат моего ученого, я могу сказать, что человек привык думать о легком варианте, и нам нравится думать, что мозг говорит на том же языке, что и мы , Проблема в том, что мозг предлагает нам упрощенную версию реальности, которую он сам обрабатывает. Похоже на тени пещеры Платона. Итак, так же, как в квантовой физике барьеры того, что мы понимаем как реальность, разрушаются, в нейробиологии мы обнаруживаем, что в мозге вещи отличаются от мира, который мы сознательно воспринимаем, и у нас должен быть очень открытый разум, которого у вещей нет зачем быть так, как мы их действительно воспринимаем.

Единственное, что у меня есть, это то, что Антонио Дамасио часто повторяет в своих книгах: мозг - отличный генератор карт , Возможно, мозг интерпретирует время и пространство таким же образом, чтобы отобразить наши воспоминания. И если вам кажется химерическим, подумайте, что Эйнстен в своей теории относительности одной из теорий, которую он постулировал, заключался в том, что время нельзя понять без пространства, и наоборот. Несомненно, разгадать эти загадки - непростая задача, особенно в тех случаях, когда их трудно изучать на животных.

Однако не следует прилагать никаких усилий по этим вопросам. Сначала о любопытстве. Если мы изучаем расширение Вселенной или недавно зарегистрированные гравитационные волны, почему бы нам не изучить, как наш мозг интерпретирует время и пространство? И, во-вторых, многие нейродегенеративные патологии, такие как болезнь Альцгеймера, имеют дезориентацию пространства-времени в качестве первых симптомов.Зная нейрофизиологические механизмы этого кодирования, мы могли бы обнаружить новые аспекты, которые помогут лучше понять патологическое течение этих заболеваний и, кто знает, обнаружить новые фармакологические или нефармакологические цели.

Библиографические ссылки:

Эйхенбаум Х. 2014. Клетки времени в гиппокампе: новое измерение для картирования воспоминаний. Природа 15: 732-742
Франк Л.М., Браун Е.Н., Уилсон М. 2000. Кодирование траектории в гиппокампе и энторинальной коре. Нейрон 27: 169-178.
Фин М., Молден С., Виттер М.П., Мозер Е.И., Мозер М.Б. 2004. Пространственное представление в энторинальной коре. Science 305: 1258-1264
Кентрос С, Харгривз Е, Хокинс Р.Д., Кандель Е.Р., Шапиро М., Мюллер Р.В. 1998. Отмена долгосрочной стабильности новых карт клеток гиппокампа путем блокады NMDA-рецепторов. Science 280: 2121-2126.
Монако JD, Abbott LF. 2011. Модульная перестройка активности ячеек сетки как основа переназначения гиппокампа. J Neurosci 31: 9414-9425.
О'Киф Дж., Спикман А. 1987. Активность отдельных единиц в гиппокампе мыши во время задачи пространственной памяти. Exp Brain Res 68: 1-27.
Сковилль В.Б., Милнер Б. (1957). Утрата недавней памяти после двустороннего гиппокампальеза. J Neurol Neurosurg Psychiatry 20: 11-21.