невронауки

Клетките на мястото, нещо като нашия мозъчен GPS

Клетките на мястото, нещо като нашия мозъчен GPS / невронауки

Ориентацията и изследването в нови или непознати пространства е една от когнитивните способности, които използваме най-често. Ние я използваме, за да ни води в нашия дом, в нашия квартал, да отидем на работа.

Ние също зависим от нея, когато пътуваме за нов и непознат град за нас. Използваме го дори когато шофираме и евентуално читателят ще бъде жертва на небрежност в неговата ориентация или в тази на спътник, който ще го осъди да се загуби, принуден да обикаля с колата, докато не даде с правилния маршрут.

Не е вина на ориентацията, а вината на хипокампуса

Всичко това са ситуации, които често ни осуетяват и ни водят да проклинаме нашата ориентация или тази на другите с обиди, викове и различни поведения. добре, Днес ще дам кичур в неврофизиологичните механизми на ориентация, в нашия Мозъчен GPS да ни разбере.

Ще започнем да бъдем конкретни: не трябва да проклинаме ориентацията, тъй като това е само продукт на нашата нервна дейност в определени региони. Затова ще започнем с проклинането на нашия хипокампус.

Хипокампът като мозъчна структура

Еволюционно хипокампусът е древна структура, тя е част от аркикултурата, т.е. тези структури, които са филогенетично по-стари в нашия вид. Анатомично, тя е част от лимбичната система, в която се откриват и други структури като амигдалата. Лимбичната система се счита за морфологичен субстрат на паметта, емоциите, ученето и мотивацията.

Читателят вероятно, ако е свикнал с психологията, ще знае, че хипокампусът е необходима структура за консолидиране на декларативни спомени, т.е. с онези спомени с епизодично съдържание за нашите преживявания или друго, семантично (Надел и О'Кийф, 1972).

Доказателство за това са изобилните изследвания, които съществуват за популярен случай на "пациент HM", пациент, чиито темпорални полукълба е бил отстранен, предизвиквайки опустошителна антероградна амнезия, т.е. той не може да запомни нови факти, въпреки че е запазил повечето от от вашите спомени от преди операцията. За тези, които искат да отидат по-дълбоко в този случай, аз препоръчвам проучванията на Scoville и Millner (1957), които изчерпателно изследват пациента на HM.

Местните клетки: какви са те??

Досега не казваме нищо ново или нещо изненадващо. Но едва през 1971 г. е открит факт, който създава началото на изследването на навигационните системи в мозъка. O'keefe и John Dostrovski, използвайки вътречерепни електроди, може да регистрира активността на специфични за хипокампа неврони при плъхове. Това даваше възможност, при извършване на различни поведенчески тестове, животното да беше будно, съзнателно и да се движи свободно.

Това, което не очакваха да открият, е, че има неврони, които отговарят селективно в зависимост от мястото, където се намира плъхът. Не е имало специфични неврони за всяка позиция (например, няма неврон за банята), но че те са наблюдавани в клетките CA1 (специфичен регион на хипокампуса), които маркират референтни точки, които могат да бъдат адаптирани към различни пространства..

Тези клетки се наричат поставете клетките. Следователно, не е, че има неврон на място за всяко конкретно пространство, което често посещавате, а по-скоро те са отправни точки, които ви свързват с вашата среда; Така се формират егоцентрични навигационни системи. Невроните на място също ще образуват алоцентрични навигационни системи, които ще свързват елементите на пространството между тях.

Вродено програмиране срещу опит

Това откритие озадачи много невролози, които смятаха хипокампуса за декларативна обучителна структура и сега видяха как е в състояние да кодира пространствена информация. Това е довело до хипотезата на "когнитивната карта", която би предположила, че представянето на нашата околна среда ще се генерира в хипокампуса.

Точно както мозъкът е отличен генератор на карти за други сензорни модалности като кодиране на визуални, слухови и соматосензорни сигнали; Не е неразумно да се мисли за хипокампа като структура, която генерира карти на нашата околна среда и която гарантира нашата ориентация в тях.

Изследването е отишло по-далеч и постави тази парадигма на тест в много различни ситуации. Вижда се, например, че клетките на мястото в лабиринтните задачи се снимат, когато животното прави грешки или когато е в положение, в което невронът обикновено стреля (O'keefe and Speakman, 1987). В задачите, в които животното трябва да се движи през различни пространства, се вижда, че невроните се стрелят в зависимост от това откъде идва животното и откъде отива (Frank et al., 2000)..

Как се формират космическите карти

Друг от основните акценти на изследователския интерес в тази област е как се формират тези пространствени карти. От една страна бихме могли да мислим, че клетките на място установяват своята функция въз основа на опита, който получаваме, когато изследваме една среда, или може да мислим, че тя е основен компонент на нашите мозъчни кръгове, тоест вроден. Въпросът все още не е ясен и можем да намерим емпирични доказателства, които подкрепят двете хипотези.

От една страна, експериментите на Монако и Abbott (2014), които записват активността на голям брой клетки на място, показват, че когато едно животно е поставено в нова среда, минават няколко минути, докато тези клетки започнат да стрелят с нормалното. И така, тогава, картите на местата ще бъдат изразени по някакъв начин, от момента, в който едно животно влезе в нова среда, но опитът ще промени тези карти в бъдеще.

Следователно може да мислим, че пластичността на мозъка играе роля при формирането на пространствените карти. Тогава, ако пластичността наистина е играла роля, бихме очаквали мишки, които нокаутират NMDA рецептора на невротрансмитера глутамат - т.е. мишки, които не експресират този рецептор - не генерират пространствени карти, защото този рецептор играе основна роля в пластичността на мозъка и учене.

Пластичността играе важна роля при поддържането на пространствените карти

Обаче, това не е така и е видно, че нокаут мишки към NMDA рецептора или мишки, които са били лекувани фармакологично, за да блокират този рецептор, изразяват подобни модели на реакция на клетките в нови или познати среди. Това предполага, че експресията на пространствените карти е независима от пластичността на мозъка (Kentrol et al., 1998). Тези резултати биха подкрепили хипотезата, че навигационните системи са независими от обучението.

Въпреки всичко, използвайки логиката, механизмите на церебралната пластичност трябва да са явно необходими за стабилността в паметта на наскоро формираните карти. И ако не беше така, какъв би бил използването на опита, който се формира, като се ходи по улиците на града му? Няма ли винаги да имаме усещането, че за първи път влизаме в къщата си? Считам, че както и при много други случаи, хипотезите са по-допълващи се, отколкото изглеждат и по някакъв начин, въпреки естественото функциониране на тези функции, Пластичността играе роля при поддържането на тези пространствени карти в паметта.

Мрежови, адресни и крайни клетки

Абсолютно абстрактен е да се говори за място клетки и вероятно повече от един читател е бил изненадан, че същата мозъчна област, която генерира спомени ни служи, така да се каже, GPS. Но ние не сме свършили и най-доброто предстои. Сега да скъсаме къдрицата наистина. Първоначално се смяташе, че космическата навигация ще зависи изключително от хипокампуса, когато се вижда, че съседни структури като енторхиналната кора показват много слаба активация като функция на пространството (Frank et al., 2000)..

Обаче, в тези проучвания е регистрирана активността в вентралните области на енторхиналната кора и в по-късните проучвания са регистрирани дорзални области, които имат по-голям брой връзки с хипокампа (Fyhn et al., 2004). И така, тогава наблюдавано е, че много клетки от този участък стрелят в зависимост от позицията, подобна на хипокампуса. До тук се очакват резултати, които се очакваха да намерят, но когато решиха да увеличат площта, която ще регистрират в енторхиналната кора, бяха изненадани: сред групите неврони, които бяха активирани в зависимост от пространството, заемано от животното, имаше очевидно безшумни зони, т.е. activadas-. Когато областите, които показват активиране, са били практически свързани, се наблюдават модели под формата на шестоъгълници или триъгълници. Те наричат ​​тези неврони на енторхиналната кора "червени клетки".

Когато бяха открити червени клетки, беше възможно да се реши въпросът как се образуват клетките. Тъй като клетките поставят многобройни връзки на клетъчните мрежи, не е неразумно да се мисли, че те са формирани от тях. Но отново нещата не са толкова прости и експерименталните доказателства не са потвърдили тази хипотеза. Геометричните модели, които образуват мрежовите клетки, все още не са в състояние да бъдат интерпретирани.

Навигационните системи не се свеждат до хипокампуса

Сложността тук не свършва. Още по-малко, когато се вижда, че навигационните системи не се свеждат до хипокампуса. Това позволи да се разширят границите на научните изследвания до други мозъчни области, като по този начин се открият други видове клетъчно свързани клетки: Управляващи клетки и крайни клетки.

Управляващите клетки ще кодират посоката, в която се движи обектът и ще бъдат разположени в дорзалното тегментално ядро ​​на мозъчния ствол. От друга страна, крайните клетки са клетки, които увеличават скоростта на изпичане, тъй като субектът се приближава до границите на дадено пространство и може да се намери в специфичната за субикула област на хипокампуса. Ще предложим опростен пример, в който ще се опитаме да обобщим функцията на всеки тип клетка:

Представете си, че сте в трапезарията на къщата си и че искате да отидете в кухнята. Тъй като сте в трапезарията на къщата си, ще имате стая, която ще стреля, докато сте в трапезарията, но тъй като искате да отидете в кухнята, ще имате и друга активирана клетка, която представлява кухнята. Активирането ще бъде ясно, защото къщата ви е пространство, което познавате перфектно и активирането, което ще можем да открием както в клетките на мястото, така и в клетъчната мрежа..

Сега започнете да вървите към кухнята. Ще има група от специфични адресни клетки, които сега ще изстрелват и няма да се променят, докато поддържате определена посока. Сега си представете, че за да отидете в кухнята, трябва да завиете надясно и да пресечете тесен коридор. В момента, в който се включите, вашите адресни клетки ще го знаят, а друг набор адресни клетки ще регистрира адреса, който вече е активиран, а предишните ще бъдат деактивирани..

Представете си също, че коридорът е тесен и всяко погрешно движение може да ви накара да удряте стената, така че вашите крайни клетки ще увеличат скоростта на стрелба. Колкото по-близо сте до стената на коридора, толкова по-високо съотношение на стрелба ще покаже вашите крайни клетки. Помислете за крайните клетки като сензори, които някои нови коли имат и които правят слухов сигнал, когато маневрирате да паркирате. Крайните клетки те работят по подобен начин на тези сензори, колкото повече се сблъскват с шума, който правят. Когато пристигнете в кухнята, клетките на вашето място ще ви покажат, че са пристигнали задоволително и тъй като това е по-широка среда, вашите крайни клетки ще се отпуснат.

Нека просто усложним всичко

Любопитно е да мислим, че нашият мозък има начини да познава нашата позиция. Но все още има въпрос: Как да съгласуваме декларативната памет с космическата навигация в хипокампуса ?, т.е. как нашите спомени влияят върху тези карти? Или може би е, че спомените ни са били формирани от тези карти? За да се опитаме да отговорим на този въпрос, трябва да помислим още малко. Други изследвания сочат, че същите клетки, които кодират пространството, за което вече говорихме, също кодират времето. Така се говори времеви клетки (Eichenbaum, 2014), което ще кодифицира възприемането на времето.

Изненадващото в случая е това все повече и повече доказателства подкрепят идеята, че клетките на мястото са същите като времевите клетки. Тогава същият неврон, използващ същите електрически импулси, е способен да кодира пространство и време. Връзката между кодирането на времето и пространството в един и същ потенциал на действие и тяхното значение в паметта остава загадка.

В заключение: моето лично мнение

Моето мнение за това? Като свалям дрехата на моя учен, мога да го кажа човекът е свикнал да мисли за лесния вариант и ние обичаме да мислим, че мозъкът говори на същия език като нас. Проблемът е, че мозъкът ни предлага опростена версия на реалността, която той сам обработва. По начин, подобен на сенките на пещерата на Платон. Така че, както и в квантовата физика, бариерите на това, което разбираме като реалност, се нарушават, в невронауката откриваме, че в мозъка нещата са различни от света, който съзнателно възприемаме и трябва да имаме много отворен ум, че нещата нямат Защо да бъдем така, както ги възприемаме.

Единственото нещо, което имам ясно е, че Антонио Дамасио е свикнал да повтаря много в книгите си: мозъкът е голям генератор на карти. Може би мозъкът интерпретира времето и пространството по същия начин, за да картографира нашите спомени. И ако изглежда химерично, помислете, че Ейнщън в своята теория на относителността е една от теориите, които той е предположил, че времето не може да бъде разбрано без пространство и обратно. Без съмнение разгадаването на тези мистерии е предизвикателство, още повече когато те са трудни аспекти за изучаване при животните.

Въпреки това не трябва да се полагат усилия по тези въпроси. Първо от любопитство. Ако изучаваме разширяването на Вселената или наскоро записаните гравитационни вълни, защо не изучаваме как мозъкът ни интерпретира време и пространство? И второ, много от невродегенеративните заболявания като болестта на Алцхаймер имат дезориентация на пространството-време като първи симптоми. Познавайки неврофизиологичните механизми на това кодиране, бихме могли да открием нови аспекти, които ще помогнат за по-доброто разбиране на патологичния ход на тези заболявания и, кой знае, дали да открият нови фармакологични или не-фармакологични цели..

Библиографски препратки:

  • Eichenbaum H. 2014. Времеви клетки в хипокампуса: ново измерение за картографиране на спомените. Nature 15: 732-742
  • Франк Л.М., Браун Е.Н., Уилсън М. 2000. Кодиране на траекторията в хипокампуса и енторхиналната кора. Neuron 27: 169-178.
  • Fyhn M, Molden S, Witter MP, Moser EI, Moser M-B. Пространствено представяне в енторхиналната кора. Science 305: 1258-1264
  • Kentros C, Hargreaves E, Hawkins RD, Kandel ER, Shapiro M, Muller RV. Премахване на дългосрочната стабилност на новите клетъчни карти на хипокампалното място чрез блокада на NMDA рецептори. Science 280: 2121-2126.
  • Monaco JD, Abbott LF. 2011. Модулна корекция на активността на клетъчната мрежа като основа за хипокампално преначертаване. J Neurosci 31: 9414-9425.
  • O'Keefe J, Speakman A. 1987. Единична единична активност в мишата хипокампус по време на задача за пространствена памет. Exp Brain Res 68: 1 -27.
  • Scoville WB, Milner B (1957). Загуба на скорошна памет след двустранна хипокампания. J Neurol Neurosurg Psychiatry 20: 11-21.