Místo buňky, něco jako náš mozek GPS

Orientace a zkoumání v nových nebo neznámých prostorech je jednou z kognitivních schopností, které používáme nejčastěji. Používáme ho k tomu, abychom nás vedli v našem domě, v našem sousedství, abychom chodili do práce.

Jsme také závislí na tom, když cestujeme do nového a neznámého města pro nás. Používáme ji i v době, kdy řídíme, a možná, že čtenář bude obětí nedbalosti v jeho orientaci nebo v roli společníka, který ho odsoudil, aby se ztratil a byl nucen jít s autem, dokud nedal se správnou cestou.

Není to chyba orientace, je to chyba hrocha

To vše jsou situace, které nás často marí a které nás vedou k prokletí naší orientace nebo k orientaci druhých s urážkami, výkřiky a různým chováním. Dobře, Dnes udělám tah v neurofyziologických mechanismech orientace, v našem Mozek GPS porozumět nám.

Začneme být specifičtí: tuto orientaci bychom neměli proklínat, protože je to jen produkt naší nervové aktivity v konkrétních regionech. Začneme proto prokletím našeho hipokampu.

Hippocampus jako struktura mozku

Evolutivně je hipokampus starobylou strukturou, je součástí kultury, tedy těch struktur, které jsou u našich druhů fylogeneticky starší. Anatomicky, to je část limbic systému, ve kterém jiné struktury takový jak amygdala být také najit. Limbický systém je považován za morfologický substrát paměti, emocí, učení a motivace.

Čtenář, pokud je zvyklý na psychologii, bude vědět, že hippocampus je nezbytnou strukturou pro konsolidaci deklarativních vzpomínek, tj. S těmi vzpomínkami s epizodickým obsahem o našich zkušenostech nebo jinak, sémantické (Nadel a O'Keefe, 1972)..

Důkazem toho jsou hojné studie, které existují o populárním případu „pacienta HM“, pacienta, jehož temporální hemisféry byly odstraněny, což způsobilo devastující anterográdní amnézii, to znamená, že si nemohl zapamatovat nová fakta, ačkoli si zachoval většinu z nich. vašich vzpomínek před operací. Pro ty, kteří chtějí v tomto případě jít hlouběji, doporučuji Scovilleho a Millnerovu studii (1957), která studovala pacienta s HM vyčerpávajícím způsobem..

Místo buňky: co to je??

Zatím nic neřekneme, nic překvapivého. Ale bylo to v roce 1971, kdy náhodou byla objevena skutečnost, která vyvolala začátek studia navigačních systémů v mozku. O'keefe a John Dostrovski, používající intrakraniální elektrody, mohla zaznamenat aktivitu neuronů specifických pro hipokampy u potkanů. To nabídlo možnost, že při provádění různých testů chování bylo zvíře vzhůru, vědomé a volně se pohybující.

Neočekávali, že by objevili neurony, které reagovaly selektivně v závislosti na oblasti, kde byla krysa umístěna. Není to tak, že by do každé pozice existovaly specifické neurony (například pro vaši koupelnu není žádný neuron), ale že byly pozorovány v buňkách CA1 (specifická oblast hippokampu), které označily referenční body, které by mohly být přizpůsobeny různým prostorům..

Tyto buňky byly označeny místo. Není to proto, že existuje neuron místa pro každý konkrétní prostor, který často navštěvujete, ale spíše jsou to referenční body, které vás spojují s vaším prostředím; Takto vznikají egocentrické navigační systémy. Místo neuronů bude také tvořit alocentrické navigační systémy, které se budou vztahovat na prvky prostoru mezi nimi.

Vrozené programování vs.

Tento objev zmatený mnoho neuroscientists kdo zvažoval hippocampus jako deklarativní vzdělávací struktura a nyní viděl, jak to bylo schopné kódovat prostorové informace. To dalo vzniknout hypotéze "kognitivní mapy", která by postulovala, že reprezentace našeho prostředí bude generována v hipokampu..

Stejně jako je mozek vynikajícím generátorem map pro další senzorické modality, jako je kódování vizuálních, sluchových a somatosenzorických signálů; Není nepřiměřené myslet na hippocampus jako na strukturu, která vytváří mapy našeho prostředí a která zaručuje naši orientaci v nich..

Výzkum pokračoval a dal tento paradigma do testu ve velmi odlišných situacích. Bylo například pozorováno, že buňky místa v bludišti úkoly střílí, když zvíře dělá chyby nebo když je v poloze, ve které by obvykle neuron střílel (O'keefe a Speakman, 1987). V úkolech, ve kterých se zvíře musí pohybovat různými prostory, bylo vidět, že místo neuronů střílí v závislosti na tom, odkud zvíře pochází a kam jde (Frank et al., 2000).

Jak se tvoří prostorové mapy

Dalším z hlavních zájmů výzkumu v této oblasti bylo, jak jsou tyto prostorové mapy tvořeny. Na jedné straně jsme si mohli myslet, že místo buněk založí svou funkci na základě zkušeností, které dostaneme, když zkoumáme prostředí, nebo bychom si mohli myslet, že je to základní složka našich mozkových okruhů, tj. Vrozených. Otázka ještě není jasná a můžeme najít empirické důkazy, které podporují obě hypotézy.

Na jedné straně experimenty Monaka a Abbotta (2014), které zaznamenaly aktivitu velkého počtu buněk na místě, ukázaly, že když je zvíře umístěno do nového prostředí několik minut, než tyto buňky začnou střílet Normálnost Tak tedy, mapy míst by byly nějakým způsobem vyjádřeny od okamžiku, kdy zvíře vstoupí do nového prostředí, ale zkušenosti by tyto mapy v budoucnu upravily.

Proto bychom si mohli myslet, že plasticita mozku hraje roli při tvorbě prostorových map. Pakliže by nějaká role hrála plastickost, očekávali bychom, že myší knockout na NMDA receptor neurotransmiteru glutamátu - tj. Myší, které tento receptor neexprimují - nevytvářejí prostorové mapy, protože tento receptor hraje zásadní roli v plasticitě mozku a učení.

Plasticity hraje důležitou roli v údržbě prostorových map

To však není tento případ, a bylo vidět, že knockoutované myši k receptoru NMDA nebo myši, které byly farmakologicky ošetřeny k blokování tohoto receptoru, exprimují podobné vzorce odezvy buněk v nových nebo známých prostředích. To naznačuje, že exprese prostorových map je nezávislá na plasticitě mozku (Kentrol et al., 1998). Tyto výsledky by podpořily hypotézu, že navigační systémy jsou nezávislé na učení.

Navzdory všemu, s využitím logiky, musí být mechanismy mozkové plasticity jasně nezbytné pro stabilitu v paměti nově vytvořených map. A pokud by tomu tak nebylo, jaké by bylo použití zkušenosti, kterou člověk vytvoří, když jdou ulicemi svého města? Ne vždy bychom měli pocit, že je to poprvé, kdy vstoupíme do našeho domu? Domnívám se, že stejně jako v mnoha jiných případech jsou hypotézy více komplementární, než se zdají, a určitým způsobem i přes vrozené fungování těchto funkcí., plasticita hraje roli v udržování těchto prostorových map v paměti.

Síťové, adresové a okrajové buňky

Je to docela abstraktní mluvit o místě buňky a možná více než jeden čtenář byl překvapen, že stejné oblasti mozku, která vytváří vzpomínky slouží nám, tak říkajíc, GPS. Ale my jsme neskončili a nejlepší je ještě přijít. Teď se opravdu stočme. Zpočátku se předpokládalo, že kosmická navigace bude záviset výhradně na hipokampu, když bylo vidět, že sousední struktury, jako je entorhinal cortex, vykazovaly velmi slabou aktivaci jako funkci prostoru (Frank et al., 2000).

V těchto studiích však byla zaznamenána aktivita entrálního kortexu ve ventrálních oblastech a v pozdějších studiích byly zaznamenány dorzální oblasti, které mají větší počet spojení s hipokampem (Fyhn et al., 2004). Tak tedy bylo pozorováno, že mnoho buněk této oblasti vystřelilo v závislosti na poloze, podobné hipokampu. Doposud se očekávaly výsledky, které se daly očekávat, ale když se rozhodly zvýšit plochu, kterou by se registrovaly v entorhinalním kortexu, měli překvapení: mezi skupinami neuronů, které byly aktivovány v závislosti na prostoru obsazeném zvířetem, byly zjevně tiché zóny - to znamená, že nebyly aktivováno-. Když byly oblasti, které vykazovaly aktivaci, prakticky spojeny, byly pozorovány vzory ve formě šestiúhelníků nebo trojúhelníků. Oni nazývali tyto neurons entorhinal kortexu “červené krvinky” \ t.

Když byly objeveny červené krvinky, bylo možné vyřešit otázku, jak se tvoří buňky. Mít buňky umístit četná spojení síťových buněk, to není nerozumné myslet si, že oni jsou tvořeni od nich. Ještě jednou však věci nejsou tak jednoduché a experimentální důkazy tuto hypotézu nepotvrdily. Geometrické vzory, které tvoří síťové buňky, nebyly dosud schopny interpretovat.

Navigační systémy nejsou redukovány na hipokampus

Složitost zde nekončí. Ještě méně, když bylo vidět, že navigační systémy nejsou redukovány na hipokampus. To umožnilo rozšířit hranice výzkumu na další oblasti mozku, a tak na místě objevovat další typy buněk souvisejících s buňkami: Řídící buňky a hranové buňky.

Řídící buňky by kódovaly směr, ve kterém se subjekt pohybuje, a byly by umístěny v dorzálním tegmentálním jádru mozkového kmene. Na druhé straně, okrajové buňky jsou buňky, které zvyšují jejich rychlost střelby, když se subjekt blíží hranicím daného prostoru a může být nalezen v subikulárně specifické oblasti hipokampu. Nabídneme zjednodušený příklad, ve kterém se pokusíme shrnout funkci každého typu buňky:

Představte si, že jste v jídelně svého domu a že chcete jít do kuchyně. Vzhledem k tomu, že jste v jídelně svého domu, budete mít pokoj buňku, která bude oheň, zatímco pobyt v jídelně, ale protože chcete jít do kuchyně budete mít také další aktivovanou buňku, která představuje kuchyně. Aktivace bude jasná, protože váš dům je prostor, který dokonale znáte a aktivace, kterou budeme schopni detekovat jak v buňkách místa, tak v síti buněk.

Začněte chodit do kuchyně. Bude existovat skupina specifických adresních buněk, které budou nyní vypalovány a nebudou se měnit, dokud budete udržovat určitý směr. Představte si, že když půjdete do kuchyně, musíte odbočit vpravo a projít úzkou chodbou. Ve chvíli, kdy se otočíte, budou vaše buňky adresy znát a další sada buněk adresy bude registrovat adresu, která byla aktivována, a předchozí budou deaktivovány..

Představte si také, že chodba je úzká a každý falešný pohyb může způsobit, že narazíte na zeď, takže vaše hranové buňky zvýší rychlost palby. Čím blíže se dostanete ke stěně chodby, tím vyšší bude palebná síla. Přemýšlejte o okrajových buňkách jako senzorech, které mají některá nová auta a která při poslechu manévru zaparkují zvukový signál. Hranové buňky Pracují podobným způsobem jako tyto senzory, čím blíže se střetávají s tím, čím více hluku vytvářejí. Když dorazíte do kuchyně, vaše místo buňky vám oznámí, že dorazila uspokojivě a protože se jedná o širší prostředí, vaše hranové buňky se uvolní.

Zkomplikujme všechno

Je zvláštní si myslet, že náš mozek má způsoby, jak poznat naši pozici. Stále je tu však otázka: Jak sladíme deklarativní paměť s navigací vesmíru v hippocampu?, To znamená, jak naše paměti ovlivňují tyto mapy? Nebo by to mohlo být, že naše vzpomínky byly vytvořeny z těchto map? Abychom se pokusili odpovědět na tuto otázku, musíme přemýšlet o něco dále. Další studie poukázaly na to, že stejné buňky, které kódový prostor, o kterých jsme již mluvili, také kódují čas. Hovořilo se o tom časových buněk (Eichenbaum, 2014), která by kodifikovala vnímání času.

Překvapující na tom případě je to více a více důkazů podporujících myšlenku, že umístit buňky jsou stejné jako časové buňky. Stejný neuron používající stejné elektrické impulsy je pak schopen kódovat prostor a čas. Vztah mezi kódováním času a prostoru ve stejných akčních potenciálech a jejich význam v paměti zůstává záhadou.

Závěrem: můj osobní názor

Můj názor na to? Sejmu si vědeckého roucha, to můžu říct lidská bytost je zvyklá myslet na snadnou možnost a my si myslíme, že mozek mluví stejným jazykem jako my. Problém je v tom, že nám mozek nabízí zjednodušenou verzi reality, kterou sám zpracovává. Podobným způsobem jako stíny Platonovy jeskyně. Stejně jako v barvách kvantové fyziky toho, co chápeme jako realitu, jsou zlomeny, v neurovědě zjistíme, že v mozku se věci liší od světa, který vědomě vnímáme, a musíme mít velmi otevřenou mysl, že věci nemají. proč je tak, jak je skutečně vnímáme.

Jediná věc, kterou mám jasnou, je něco, co je Antonio Damasio zvyklé hodně opakovat ve svých knihách: mozek je velký generátor map. Možná, že mozek interpretuje čas a prostor stejným způsobem, jak mapovat naše vzpomínky. A pokud se to zdá být chimérické, myslím si, že Einsten ve své teorii relativity, kterou jedna z teorií, o které se domníval, byl ten čas, který nemohl být chápán bez prostoru, a naopak. Nepochybně rozptýlení těchto záhad je výzvou, ještě více, když jsou obtížné aspekty studia na zvířatech.

Na tyto otázky by se však nemělo šetřit. Nejprve zvědavost. Pokud budeme studovat expanzi vesmíru nebo nedávno zaznamenané gravitační vlny, proč bychom neměli studovat, jak náš mozek interpretuje čas a prostor? A za druhé, mnohé z neurodegenerativních onemocnění, jako je Alzheimerova choroba, mají jako první symptomy dezorientaci časoprostoru. Známe-li neurofyziologické mechanismy tohoto kódování, mohli bychom objevit nové aspekty, které pomohou lépe pochopit patologický průběh těchto onemocnění a kdo ví, zda objevovat nové farmakologické nebo nefarmakologické cíle..

Bibliografické odkazy:

• Eichenbaum H. 2014. Časové buňky v hippocampu: nový rozměr pro mapování vzpomínek. Nature 15: 732-742
• Frank LM, Brown EN, Wilson M. 2000. Trajektorie kódování v hipokampu a entorhinal cortex. Neuron 27: 169-178.
• Fyhn M, Molden S, Witter MP, Moser EI, Moser M-B. 2004. Prostorová reprezentace v entorhinal cortex. Science 305: 1258-1264
• Kentros C, Hargreaves E, Hawkins RD, Kandel ER, Shapiro M, Muller RV. 1998. Zrušení dlouhodobé stability nových map hipokampálních buněk pomocí blokády NMDA receptorů. Science 280: 2121-2126.
• Monaco JD, Abbott LF. 2011. Modulární přeuspořádání aktivity buněk v mřížce jako základ pro remapování hipokampu. J. Neurosci 31: 9414-9425.
• O'Keefe J, Speakman A. 1987. Aktivita jedné jednotky v hipokampu myši během úlohy prostorové paměti. Exp Brain Res 68: 1 -27.
• Scoville WB, Milner B (1957). Ztráta nedávné paměti po bilaterální hippokampalese. J Neurol Neurosurg Psychiatry 20: 11-21.