Miesto bunky, niečo ako náš mozog GPS

Orientácia a prieskum v nových alebo neznámych priestoroch je jednou z kognitívnych schopností, ktoré najčastejšie používame. Používame ho na to, aby nás viedli v našom dome, v našom susedstve, aby sme išli do práce.

Sme tiež závislí na tom, keď cestujeme do nového a neznámeho mesta pre nás. Používame ho aj vtedy, keď riadime, a možno, že čitateľ sa stal obeťou nedbanlivosti v jeho orientácii alebo v situácii spoločníka, ktorý ho odsúdil, aby sa stratil, nútený chodiť s autom, kým nedá so správnou cestou.

Nie je to chyba orientácie, je to chyba hrocha

To všetko sú situácie, ktoré nás často maria a ktoré nás vedú k prekliatiu našej orientácie alebo k orientácii iných s urážkami, výkrikmi a rôznym správaním. dobre, Dnes budem robiť ťahy v neurofyziologických mechanizmoch orientácie, v našom Mozgový GPS pochopiť nás.

Začneme byť špecifickí: nemali by sme preklínať orientáciu, pretože je to len produkt našej neurálnej aktivity v špecifických regiónoch. Preto začneme preklínaním nášho hipokampu.

Hippocampus ako štruktúra mozgu

Evolutívne je hipokampus starodávnou štruktúrou, je súčasťou kultúry, ktorá je v našich druhoch fylogeneticky staršia. Anatomicky je súčasťou limbického systému, v ktorom sa nachádzajú aj iné štruktúry, ako napríklad amygdala. Limbický systém je považovaný za morfologický substrát pamäti, emócií, učenia a motivácie.

Čitateľ, ak je zvyknutý na psychológiu, bude vedieť, že hipokampus je nevyhnutnou štruktúrou pre konsolidáciu deklaratívnych spomienok, tj s tými spomienkami s epizodickým obsahom o našich skúsenostiach alebo iných, sémantických (Nadel a O'Keefe, 1972)..

Dôkazom toho sú početné štúdie, ktoré existujú o populárnom prípade „pacienta HM“, pacienta, ktorého časové hemisféry boli odstránené, čo spôsobilo ničivú anterográdnu amnéziu, to znamená, že si nemohol zapamätať nové fakty, hoci si zachoval väčšinu z nich. vašich spomienok pred operáciou. Pre tých, ktorí chcú v tomto prípade ísť hlbšie, odporúčam štúdie Scovilleho a Millnera (1957), ktoré podrobne študovali pacienta s HM..

Miesto bunky: čo sú to??

Zatiaľ nič nehovoríme nič nové, ani nič prekvapujúce. Ale bolo to v roku 1971, keď náhodou bola objavená skutočnosť, ktorá vytvorila začiatok štúdia navigačných systémov v mozgu. O'keefe a John Dostrovski, používajúc intrakraniálne elektródy, mohli zaznamenať aktivitu hipokampálnych špecifických neurónov u potkanov. To umožnilo, že pri vykonávaní rôznych testov správania sa zviera bolo bdelé, pri vedomí a voľne sa pohybovalo.

Neočakávali sa, že objavia neuróny, ktoré reagovali selektívne v závislosti od oblasti, kde sa potkan nachádzal. Nie je to tak, že by existovali špecifické neuróny v každej polohe (napríklad neurón pre vašu kúpeľňu), ale že boli pozorované v bunkách CA1 (špecifická oblasť hipokampu), ktoré označili referenčné body, ktoré by mohli byť prispôsobené rôznym priestorom..

Tieto bunky boli nazvané umiestniť bunky. Preto nie je to, že existuje neurón miesta pre každý špecifický priestor, ktorý ste častý, ale skôr sú to referenčné body, ktoré sa vás týkajú vášho prostredia; Takto sa vytvárajú egocentrické navigačné systémy. Miesto neurónov bude tiež tvoriť alocentrické navigačné systémy, ktoré budú vzťahovať prvky priestoru medzi nimi.

Vrodené programovanie vs.

Tento objav zmätil mnoho neurovedcov, ktorí považovali hipokampus za deklaratívnu štruktúru vzdelávania a teraz videli, ako je schopný kódovať priestorové informácie. To viedlo k hypotéze "kognitívnej mapy", ktorá by postulovala, že reprezentácia nášho prostredia by bola generovaná v hipokampe..

Rovnako ako mozog je vynikajúcim generátorom máp pre iné senzorické modality, ako je kódovanie vizuálnych, sluchových a somatosenzorických signálov; Nie je nerozumné myslieť na hippocampus ako na štruktúru, ktorá vytvára mapy nášho prostredia a ktorá zaručuje našu orientáciu v nich..

Výskum pokračoval a dal túto paradigmu do testu vo veľmi odlišných situáciách. Bolo vidieť napríklad, že bunky miesta v bludisku úlohy strieľať, keď zviera robí chyby, alebo keď je v pozícii, v ktorej by neurón zvyčajne strieľal (O'keefe a Speakman, 1987). V úlohách, v ktorých sa zviera musí pohybovať rôznymi priestormi, sa zistilo, že miesto neurónov sa natáča v závislosti od miesta, odkiaľ zviera pochádza a kam smeruje (Frank et al., 2000).

Ako sa vytvárajú vesmírne mapy

Ďalším z hlavných cieľov výskumu v tejto oblasti bolo, ako sú tieto priestorové mapy tvorené. Na jednej strane by sme si mohli myslieť, že miesto buniek založí svoju funkciu na základe skúseností, ktoré dostaneme, keď skúmame prostredie, alebo by sme si mohli myslieť, že je to základná zložka našich mozgových okruhov, to znamená vrodená. Otázka ešte nie je jasná a môžeme nájsť empirické dôkazy, ktoré podporujú obidve hypotézy.

Na jednej strane experimenty Monaka a Abbotta (2014), ktoré zaznamenali aktivitu veľkého počtu buniek na mieste, ukázali, že keď sa zviera umiestni do nového prostredia niekoľko minút, kým tieto bunky nezačnú strieľať normálu. Tak potom, Mapy miesta by boli nejakým spôsobom vyjadrené od chvíle, keď zviera vstúpi do nového prostredia, ale skúsenosti by tieto mapy v budúcnosti upravili.

Preto by sme si mohli myslieť, že plasticita mozgu hrá úlohu pri tvorbe priestorových máp. Ak by však plasticita skutočne zohrávala úlohu, očakávali by sme, že myši vyradia NMDA receptor neurotransmiterového glutamátu - teda myší, ktoré tento receptor neexprimujú - nevytvárajú priestorové mapy, pretože tento receptor hrá zásadnú úlohu v plasticite mozgu a štúdium.

Plasticita hrá dôležitú úlohu pri údržbe priestorových máp

Avšak toto nie je tento prípad a bolo vidieť, že knockoutované myši na NMDA receptor alebo myši, ktoré boli liečené farmakologicky na blokovanie tohto receptora, exprimujú podobné vzory odpovede buniek v nových alebo známych prostrediach. To naznačuje, že expresia priestorových máp je nezávislá od plasticity mozgu (Kentrol et al., 1998). Tieto výsledky by podporili hypotézu, že navigačné systémy sú nezávislé od učenia.

Napriek všetkému, pomocou logiky, musia byť mechanizmy mozgovej plasticity jasne nevyhnutné pre stabilitu v pamäti nedávno vytvorených máp. A ak by tomu tak nebolo, aké by bolo použitie skúsenosti, ktorú človek vytvára pri prechádzke po uliciach svojho mesta? Nemali by sme vždy pocit, že je to prvýkrát, čo vstúpime do nášho domu? Domnievam sa, že tak, ako pri mnohých iných príležitostiach, hypotézy sú viac komplementárne, ako sa zdá, a určitým spôsobom, napriek vrodenému fungovaniu týchto funkcií., plasticita má úlohu pri udržiavaní týchto priestorových máp v pamäti.

Sieťové, adresové a okrajové bunky

Je celkom abstraktné hovoriť o mieste buniek a možno viac ako jeden čitateľ bol prekvapený, že tá istá oblasť mozgu, ktorá vytvára spomienky, nám slúži, aby sme tak povedali, GPS. Ale my sme neskončili a to najlepšie ešte len príde. Teraz sa stočme naozaj. Spočiatku sa predpokladalo, že vesmírna navigácia bude závisieť výlučne od hipokampu, keď sa zistilo, že priľahlé štruktúry, ako je entorhinal cortex, vykazovali veľmi slabú aktiváciu ako funkciu priestoru (Frank et al., 2000).

V týchto štúdiách však bola zaznamenaná aktivita entrálneho kortexu vo ventrálnych oblastiach a v neskorších štúdiách boli zaznamenané dorzálne oblasti, ktoré majú väčší počet spojení s hipokampom (Fyhn et al., 2004). Tak potom bolo pozorované, že mnoho buniek tejto oblasti vystreľovalo v závislosti od polohy, podobnej hipokampu. Doteraz sa očakávali výsledky, ktoré sa očakávali, ale keď sa rozhodli zväčšiť plochu, ktorú by mali zaregistrovať v entorhinalnej kôre, mali prekvapenie: medzi skupinami neurónov, ktoré boli aktivované v závislosti od priestoru obsadeného zvieraťom, boli zdanlivo tiché zóny - to znamená, že neboli activadas-. Keď boli oblasti, ktoré vykazovali aktiváciu, prakticky spojené, boli pozorované vzory vo forme šesťuholníkov alebo trojuholníkov. Nazývali tieto neuróny entorhinal cortex "červených krviniek".

Keď sa objavili červené krvinky, bolo možné vyriešiť otázku, ako sa tvoria bunky. Keď bunky majú početné spojenia sieťových buniek, nie je nerozumné myslieť si, že sú z nich vytvorené. Ešte raz však veci nie sú také jednoduché a experimentálne dôkazy túto hypotézu nepotvrdili. Geometrické vzory, ktoré tvoria sieťové bunky, sa ešte nedali interpretovať.

Navigačné systémy nie sú redukované na hipokampus

Komplexnosť tu nekončí. Ešte menej, keď bolo vidieť, že navigačné systémy nie sú redukované na hipokampus. To umožnilo rozšíriť hranice výskumu na iné oblasti mozgu, čím sa objavia iné typy buniek súvisiacich s bunkami: Riadiace bunky a okrajové bunky.

Riadiace bunky by kódovali smer, v ktorom sa subjekt pohybuje a boli by umiestnené v dorzálnom tegmentálnom jadre mozgového kmeňa. Na druhej strane, okrajové bunky sú bunky, ktoré zvyšujú rýchlosť vypaľovania, keď sa subjekt približuje k hraniciam daného priestoru a môže sa nachádzať v subkulum-špecifickej oblasti hipokampu. Ponúkame zjednodušený príklad, v ktorom sa pokúsime zhrnúť funkciu každého typu bunky:

Predstavte si, že ste v jedálni svojho domu a že chcete ísť do kuchyne. Vzhľadom k tomu, že ste v jedálni svojho domu, budete mať izbu bunku, ktorá bude oheň, zatiaľ čo vy pobyt v jedálni, ale pretože chcete ísť do kuchyne budete mať aj ďalšie aktivované bunky, ktorá predstavuje kuchyne. Aktivácia bude jasná, pretože váš dom je priestor, ktorý dokonale poznáte a aktivácia, ktorú budeme schopní detekovať ako v bunkách, tak aj v bunkovej sieti.

Teraz začnite chodiť do kuchyne. Bude existovať skupina špecifických adresných buniek, ktoré budú teraz vystrelené a nebudú sa meniť, pokiaľ budete udržiavať určitý smer. Predstavte si, že ak pôjdete do kuchyne, musíte odbočiť vpravo a prejsť úzkou chodbou. V okamihu, keď sa otočíte, budú vaše bunky adresy vedieť a iná sada buniek adries zaregistruje adresu, ktorá bola aktivovaná, a predchádzajúce adresy budú deaktivované.

Predstavte si tiež, že chodba je úzka a akýkoľvek falošný pohyb môže spôsobiť, že narazíte na stenu, takže vaše hranové bunky zvýšia rýchlosť streľby. Čím bližšie sa dostanete ku stene chodby, tým vyšší by bol pomer palby k okrajovým bunkám. Premýšľajte o okrajových bunkách ako o senzoroch, ktoré majú niektoré nové autá a ktoré robia zvukový signál pri manévrovaní do parku. Okrajové bunky pracujú podobným spôsobom ako tieto senzory, čím bližšie sa zrážajú, tým viac hluku vytvárajú. Keď prídete do kuchyne, vaše bunky miesta vám oznámia, že dorazili uspokojivo a keďže ide o širšie prostredie, vaše hranové bunky sa uvoľnia.

Zkomplikujme všetko

Je zvedavé myslieť si, že náš mozog má spôsoby, ako poznať našu pozíciu. Stále však existuje otázka: Ako zladíme deklaratívnu pamäť s priestorovou navigáciou v hipokampuse, teda ako naše spomienky ovplyvňujú tieto mapy? Alebo by to mohlo byť, že naše spomienky boli vytvorené z týchto máp? Aby sme sa pokúsili odpovedať na túto otázku, musíme myslieť trochu ďalej. Iné štúdie poukázali na to, že tie isté bunky, ktoré kódový priestor, o ktorých sme už hovorili, tiež kódujú čas. Hovorilo sa o tom časových buniek (Eichenbaum, 2014), ktorá by kodifikovala vnímanie času.

Prekvapujúca vec na tomto prípade je, že viac a viac dôkazov podporujúcich myšlienku, že bunky sú rovnaké ako časové bunky. Potom je ten istý neurón, ktorý používa rovnaké elektrické impulzy, schopný kódovať priestor a čas. Vzťah medzi kódovaním času a priestoru v rovnakých akčných potenciáloch a ich význam v pamäti zostáva záhadou.

Na záver: môj osobný názor

Môj názor na to? Môžem to povedať tým, že si sundám šaty môjho vedca ľudská bytosť je zvyknutá myslieť na jednoduchú možnosť a my si myslíme, že mozog hovorí rovnakým jazykom ako my. Problém je, že mozog nám ponúka zjednodušenú verziu reality, ktorú sám spracúva. Spôsobom podobným tieňom Platónovej jaskyne. Takže, tak ako v prípade kvantových fyzických bariér toho, čo chápeme ako realitu, sú zlomené, v neurovedy zistíme, že v mozgu sa veci odlišujú od sveta, ktorý vedome vnímame a musíme mať veľmi otvorenú myseľ, že veci nemajú prečo ich vnímame ako skutočne.

Jediná vec, ktorú mám jasnú, je niečo, čo Antonio Damasio zvykne veľa opakovať vo svojich knihách: mozog je veľký generátor máp. Možno, že mozog interpretuje čas a priestor rovnakým spôsobom, ako mapovať naše spomienky. A ak to vyzerá chiméricky, myslím si, že Einsten vo svojej teórii relativity jednej z teórií, o ktorých predpokladal, že ten čas sa nedá pochopiť bez priestoru, a naopak. Nepochybne rozlúštenie týchto tajomstiev je výzvou, ešte viac, keď sú ťažké aspekty štúdia na zvieratách.

Na tieto otázky by sa však nemalo šetriť. Najprv zvedavosť. Ak budeme študovať expanziu vesmíru alebo nedávno zaznamenané gravitačné vlny, prečo by sme neštudovali, ako náš mozog interpretuje čas a priestor? A po druhé, mnohé z neurodegeneratívnych ochorení, ako je Alzheimerova choroba, majú ako prvé príznaky dezorientáciu časopriestoru. Poznajúc neurofyziologické mechanizmy tohto kódovania, mohli by sme objaviť nové aspekty, ktoré pomôžu lepšie pochopiť patologický priebeh týchto chorôb a kto vie, či objaviť nové farmakologické alebo nefarmakologické ciele..

Bibliografické odkazy:

• Eichenbaum H. 2014. Časové bunky v hipokampuse: nový rozmer pre mapovanie spomienok. Nature 15: 732-742
• Frank LM, Brown EN, Wilson M. 2000. Trajektoria kódovania v hipokampuse a entorhinal cortex. Neuron 27: 169-178.
• Fyhn M, Molden S, Witter MP, Moser EI, Moser M-B. 2004. Priestorové zobrazenie v entorhinal cortex. Science 305: 1258-1264
• Kentros C, Hargreaves E, Hawkins RD, Kandel ER, Shapiro M, Muller RV. 1998. Zrušenie dlhodobej stability nových hipokampálnych miestových bunkových máp blokádou NMDA receptorov. Science 280: 2121-2126.
• Monaco JD, Abbott LF. 2011. Modulárne prerozdelenie aktivity mriežkových buniek ako základ pre hipokampálne remapovanie. J. Neurosci 31: 9414-9425.
• O'Keefe J, Speakman A. 1987. Aktivita jednej jednotky v hipokampe myši počas úlohy priestorovej pamäte. Exp Brain Res 68: 1 -27.
• Scoville WB, Milner B (1957). Strata nedávnej pamäti po dvojstrannej hippokampalizácii. J Neurol Neurosurg Psychiatry 20: 11-21.