'Tempat sel', sesuatu seperti GPS otak kita

April 3, 2024

Orientasi dan penerokaan di ruang baru atau tidak diketahui adalah salah satu fakultatif kognitif yang paling sering kita gunakan. Kami menggunakannya untuk membimbing kami di rumah kami, kejiranan kami, untuk pergi bekerja.

Kami juga bergantung pada ketika kami pergi ke sebuah kota yang baru dan tidak diketahui bagi kami. Kami menggunakannya walaupun ketika kami memandu dan, mungkin, pembaca akan menjadi mangsa kecerobohan dalam orientasinya atau dengan teman, yang akan mengutuknya hilang, terpaksa berpaling dengan kereta sehingga dia dengan laluan yang sesuai.

Ia bukan kesalahan orientasi, itu adalah kesalahan hippocampus

Semua ini adalah situasi yang sering menggagalkan kita dan yang membawa kita untuk mengutuk orientasi kita atau orang lain dengan penghinaan, jeritan dan pelbagai tingkah laku. Nah, kerana hari ini saya akan memberikan berus gigi dalam mekanisme neurofisiologi orientasi , dalam kami GPS otak untuk memahami kita

Kita akan bermula dengan spesifik: kita tidak boleh mengutuk orientasi kerana ia hanya merupakan hasil aktiviti saraf kita di kawasan tertentu. Oleh itu, kita akan bermula dengan mengutuk hippocampus kita.

The hippocampus sebagai struktur otak

Secara evolutif, hippocampus adalah struktur purba, ia adalah sebahagian daripada arquiculture, iaitu struktur-struktur yang lebih tua secara filogenetik dalam spesies kita. Secara anatomi, ia adalah sebahagian daripada sistem limbik, di mana struktur lain seperti amygdala juga dijumpai. Sistem Limbic dianggap sebagai substrat morfologi ingatan, emosi, pembelajaran dan motivasi.

Pembaca mungkin jika dia terbiasa dengan psikologi akan tahu bahawa hippocampus adalah struktur yang diperlukan untuk menyatukan kenangan deklaratif, iaitu, dengan kenangan-kenangan itu dengan kandungan episodik mengenai pengalaman atau semantik (Nadel and O'Keefe, 1972) .

Bukti ini adalah kajian yang banyak yang wujud mengenai kes popular "pesakit HM", seorang pesakit yang hemisfera temporal telah dikeluarkan, menghasilkan amnesia anterograde yang dahsyat, iaitu, dia tidak dapat menghafal fakta-fakta baru walaupun dia mengekalkan sebahagian besar ingatan anda dari sebelum operasi. Bagi mereka yang ingin mendalami dalam kes ini saya cadangkan kajian Scoville dan Millner (1957) yang mempelajari pesakit HM secara mendalam.

The Place Cells: apa itu?

Setakat ini kita tidak mengatakan apa-apa yang baru, atau sesuatu yang mengejutkan. Tetapi pada tahun 1971 apabila secara kebetulan suatu fakta yang menjana permulaan kajian sistem navigasi di dalam otak telah ditemui. O'keefe dan John Dostrovski, menggunakan elektrod intrakranial, boleh merakam aktiviti neuron khusus hippocampal pada tikus . Ini menawarkan kemungkinan bahawa semasa menjalankan ujian tingkah laku yang berbeza, haiwan itu terjaga, sedar dan bergerak dengan bebas.

Apa yang mereka tidak jangkakan untuk ditemui ialah terdapat neuron yang bertindak selektif bergantung kepada kawasan di mana tikus itu. Ia bukannya terdapat neuron tertentu untuk setiap kedudukan (tidak ada neuron untuk bilik mandi anda, contohnya), tetapi mereka diperhatikan di CA1 (rantau tertentu sel hippocampus) yang menandakan titik rujukan yang boleh disesuaikan dengan ruang yang berbeza .

Sel-sel ini dipanggil tempat sel. Oleh itu, tidak ada neuron tempat untuk setiap ruang tertentu yang anda kerap, tetapi sebaliknya mereka adalah rujukan yang menghubungkan anda dengan persekitaran anda; Ini adalah bagaimana sistem navigasi egosentrik terbentuk. Tempat neuron juga akan membentuk sistem navigasi allocentric yang akan menghubungkan unsur-unsur ruang antara mereka.

Pengaturcaraan berasaskan vs pengalaman

Penemuan ini membingungkan ramai ahli ilmu saraf yang menganggap hippocampus sebagai struktur pembelajaran deklaratif dan kini melihat bagaimana ia mampu mengodkan maklumat spasial. Ini menimbulkan hipotesis "peta kognitif" yang akan menggambarkan bahawa perwakilan persekitaran kita akan dijana dalam hippocampus.

Sama seperti otak adalah penjana peta yang sangat baik untuk modaliti sensori lain seperti pengekodan isyarat visual, pendengaran dan somatosensori; adalah tidak munasabah untuk memikirkan hippocampus sebagai struktur yang menjana peta persekitaran kita dan yang menjamin orientasi kita di dalamnya .

Penyelidikan telah berlanjutan dan telah meletakkan paradigma ini dalam ujian dalam situasi yang sangat berbeza. Contohnya, contohnya, sel-sel tempat dalam tugas-tugas maze menembak apabila haiwan itu melakukan kesilapan atau ketika berada dalam kedudukan di mana neuron biasanya akan menembak (O'keefe dan Speakman, 1987).Dalam tugas-tugas di mana haiwan itu mesti bergerak melalui ruang-ruang yang berlainan, telah dilihat bahawa tempat-tempat neuron menembak bergantung kepada tempat haiwan berasal dan di mana ia pergi (Frank et al., 2000).

Bagaimana peta spatial dibentuk

Satu lagi fokus utama minat penyelidikan dalam bidang ini ialah bagaimana peta spatial ini terbentuk. Di satu pihak kita boleh berfikir bahawa sel-sel tempat menubuhkan fungsi mereka berdasarkan pengalaman yang kita terima apabila kita meneroka alam sekitar, atau, kita mungkin berfikir bahawa ia adalah komponen asas dari litar otak kita, iaitu, semula jadi. Persoalannya belum jelas dan kita dapat mencari bukti empirikal yang menyokong kedua-dua hipotesis.

Dalam satu tangan, eksperimen Monaco dan Abbott (2014), yang mencatat aktiviti sebilangan besar sel-sel, telah melihat bahawa apabila haiwan diletakkan dalam persekitaran baru beberapa minit berlalu sehingga sel-sel ini mula menembak dengan Keadaan normal Jadi, peta tempat akan dinyatakan, dalam beberapa cara, dari saat haiwan masuk ke persekitaran baru , tetapi pengalaman itu akan mengubah peta ini pada masa akan datang.

Oleh itu, kita mungkin berfikir bahawa kepekaan otak memainkan peranan dalam pembentukan peta spatial. Kemudian, jika kepekaan benar-benar memainkan peranan, kita akan menjangkakan bahawa tikus kalah mati kepada reseptor NMDA glutamat neurotransmitter - iaitu tikus yang tidak menyatakan reseptor ini - tidak akan menjana peta spatial kerana reseptor ini memainkan peranan penting dalam kepekaan otak dan pembelajaran

Kepekaan memainkan peranan penting dalam penyelenggaraan peta spatial

Walau bagaimanapun, ini tidak berlaku, dan telah dilihat bahawa tikus kalah mati kepada reseptor NMDA atau tikus yang telah dirawat secara farmakologi untuk menghalang reseptor ini, menyatakan pola tindak balas yang sama sel dalam persekitaran yang baru atau biasa. Ini menunjukkan bahawa ungkapan peta spatial bebas daripada kepekaan otak (Kentrol et al., 1998). Hasil ini akan menyokong hipotesis bahawa sistem navigasi adalah bebas daripada pembelajaran.

Walaupun segala-galanya, menggunakan logik, mekanisme keplastikan serebrum mestilah jelas diperlukan untuk kestabilan dalam memori peta yang baru dibentuk. Dan, jika tidak demikian, apakah yang akan menggunakan pengalaman yang dibentuk oleh jalan-jalan di kotanya? Bukankah kita selalu mempunyai perasaan bahawa ia adalah kali pertama kita memasuki rumah kita? Saya percaya bahawa, seperti pada banyak kesempatan lain, hipotesis lebih pelengkap daripada yang mereka nampak dan, dalam beberapa cara, walaupun fungsi bawaan fungsi ini, keplastikan mempunyai peranan untuk mengekalkan peta ruang dalam ingatan .

Rangkaian, alamat dan sel kelebihan

Ia agak abstrak untuk bercakap tentang sel-sel tempat dan mungkin lebih daripada satu pembaca terkejut bahawa kawasan otak yang sama yang menghasilkan kenangan melayani kami, jadi untuk bercakap, GPS. Tetapi kita belum selesai dan yang terbaik belum datang. Sekarang mari curl curl itu benar-benar. Pada mulanya, difikirkan bahawa navigasi ruang akan bergantung semata-mata pada hippocampus apabila dilihat bahawa struktur bersebelahan seperti korteks entorhinal menunjukkan pengaktifan yang sangat lemah sebagai fungsi ruang (Frank et al., 2000).

Walau bagaimanapun, dalam kajian ini aktiviti di kawasan ventral korteks entorhinal telah direkodkan dan dalam kajian kemudian, kawasan punggung dicatatkan, yang mempunyai bilangan sambungan yang lebih besar kepada hippocampus (Fyhn et al., 2004). Jadi, kemudian diperhatikan bahawa banyak sel rantau ini dipecat bergantung pada kedudukannya, sama dengan hippocampus . Setakat ini mereka dijangka mencari keputusan tetapi apabila mereka memutuskan untuk menambah kawasan mereka akan mendaftar di korteks entorhinal mereka terkejut: di kalangan kumpulan neuron yang diaktifkan bergantung pada ruang yang ditempati oleh haiwan yang terdapat zon senyap - iaitu, mereka tidak diaktifkan-. Apabila kawasan yang menunjukkan pengaktifan hampir digabungkan, corak diperhatikan dalam bentuk heksagon atau segitiga. Mereka memanggil neuron ini daripada korteks entrophinal "sel merah".

Apabila sel-sel merah ditemui, adalah mungkin untuk menyelesaikan persoalan bagaimana sel-sel terbentuk. Setelah sel-sel menempatkan banyak sambungan sel-sel rangkaian, ia tidak munasabah untuk berfikir bahawa ia terbentuk daripada mereka. Walau bagaimanapun, sekali lagi, perkara-perkara tidak begitu mudah dan bukti eksperimen tidak mengesahkan hipotesis ini. Corak geometri yang membentuk sel rangkaian belum dapat ditafsirkan lagi.

Sistem navigasi tidak dikurangkan ke hippocampus

Kerumitan tidak berakhir di sini. Lebih kurang apabila dilihat bahawa sistem navigasi tidak dikurangkan kepada hippocampus. Ini telah memungkinkan untuk mengembangkan had penyelidikan ke kawasan otak yang lain, dengan itu menemui jenis sel lain yang berkaitan dengan sel-sel tempat: Sel-sel pemacu dan sel-sel tepi .

Sel pemandu akan mengarahkan arah di mana subjek bergerak dan akan berada di nukleus tegmental batang batang. Sebaliknya, sel kelebihan adalah sel-sel yang menaikkan kadar penembakannya kerana subjek mendekati batas ruang tertentu dan boleh didapati di kawasan spesifik subakulum hippocampus. Kami akan menawarkan satu contoh ringkas di mana kita akan cuba meringkaskan fungsi setiap jenis sel:

Bayangkan anda berada di ruang makan rumah anda dan anda mahu pergi ke dapur. Oleh kerana anda berada di ruang makan rumah anda, anda akan mempunyai sel ruangan yang akan menyala semasa anda berada di ruang makan, tetapi kerana anda mahu pergi ke dapur anda juga akan mempunyai satu lagi bilik bilik yang diaktifkan dapur. Pengaktifan akan menjadi jelas kerana rumah anda adalah ruang yang anda tahu dengan sempurna dan pengaktifan itu dapat dikesan dalam sel-sel tempat dan dalam rangkaian sel.

Sekarang, mulakan berjalan ke dapur. Akan ada sekelompok sel alamat khusus yang sekarang akan ditembak dan tidak akan berubah selagi anda mengekalkan hala tuju tertentu. Sekarang, bayangkan bahawa untuk pergi ke dapur, anda mesti berpaling ke kanan dan menyeberangi koridor sempit. Sebaik sahaja anda menghidupkan, sel alamat anda akan mengetahui dan set sel alamat lain akan mendaftarkan arahan yang kini diambil untuk mengaktifkan, dan yang sebelumnya akan dinyahaktifkan.

Bayangkan juga bahawa koridor itu sempit dan pergerakan palsu boleh menyebabkan anda memukul dinding, jadi sel kelebihan anda akan meningkatkan kadar penembakan anda. Semakin dekat anda sampai ke dinding koridor, semakin tinggi nisbah penembakan akan menunjukkan sel kelebihan anda. Fikirkan sel-sel tepi sebagai sensor yang ada beberapa kereta baru dan yang membuat isyarat yang boleh didengar apabila anda bergerak ke taman. Sel kelebihan Mereka bekerja dengan cara yang sama dengan sensor ini, semakin dekat mereka bertabrakan lebih banyak bunyi yang mereka buat . Apabila anda tiba di dapur, sel-sel tempat anda akan memberitahu anda bahawa ia telah tiba dengan memuaskan dan kerana ia adalah persekitaran yang lebih luas, sel-sel kelebihan anda akan berehat.

Mari kita selesaikan semuanya

Ia ingin tahu bahawa otak kita mempunyai cara untuk mengetahui kedudukan kita. Tetapi masih terdapat satu soalan: Bagaimana cara kita mendamaikan memori deklaratif dengan navigasi ruang dalam hippocampus?, Iaitu, kenapa kenangan kita mempengaruhi peta ini? Atau bolehkah kenangan kita dibentuk dari peta ini? Untuk cuba menjawab soalan ini, kita mesti berfikir sedikit lagi. Kajian-kajian lain telah menunjukkan bahawa sel-sel yang sama dengan ruang kod, yang mana kita sudah bercakap, juga kod waktu . Oleh itu, terdapat ceramah tentang sel masa (Eichenbaum, 2014) yang akan memberi kod persepsi masa.

Perkara yang mengejutkan mengenai kes itu ialah lebih banyak lagi bukti yang menyokong idea bahawa sel tempat adalah sama dengan sel masa . Kemudian, neuron yang sama menggunakan impuls elektrik yang sama dapat mengod ruang dan waktu. Hubungan antara pengekodan masa dan ruang dalam potensi tindakan yang sama dan kepentingan mereka dalam ingatan kekal misteri.

Sebagai kesimpulan: pendapat peribadi saya

Pendapat saya tentangnya? Mengambil jubah saintis saya, saya boleh mengatakannya manusia biasa berfikir tentang pilihan mudah dan kami ingin berfikir bahawa otak berbicara bahasa yang sama dengan kami . Masalahnya ialah bahawa otak menawarkan kita versi yang mudah dari realiti bahawa dia sendiri memproses. Dalam cara yang sama dengan bayang-bayang gua Plato. Oleh itu, sama seperti halangan fizik kuantum terhadap apa yang kita fahami sebagai realiti dipecahkan, dalam neurosains kita mendapati bahawa di dalam perkara-perkara otak adalah berbeza dari dunia yang kita sedar dan kita mesti mempunyai fikiran yang sangat terbuka bahawa perkara-perkara tidak mempunyai kenapa seperti yang kita benar-benar merasakan mereka.

Satu-satunya perkara yang saya jelas ialah sesuatu yang digunakan oleh Antonio Damasio untuk mengulangi banyak buku-bukunya: otak adalah penjana peta yang hebat . Mungkin otak menafsirkan masa dan ruang dengan cara yang sama untuk memetakan kenangan kita. Dan jika nampaknya chimerical kepada anda berfikir bahawa Einsten dalam teorinya relativiti salah satu teori yang dia diumumkan adalah masa itu tidak dapat dipahami tanpa ruang, dan sebaliknya. Tidak dinafikan untuk mengungkap misteri-misteri ini adalah satu cabaran, lebih-lebih lagi apabila mereka adalah aspek-aspek yang sukar untuk dikaji dalam haiwan.

Walau bagaimanapun, tidak ada usaha yang harus dikecualikan daripada isu-isu ini. Pertama rasa ingin tahu. Jika kita mengkaji perkembangan alam semesta atau gelombang graviti yang baru dirakamkan, mengapa kita tidak mengkaji bagaimana otak kita menafsirkan masa dan ruang? Dan, kedua, banyak patologi neurodegeneratif seperti penyakit Alzheimer mempunyai disorientasi ruang-waktu sebagai gejala pertama.Mengetahui mekanisme neurofisiologi pengekodan ini, kita dapat menemui aspek-aspek baru yang akan membantu untuk memahami dengan lebih baik patologi penyakit-penyakit ini dan, yang mengetahui, menemui sasaran farmakologi atau bukan farmakologi yang baru.

Rujukan bibliografi:

Eichenbaum H. 2014. Sel masa dalam hippocampus: dimensi baru untuk memetakan kenangan. Alam 15: 732-742
Frank LM, Brown EN, Wilson M. 2000. Pengekodan trajektori dalam korteks hippocampus dan entorhinal. Neuron 27: 169-178.
Fyhn M, Molden S, MP Witter, Moser EI, Moser M-B. 2004. Perwakilan spatial dalam korteks entorhinal. Sains 305: 1258-1264
Kentros C, Hargreaves E, Hawkins RD, Kandel ER, Shapiro M, Muller RV. 1998. Penghapusan kestabilan jangka panjang peta hippocampal peta baru oleh blokade reseptor NMDA. Sains 280: 2121-2126.
Monaco JD, Abbott LF. Penyusunan semula modular aktiviti sel grid sebagai asas untuk remapping hippocampal. J Neurosci 31: 9414-9425.
O'Keefe J, Speakman A. 1987. Aktiviti unit tunggal dalam hippocampus tetikus semasa tugas ingatan spatial. Exp Brain Res 68: 1-27.
Scoville WB, Milner B (1957). Kehilangan memori baru selepas hippocampallesion dua hala. J Neurol Neurosurg Psikiatri 20: 11-21.