Den "sted celler", noe som vår hjerne GPS

April 3, 2024

Orientering og leting i nye eller ukjente rom er en av de kognitive fakultetene vi bruker oftest. Vi bruker den til å veilede oss i huset vårt, vårt nabolag, for å gå på jobb.

Vi er også avhengige av det når vi reiser til en ny og ukjent by for oss. Vi bruker det selv når vi kjører, og muligens vil leseren ha vært offer for en uforsiktighet i hans orientering eller i en følgesvenn som vil ha dømt ham til å gå seg vill, bli tvunget til å snu seg med bilen til han med riktig rute.

Det er ikke orienterings skyld, det er hippocampus skyld

Alt dette er situasjoner som ofte frustrerer oss, og som fører oss til å forbanne vår orientering eller de som har fornærmelser, rop og ulike oppførsel. vel, fordi i dag vil jeg gi et penselslag i de nevofysiologiske orienteringsmekanismene , i vår Hjernen GPS å forstå oss

Vi vil begynne med å være spesifikke: vi bør ikke forbanne retningen siden det bare er et produkt av vår nevrale aktivitet i bestemte regioner. Derfor begynner vi å forbanne vår hippocampus.

Hippocampus som hjernestruktur

Evolusjonært er hippocampus en gammel struktur, den er en del av arvkulturen, det vil si de strukturene som er fylogenetisk eldre i vår art. Anatomisk er det en del av det limbiske systemet, der også andre strukturer som amygdala er funnet. Limbic-systemet regnes som det morfologiske substratet av minne, følelser, læring og motivasjon.

Leseren muligens hvis han er vant til psykologi, vet at hippocampus er en nødvendig struktur for konsolidering av deklarative minner, det vil si med de minner med episodisk innhold om våre erfaringer eller annet semantisk (Nadel og O'Keefe, 1972) .

Bevis for dette er de omfattende studiene som eksisterer om det populære tilfellet av "pasienten HM", en pasient hvis temporale hemisfærer hadde blitt fjernet, produserer en ødeleggende anterograd amnesi, det vil si han kunne ikke huske nye fakta selv om han beholdt det meste av av dine minner fra før operasjonen. For de som ønsker å utdype i dette tilfellet, anbefaler jeg studiene av Scoville og Millner (1957) som studerte HM-pasienten uttømmende.

Plasscellene: hva er de?

Så langt sier vi ikke noe nytt, eller noe overraskende. Men det var i 1971 da en tilfeldighet som genererte begynnelsen på studien av navigasjonssystemer i hjernen ble oppdaget. O'keefe og John Dostrovski, ved hjelp av intrakraniale elektroder, kunne registrere aktiviteten til hippocampalspesifikke nevroner hos rotter . Dette ga muligheten til at dyret var våken, bevisst og bevegelig, mens du utførte forskjellige oppførselstester.

Det de ikke hadde forventet å oppdage var at det var nevroner som reagerte selektivt avhengig av området der rotten var. Det er ikke at det var spesifikke nevroner for hver posisjon (det er ikke noe neuron for badet ditt), men at de ble observert i CA1 (en bestemt region i hippocampus) -cellene som markerte referansepunkter som kunne tilpasses til forskjellige rom .

Disse cellene ble kalt plassere celler. Derfor er det ikke at det er et sted for hver spesiell plass som du ofte, men snarere er de referansepunkter som relaterer deg til miljøet ditt. Slik dannes egocentriske navigasjonssystemer. Plasser neuroner vil også danne allokeringsbaserte navigasjonssystemer som vil forholde seg til elementene i mellomrommet mellom dem.

Innat programmering vs opplevelse

Denne oppdagelsen forvirret mange nevroforskere som betraktet hippocampus som en deklarativ læringsstruktur og så nå hvordan det var i stand til å kode for romlig informasjon. Dette ga opphav til hypotesen om det "kognitive kartet" som ville postulere at en representasjon av vårt miljø ville bli generert i hippocampus.

Akkurat som hjernen er en utmerket kortgenerator for andre sensoriske modaliteter som koding av visuelle, auditive og somatosensoriske signaler; det er ikke urimelig å tenke på hippocampus som en struktur som genererer kart over miljøet vårt og som garanterer vår orientering i dem .

Forskningen har gått videre og har satt dette paradigmet til test i svært forskjellige situasjoner. Det har for eksempel blitt sett at celler av sted i labyrintoppgavene skyter når dyret gjør feil eller når det er i en posisjon der nevronen vanligvis vil skyte (O'keefe og Speakman, 1987).I oppgaver der dyret må bevege seg gjennom forskjellige rom, har det blitt sett at stedneuroner skyter avhengig av hvor dyret kommer fra og hvor det går (Frank et al., 2000).

Hvordan romlige kart blir dannet

En annen av hovedfokusene for forskningsinteresse i dette feltet har vært på hvordan disse romlige kartene dannes. På den ene siden kan vi tro at stedceller etablerer sin funksjon basert på erfaringen vi mottar når vi undersøker et miljø, eller kanskje vi tror at det er en underliggende del av hjernekretsene, det vil si medfødt. Spørsmålet er ennå ikke klart, og vi kan finne empiriske bevis som støtter begge hypotesene.

På den ene siden har eksperimenter fra Monaco og Abbott (2014), som registrerte aktiviteten til et stort antall celler, sett at når et dyr er plassert i et nytt miljø, passerer flere minutter til disse cellene begynner å skyte med normal. dermed stedskart vil bli uttrykt, på en eller annen måte, fra det øyeblikket et dyr går inn i et nytt miljø , men opplevelsen ville endre disse kartene i fremtiden.

Derfor kan vi tenke at hjernens plasticitet spiller en rolle i dannelsen av romlige kart. Så hvis plastikk virkelig spilte en rolle, ville vi forvente at knockout-mus til NMDA-reseptoren av nevrotransmitterglutamatet - det vil si mus som ikke uttrykker denne reseptoren - ikke ville generere romlige kart fordi denne reseptoren spiller en grunnleggende rolle i hjernens plastisitet og lærer.

Plasticity spiller en viktig rolle i vedlikehold av romlige kart

Dette er imidlertid ikke tilfellet, og det har blitt sett at knockout-mus til NMDA-reseptoren eller musene som har blitt behandlet farmakologisk for å blokkere denne reseptoren, uttrykker lignende mønstre av responsen til cellene i nye eller velkjente miljøer. Dette antyder at uttrykket for romlige kart er uavhengig av hjernens plastisitet (Kentrol et al., 1998). Disse resultatene vil støtte hypotesen om at navigasjonssystemer er uavhengige av læring.

Til tross for alt, ved hjelp av logikk, må mekanismene for cerebral plastisitet være tydelig nødvendig for stabiliteten i minnet på nylig dannede kart. Og hvis det ikke var så, hva ville være bruk av opplevelsen som en danner ved å gå gatene i byen sin? Ville vi ikke alltid ha følelsen av at det er første gang vi kom inn i huset vårt? Jeg tror at, som ved så mange andre anledninger, er hypotesene mer komplementære enn de virker, og på en eller annen måte, til tross for en innfødt funksjon av disse funksjonene, plastisitet har en rolle å spille for å opprettholde disse romlige kartene i minnet .

Nettverk, adresse og kantceller

Det er ganske abstrakt å snakke om stedceller og muligens mer enn en leser har blitt overrasket over at det samme hjernen området som genererer minner, tjener oss, så å si, GPS. Men vi er ikke ferdige, og det beste er ennå ikke kommet. La oss krølle krøllen virkelig. I utgangspunktet ble det antatt at romnavigasjonen ville avhenge utelukkende på hippocampus når det ble sett at tilstøtende strukturer som entorhinal cortex viste svært svak aktivering som en funksjon av rom (Frank et al., 2000).

I disse studiene ble aktiviteten i ventrale områder av entorhinal cortex registrert, og i senere studier ble dorsale områder registrert, som har et større antall forbindelser til hippocampusen (Fyhn et al., 2004). Så da Det ble observert at mange celler i denne regionen sparket avhengig av stillingen, lik hippocampus . Hittil er de forventet å finne resultater, men da de bestemte seg for å øke området de ville registrere i entorhinal cortex, hadde de en overraskelse: blant de nevrongruppene som ble aktivert avhengig av rommet okkupert av dyret, var det tydeligvis stille soner - det var de ikke activadas-. Når regioner som viste aktivering, var nesten sammenføyde, ble det observert mønstre i form av sekskanter eller trekanter. De kalte disse nevronene i entorhinal cortex "røde celler".

Når det ble oppdaget røde celler, var det mulig å løse spørsmålet om hvordan celler dannes. Å ha cellene plassere mange tilkoblinger av nettverkscellene, er ikke urimelig å tro at de er dannet av dem. Men igjen, ting er ikke så enkle og eksperimentelle bevis har ikke bekreftet denne hypotesen. De geometriske mønstrene som danner nettverkscellene har ikke vært i stand til å tolkes ennå.

Navigasjonssystemer er ikke redusert til hippocampus

Kompleksiteten slutter ikke her. Enda mindre når det er blitt sett at navigasjonssystemer ikke blir redusert til hippocampus. Dette har gjort det mulig å utvide forskningsgrensene til andre hjerneområder, og dermed oppdage andre celletyper knyttet til cellene i stedet: Styringsceller og kantceller .

Styringsceller vil kode retningen der motivet beveger seg og vil være plassert i hjernestammenes dorsale tegmentale kjerne. På den annen side er kantceller celler som øker deres avfyringshastighet når subjektet nærmer seg grenser for en gitt plass og kan finnes i den subikulum-spesifikke regionen i hippocampus. Vi skal tilby et forenklet eksempel der vi vil forsøke å oppsummere funksjonen til hver type celle:

Tenk deg at du er i spisesalen i huset ditt og at du vil gå på kjøkkenet. Siden du er i spisesalen i huset ditt, vil du ha en romcelle som vil brenne mens du bor i spisesalen, men siden du vil gå til kjøkkenet, vil du også ha en annen aktivert romcelle som representerer kjøkkenet. Aktivering vil være klar fordi huset ditt er en plass du kjenner perfekt, og aktiveringen kan oppdages både i celler på plass og i cellens nettverk.

Nå begynner å gå mot kjøkkenet. Det vil være en gruppe med spesifikke adresseceller som nå skal skyte og vil ikke forandre så lenge du opprettholder en bestemt retning. Nå, tenk at du må gå til kjøkkenet for å gå til kjøkkenet og krysse en smal korridor. I det øyeblikket du slår, vil adressens celler kjenne det, og et annet sett med adresseceller registrerer den retningen det nå har tatt for å aktivere, og de forrige blir deaktivert.

Tenk deg også at korridoren er smal og enhver falsk bevegelse kan føre til at du treffer veggen, slik at kantcellene dine øker skytehastigheten. Jo nærmere du kommer til korridorveggen, desto høyere avfyringsforhold vil vise kantsceller. Tenk på kanten celler som sensorene som noen nye biler har, og som gir et hørbart signal når manøvrerer å parkere. Kanten celler De fungerer på samme måte som disse sensorene, jo nærmere de er å kollidere jo mer støy de gjør . Når du kommer til kjøkkenet, vil stedcellene ha fortalt deg at det er kommet tilfredsstillende, og da det er et bredere miljø, vil kantcellene dine slappe av.

La oss bare komplisere alt

Det er nysgjerrig å tro at hjernen vår har måter å kjenne vår posisjon på. Men det er fortsatt et spørsmål: Hvordan forene vi detklarative minne med romnavigasjon i hippocampus?, Det vil si hvordan påvirker våre minner disse kortene? Eller kan det være at våre minner ble dannet fra disse kartene? For å prøve å svare på dette spørsmålet må vi tenke litt videre. Andre studier har påpekt at de samme cellene som kodes plass, som vi allerede har snakket om, også kode tiden . Således har det vært snakk om tidsceller (Eichenbaum, 2014) som ville kode tidenes oppfatning.

Den overraskende tingen om saken er det flere og flere bevis som støtter ideen om at stedceller er de samme som tidceller . Da er det samme neuron som bruker de samme elektriske impulser, i stand til å kode plass og tid. Forholdet mellom kodingen av tid og rom i de samme handlingspotensialene og deres betydning i minnet forblir et mysterium.

Som konklusjon: Min personlige mening

Min mening om det? Å ta av vitenskapsmannens kappe, kan jeg si det mennesket er vant til å tenke på det enkle alternativet og vi liker å tro at hjernen snakker det samme språket som vi . Problemet er at hjernen gir oss en forenklet versjon av virkeligheten som han selv prosesser. På en måte som ligner på Platons hule skygger. Så, akkurat som i kvantfysikkbarrierer av det vi forstår som virkeligheten er ødelagt, oppdager vi i nevrovitenskap at ting i hjernen er forskjellige fra verden som vi bevisst oppfatter, og vi må ha et veldig åpent sinn at ting ikke har hvorfor være som vi virkelig oppfatter dem.

Det eneste jeg har klart er noe som Antonio Damasio er vant til å gjenta mye i sine bøker: Hjernen er en flott kartgenerator . Kanskje hjernen tolker tid og rom på samme måte som å kartlegge våre minner. Og hvis det virker chimerisk for deg, tror Einsten i relativitetsteorien hans en av de teoriene han postulerte, at tiden ikke kunne forstås uten rom og omvendt. Utvilsomt unraveling disse mysteriene er en utfordring, enda mer når de er vanskelige aspekter å studere hos dyr.

Men ingen innsats bør spares på disse problemene. Først av nysgjerrighet. Hvis vi studerer utvidelsen av universet eller de nylig innspillte gravitasjonsbølgene, hvorfor skulle vi ikke studere hvordan hjernen vår tolker tid og rom? Og for det andre har mange av de neurodegenerative patologiene som Alzheimers sykdom romtid-desorientering som første symptomer.Å kjenne de nevrofysiologiske mekanismene til denne kodingen, kunne oppdage nye aspekter som vil bidra til å bedre forstå det patologiske løpet av disse sykdommene og, hvem vet, oppdage nye farmakologiske eller ikke-farmakologiske mål.

Bibliografiske referanser:

Eichenbaum H. 2014. Tidceller i hippocampus: En ny dimensjon for kartlegging av minner. Natur 15: 732-742
Frank LM, Brown EN, Wilson M. 2000. Bane kodende i hippocampus og entorhinal cortex. Neuron 27: 169-178.
Fyhn M, Molden S, Witter MP, Moser EI, Moser M-B. 2004. Romlig representasjon i entorhinal cortex. Vitenskap 305: 1258-1264
Kentros C, Hargreaves E, Hawkins RD, Kandel ER, Shapiro M, Muller RV. 1998. Avskaffelse av langsiktig stabilitet av nye hippocampale stedcellekart med NMDA-reseptorblokkade. Science 280: 2121-2126.
Monaco JD, Abbott LF. 2011. Modulær justering av gridcelleaktivitet som grunnlag for hippocampal remapping. J Neurosci 31: 9414-9425.
O'Keefe J, Speakman A. 1987. Enhetsaktivitet i musens hippocampus under en romlig minneoppgave. Exp Brain Res 68: 1-27.
Scoville WB, Milner B (1957). Tap av nylig minne etter bilateral hippocampallesion. J Neurol Neurosurg Psykiatri 20: 11-21.