"Platsen celler", något som vår hjärna GPS

April 25, 2024

Orientering och prospektering i nya eller okända utrymmen är en av de kognitiva fakulteter som vi brukar oftast använda. Vi använder den för att vägleda oss i vårt hus, vårt grannskap, för att gå till jobbet.

Vi är också beroende av det när vi reser till en ny och okänd stad för oss. Vi använder det även när vi kör och kanske läsaren har blivit utsatt för en slarvighet i hans orientering eller i en följeslagare som har fördömt honom att gå vilse, bli tvungen att vända sig om med bilen tills han med lämplig väg.

Det är inte orienteringens fel, det är hippocampus fel

Alla dessa är situationer som ofta frustrerar oss och det leder oss att förbanna vår orientering eller andra med förolämpningar, rop och olika beteenden. brunn, för idag kommer jag att ge en penselsträcka i de neurofysiologiska orienteringsmekanismerna , i vår Hjärnan GPS att förstå oss

Vi börjar med att vara specifika: vi bör inte förbanna orienteringen eftersom det bara är en produkt av vår neurala aktivitet i specifika regioner. Därför börjar vi med att förbanna vår hippocampus.

Hippocampus som hjärnstruktur

Evolutionärt är hippocampus en gammal struktur, det är en del av trädgården, det vill säga de strukturer som är fylogenetiskt äldre i vår art. Anatomiskt är det en del av det limbiska systemet, där även andra strukturer som amygdala finns. Limbicsystemet anses vara det morfologiska substratet av minne, känslor, lärande och motivation.

Läsaren kanske, om han är van vid psykologi, vet att hippocampus är en nödvändig struktur för konsolidering av deklarativa minnen, det vill säga med de minnen med episodiskt innehåll om våra erfarenheter eller annat semantiska (Nadel och O'Keefe, 1972) .

Bevis för detta är de omfattande studier som finns om det populära fallet av "patient HM", en patient vars temporala hemisfärer hade tagits bort och producerar en förödande anterograd amnesi, det vill säga han kunde inte memorera nya fakta även om han behöll det mesta av av dina minnen från före operationen. För de som vill fördjupa i detta fall rekommenderar jag studierna av Scoville och Millner (1957) som studerade HM-patienten uttömmande.

Platscellerna: vad är de?

Hittills säger vi inte något nytt eller något överraskande. Men det var 1971 när en chans att generera början av studien av navigationssystem i hjärnan upptäcktes. O'keefe och John Dostrovski, med användning av intrakraniella elektroder, kunde registrera aktiviteten hos hippocampalspecifika neuroner hos råttor . Detta gav möjlighet att medan djuret utförde olika beteendestest var djuret vaken, medvetet och rörligt fritt.

Vad de inte förväntade sig att upptäcka var att det fanns neuroner som reagerade selektivt beroende på det område där råttan var. Det är inte så att det fanns specifika neuroner i varje position (det finns ingen neuron för ditt badrum), men att de observerades i CA1 (en specifik region i hippocampus) celler som markerade referenspunkter som kunde anpassas till olika utrymmen .

Dessa celler kallades placera celler. Därför är det inte så att det finns en neuron av plats för varje specifikt utrymme som du ofta, men snarare är de referenspunkter som relaterar dig till din miljö. Så här bildas egocentriska navigationssystem. Placera neuroner kommer också att bilda allokeringsnavigationssystem som kommer att relatera delar av utrymmet mellan dem.

Innate programmering vs erfarenhet

Denna upptäckt förvirrade många neuroscientists som ansåg hippocampus som en deklarativ inlärningsstruktur och nu såg hur det kunde koda för rumslig information. Detta gav upphov till hypotesen om den "kognitiva kartan" som skulle postulera att en representation av vår miljö skulle genereras i hippocampus.

Precis som hjärnan är en utmärkt generator för kartor för andra sensoriska modaliteter, såsom kodning av visuella, auditiva och somatosensoriska signaler. det är inte orimligt att tänka på hippocampus som en struktur som genererar kartor över vår miljö och som garanterar vår orientering i dem .

Forskningen har gått vidare och har satt detta paradigm till testet i mycket olika situationer. Man har exempelvis sett att cellerna i platsen i labyrintens uppgifter skjuter när djuret gör misstag eller när det är i en position där neuronen normalt skulle skjuta (O'keefe och Speakman, 1987).I uppgifter där djuret måste röra sig genom olika utrymmen har man sett att platsneuroner skjuter beroende på var djuret kommer ifrån och var det går (Frank et al., 2000).

Hur rumsliga kartor bildas

En annan av huvudfokuserna på forskningsintresse på detta område har varit på hur dessa rumsliga kartor bildas. Å ena sidan kan vi tro att platsceller etablerar sin funktion utifrån den erfarenhet vi får när vi utforskar en miljö, eller vi kanske tror att det är en underliggande del av våra hjärnkretsar, det vill säga medfödd. Frågan är ännu inte klar och vi kan hitta empiriska bevis som stöder båda hypoteserna.

Å ena sidan har experimenten från Monaco och Abbott (2014), som registrerade aktiviteten hos ett stort antal celler, sett att när ett djur placeras i en ny miljö, går flera minuter tills dessa celler börjar skjuta med normala. sålunda, placera kartor skulle uttryckas, på något sätt, från det ögonblick ett djur går in i en ny miljö , men erfarenheten skulle ändra dessa kartor i framtiden.

Därför kan vi tro att hjärn plasticitet spelar en roll vid bildandet av rumsliga kartor. Om plastik verkligen spelade en roll, skulle vi förvänta oss att knockout-möss till NMDA-receptorn hos neurotransmitterglutamatet - det vill säga möss som inte uttrycker denna receptor - inte skulle generera rumsliga kartor eftersom denna receptor spelar en grundläggande roll i hjärn plasticitet och lärande.

Plastitet spelar en viktig roll vid underhållet av rumsliga kartor

Detta är emellertid inte fallet och det har noterats att knockout-möss till NMDA-receptorn eller möss som har behandlats farmakologiskt för att blockera denna receptor, uttrycka liknande mönster av respons hos cellerna i nya eller kända miljöer. Detta föreslår att uttrycket av rumsliga kartor är oberoende av hjärn plasticitet (Kentrol et al., 1998). Dessa resultat skulle stödja hypotesen att navigationssystem är oberoende av lärande.

Trots allt, med hjälp av logik, måste mekanismerna för cerebral plastisitet vara tydligt nödvändiga för stabiliteten i minnet av nyligen bildade kartor. Och om det inte var så, vad skulle det vara för användandet av den erfarenhet som man skapar genom att gå på gatorna i staden? Skulle vi inte alltid känna att det är första gången vi kom in i vårt hus? Jag tror att hypoteserna, som vid så många andra tillfällen, är mer komplementära än de verkar, och på något sätt, trots att dessa funktioner är inbördes fungerande, plasticitet har en roll att spela för att behålla dessa rumsliga kartor i minnet .

Nätverk, adress och kantceller

Det är ganska abstrakt att prata om platsceller och möjligen mer än en läsare har blivit förvånad över att samma hjärnområde som genererar minnen tjänar oss, så att säga, GPS. Men vi är inte färdiga och det bästa är ännu inte att komma. Låt oss nu krulla krullen. Inledningsvis ansågs rymdnavigering uteslutande vara beroende av hippocampus när det sågs att intilliggande strukturer som entorhinal cortex uppvisade mycket svag aktivering som en funktion av rymden (Frank et al., 2000).

I dessa studier registrerades aktiviteten i ventralområdena i entorhinal cortex och i senare studier registrerades dorsala områden, som har ett större antal anslutningar till hippocampusen (Fyhn et al., 2004). Så då det observerades att många celler i denna region avskedade beroende på positionen, liknande hippocampusen . Hittills förväntas de hitta resultat men när de bestämde sig för att öka det område de skulle registrera i entorhinal cortex, hade de en överraskning: bland de grupper av neuroner som aktiverades beroende på djurets utrymme fanns tydligen tysta zoner - det var de inte activadas-. När regioner som visade aktivering var nästan förenade observerades mönster i form av hexagoner eller trianglar. De kallade dessa neuroner i entorhinal cortex "röda celler".

När röda celler upptäcktes var det möjligt att lösa frågan hur celler bildas. Om cellerna har flera anslutningar till nätverkscellerna är det inte orimligt att tro att de bildas av dem. Men återigen är saker inte så enkla och experimentella bevis har inte bekräftat denna hypotes. De geometriska mönster som bildar nätverkscellerna har inte kunnat tolkas än.

Navigationssystem reduceras inte till hippocampus

Komplexiteten slutar inte här. Ännu mindre när det har konstaterats att navigationssystemen inte reduceras till hippocampus. Detta har gjort det möjligt att expandera forskningsgränserna till andra hjärnområden och därmed upptäcka andra celltyper relaterade till cellerna i stället: Styrceller och kantceller .

Styrceller skulle koda den riktning som motivet rör sig i och skulle ligga i hjärnstammens dorsala tegmentala kärna. Å andra sidan är kantceller celler som ökar deras avfyringshastighet när subjektet närmar sig gränserna för ett givet utrymme och kan hittas i den subikulumspecifika regionen hos hippocampus. Vi kommer att erbjuda ett förenklat exempel där vi kommer att försöka sammanfatta funktionen för varje typ av cell:

Föreställ dig att du är i matsalen i ditt hus och att du vill gå till köket. Eftersom du är i matsalen i ditt hus kommer du att ha en rumcell som kommer att elda medan du bor i matsalen, men eftersom du vill gå till köket kommer du också att ha en annan aktiverad rumcell som representerar köket. Aktiveringen kommer att vara tydlig eftersom ditt hus är ett utrymme som du känner perfekt och aktiveringen kan detekteras både i cellerna på plats och i cellnätet.

Nu börjar du gå mot köket. Det kommer att finnas en grupp specifika adressceller som nu kommer att skjuta och kommer inte att ändras så länge du behåller en specifik riktning. Tänk nu att du ska gå till köket måste du svänga till höger och korsa en smal korridor. När du vänder, kommer dina adressceller att känna till det och en annan uppsättning adressceller registrerar den riktning som den nu har tagit för att aktivera, och de föregående kommer att avaktiveras.

Föreställ dig också att korridoren är smal och någon falsk rörelse kan leda till att du slår på väggen, så att dina kantceller ökar din avfyrningsgrad. Ju närmare du kommer till korridormuren, desto högre avfyrningsförhållande skulle visa dina kantceller. Tänk på kantcellerna som de sensorer som vissa nya bilar har och det ger en ljudsignal när manövrering parkerar. Kantcellerna De fungerar på samma sätt som dessa sensorer, desto närmare är de att kollidera mer buller som de gör . När du kommer till köket har dina platsceller sagt att det har kommit tillfredsställande och eftersom det är en bredare miljö kommer dina kantceller att slappna av.

Låt oss bara komplicera allt

Det är nyfiken att tro att vår hjärna har sätt att lära känna vår position. Men det finns fortfarande en fråga: Hur försonar vi declarative minne med rymdnavigering i hippocampus?, Det vill säga hur mår våra minnen på dessa kartor? Eller kan det vara att våra minnen skapades från dessa kartor? För att försöka svara på denna fråga måste vi tänka lite längre. Andra studier har påpekat att samma celler som kodar utrymme, som vi redan har talat om, kodar också tiden . Således har det varit tal om tidsceller (Eichenbaum, 2014) som skulle koda uppfattningen av tid.

Det överraskande med saken är det allt fler bevis som stöder idén om att platsceller är desamma som tidceller . Därefter kan samma neuron som använder samma elektriska impulser koda utrymme och tid. Förhållandet mellan kodning av tid och rum i samma åtgärdspotentialer och deras betydelse i minnet förblir ett mysterium.

Sammanfattningsvis: min personliga åsikt

Min åsikt om det? Att ta bort min forskare mantel, det kan jag säga Människan är van att tänka på det lätta alternativet och vi tycker om att tänka att hjärnan talar samma språk som vi . Problemet är att hjärnan ger oss en förenklad version av den verklighet som han själv behandlar. På ett sätt som liknar Platons grotta skuggor. Så, precis som i kvantfysikbarriärer av vad vi förstår som verkligheten är bruten, upptäcker vi i neurovetenskap att saker i hjärnan skiljer sig från världen som vi medvetet uppfattar och vi måste ha ett mycket öppet sinne om att saker inte har varför vara som vi verkligen uppfattar dem.

Det enda jag har klart är något som Antonio Damasio brukar upprepa mycket i sina böcker: hjärnan är en bra kartgenerator . Kanske tolkar hjärnan tid och rum på samma sätt för att kartlägga våra minnen. Och om det verkar chimeriskt att du tror att Einsten i sin relativitetsteori en av de teorier han postulerade var den tiden inte kunde förstås utan utrymme och vice versa. Utan tvekan unraveling dessa mysterier är en utmaning, ännu mer när de är svåra aspekter att studera i djur.

Men ingen ansträngning bör sparas på dessa frågor. Först av nyfikenhet. Om vi studerar universums expansion eller de nyligen inspelade gravitationsvågorna, varför skulle vi inte studera hur vår hjärna tolkar tid och rum? För det andra har många av de neurodegenerativa patologierna, såsom Alzheimers sjukdom, rumtids-desorientering som första symptom.Att känna till de neurofysiologiska mekanismerna för denna kodning kan vi upptäcka nya aspekter som kommer att bidra till att bättre förstå den patologiska banan i dessa sjukdomar och, vem vet, upptäcka nya farmakologiska eller icke farmakologiska mål.

Bibliografiska referenser:

Eichenbaum H. 2014. Tidceller i hippocampus: en ny dimension för kartläggning av minnen. Nature 15: 732-742
Frank LM, Brown EN, Wilson M. 2000. Bankkodning i hippocampus och entorhinal cortex. Neuron 27: 169-178.
Fyhn M, Molden S, Witter MP, Moser EI, Moser M-B. 2004. Spatial representation i entorhinal cortex. Science 305: 1258-1264
Kentros C, Hargreaves E, Hawkins RD, Kandel ER, Shapiro M, Muller RV. 1998. Avskaffande av långsiktig stabilitet hos nya hippocampala platscellskartor med NMDA-receptorblockad. Science 280: 2121-2126.
Monaco JD, Abbott LF. 2011. Modulär anpassning av rutcellsaktivitet som grund för hippocampal remapping. J Neurosci 31: 9414-9425.
O'Keefe J, Speakman A. 1987. Enhetsaktivitet i mushippocampus under en rymdminneuppgift. Exp Brain Res 68: 1-27.
Scoville WB, Milner B (1957). Förlust av det senaste minnet efter bilateral hippocampallesion. J Neurol Neurosurg Psychiatry 20: 11-21.