„Kohtrakud”, nagu meie aju GPS

Orientatsioon ja uurimine uutes või tundmatutes ruumides on üks kognitiivseid teadmisi, mida me kõige sagedamini kasutame. Me kasutame seda meie maja, meie naabruskonna juhtimiseks, et minna tööle.

Me sõltume ka sellest, kui me reisime uude ja tundmatusse linna. Me kasutame seda isegi sõidu ajal ja võib-olla on lugeja olnud tema orientatsiooni või kaaslase hooletuse ohvriks, kes on ta hukka mõistnud, sunnitud autoga ringi minema, kuni ta annab õige marsruudiga.

See ei ole orientatsiooni süü, see on hipokampuse süü

Kõik need on olukorrad, mis meid sageli pettavad ja mis viivad meid ümber orienteerumise või teiste kuriteo, karjuste ja erinevate käitumiste kallale. Hea, Täna annan neurofüsioloogilistes orientatsioonimehhanismides harja käigu, meie Aju GPS mõista meid.

Me hakkame olema spetsiifilised: me ei tohiks orienteeruda, sest see on vaid meie närviaktiivsuse tulemus teatud piirkondades. Seepärast hakkame meie hippokampuse kurnamisega.

Hippokampus kui aju struktuur

Mõistlikult on hipokampus iidne struktuur, see on osa kalakasvatusest, st need struktuurid, mis on meie liigi filogeneetiliselt vanemad. Anatoomiliselt on see osa limbilisest süsteemist, kus leidub ka teisi struktuure, nagu amygdala. Limbilist süsteemi peetakse mälu, emotsioonide, õppimise ja motivatsiooni morfoloogiliseks substraadiks.

Lugeja võib psühholoogiaga harjunud olla teadlik sellest, et hipokampus on deklaratiivsete mälestuste konsolideerimiseks vajalik struktuur, st nende mälestustega, mis sisaldavad episoodilist sisu meie kogemuste kohta või muul juhul semantilist (Nadel ja O'Keefe, 1972).

Selle tõenduseks on arvukad uuringud, mis puudutavad "patsiendi HM" populaarset juhtumit, patsienti, kelle ajutised poolkerad olid eemaldatud, andes laastava anterograde amneesia, st ta ei suutnud uusi fakte meelde jätta, kuigi ta säilitas enamiku mälestused enne operatsiooni. Neile, kes soovivad sel juhul sügavamalt minna, soovitan ma Scoville'i ja Millneri uuringuid (1957), mis uurisid HM-i patsienti ammendavalt.

Kohtrakud: mis need on??

Siiani ei ütle me midagi uut ega midagi üllatavat. Aga see oli 1971. aastal, kui avastati juhuslikult asjaolu, et ajus algas navigatsioonisüsteemide uurimine. O'keefe ja John Dostrovski, kasutades intrakraniaalseid elektroode, võib registreerida hippokampus-spetsiifiliste neuronite aktiivsuse rottidel. See andis võimaluse, et erinevate käitumiskatsete läbiviimisel oli loom ärkvel, teadvusel ja vabalt liikudes.

Mida nad ei pidanud avastama, oli see, et olid neuronid, mis reageerisid valikuliselt sõltuvalt piirkonnast, kus rott paiknes. Pole nii, et igasse positsiooni kuuluksid spetsiifilised neuronid (näiteks teie vannitoas pole neuroni), kuid neid täheldati CA1 (hippokampuse konkreetne piirkond) rakkudes, mis tähistasid võrdluspunkte, mida saab kohandada erinevatesse ruumidesse.

Neid rakke kutsuti asetage rakud. Seetõttu ei ole mitte niisugune paikne neuron iga konkreetse ruumi jaoks, mida te sageli teete, vaid pigem on need võrdluspunktid, mis seostavad teid teie keskkonnaga; Nii moodustuvad egotsentrilised navigatsioonisüsteemid. Koht neuronid moodustavad ka eraldusriba navigatsioonisüsteemid, mis seovad omavahel ruumi elemente.

Innate programmeerimine vs kogemus

See avastus hämmeldas paljusid neuroteadlasi, kes pidasid hippokampust deklaratiivseks õppestruktuuriks ja nägid nüüd, kuidas ta suutis ruumiandmeid kodeerida. See tekitas hüpoteesi "kognitiivsest kaardist", mis postuleerib, et meie keskkonna kujutis tekitatakse hipokampuses.

Just nagu aju on suurepärane sensoride kaart teiste sensoorsete modaalsuste jaoks, näiteks visuaalsete, kuulmis- ja somatosensoorsete signaalide kodeerimine; Ei ole mõistlik mõelda hippokampusele kui struktuurile, mis genereerib meie keskkonna kaarte ja tagab meie orientatsiooni nendes.

Teadusuuringud on läinud kaugemale ja on selle paradigma katsetes väga erinevates olukordades. Näiteks on näha, et labürindi ülesannete raku rakud tulevad, kui loom teeb vigu või kui see on olukorras, kus neuron tavaliselt tulistab (O'keefe ja Speakman, 1987). Ülesannetes, kus loom peab liikuma läbi erinevate ruumide, on näha, et asetatakse neuronid, sõltuvalt sellest, kust loom on pärit ja kust see toimub (Frank et al., 2000).

Kuidas ruumi kaardid on moodustatud

Veel üks selle valdkonna uurimishuvi peamisi fookusi on olnud nende ruumiliste kaartide moodustamisel. Ühest küljest võiksime arvata, et kohtrakud loovad oma funktsiooni, tuginedes kogemustele, mida me saame, kui me uurime keskkonda, või võime arvata, et see on meie aju ahelate, st sünnipärane, aluseks. Küsimus ei ole veel selge ja me võime leida empiirilisi tõendeid, mis toetavad mõlemat hüpoteesi.

Ühelt poolt on Monaco ja Abbott'i (2014) katsetused, mis registreerisid suure hulga rakkude aktiivsuse, näinud, et kui loom paigutatakse uude keskkonda, möödub mitu minutit, kuni need rakud hakkavad tulistama. Normaalsus Nii et siis, kohtakaarte väljendatakse mingil moel hetkest, mil loom siseneb uude keskkonda, kuid kogemused muudaksid neid kaarte tulevikus.

Seetõttu võime arvata, et aju plastilisus mängib ruumiliste kaartide kujunemisel rolli. Kui plastilisus tõepoolest mängis rolli, siis ootame hiirte väljalangemist neurotransmitteri glutamaadi NMDA retseptorile - see tähendab hiirtele, kes seda retseptorit ei ekspresseeri - ei tekita ruumilisi kaarte, kuna see retseptor mängib aju plastilisuses olulist rolli ja õppimine.

Plastilisus mängib ruumikaartide hooldamisel olulist rolli

Kuid see ei ole nii ja on näha, et NMDA retseptorile või hiirtele, keda on selle retseptori blokeerimiseks farmakoloogiliselt ravitud, ekspresseeritakse hiirtel samasuguseid rakkude reageerimisviise uutes või tuttavates keskkondades. See viitab sellele, et ruumiliste kaartide ekspressioon ei sõltu aju plastilisusest (Kentrol et al., 1998). Need tulemused toetaksid hüpoteesi, et navigatsioonisüsteemid on õppimisest sõltumatud.

Hoolimata kõigest, peab loogika kasutamisel olema aju plastilisuse mehhanismid selgelt vajalik hiljuti moodustatud kaartide mälu stabiilsuse tagamiseks. Ja kui see nii ei oleks, siis milline oleks kogemuse kasutamine, mida üks vorm oma linna tänavatel kõndides kasutab? Kas meil ei oleks alati tunne, et see on esimene kord, kui me siseneme oma maja? Usun, et nagu paljudel muudel juhtudel, on hüpoteesid üksteist täiendavamad, kui tunduvad ja mingil viisil vaatamata nende funktsioonide kaasasündinud toimimisele., plastilisusel on roll nende ruumiliste kaartide säilitamisel mälus.

Võrgu-, aadress- ja servarakud

On üsna abstraktne rääkida kohtrakkudest ja võib-olla rohkem kui üks lugeja on üllatunud, et sama aju piirkond, mis loob mälestusi, teenib meid nii, et öelda, GPS. Kuid me ei ole lõpetanud ja parim on veel ees. Nüüd rullige curl tõesti. Esialgu arvati, et kosmoses navigeerimine sõltub eranditult hipokampusest, kui nähti, et külgnevad struktuurid nagu entorhinaalne ajukoor esinesid väga nõrga aktivatsioonina ruumi funktsioonina (Frank et al., 2000).

Kuid nendes uuringutes registreeriti aktiivsus entorinaalse ajukoorme kõhupiirkondades ja hilisemates uuringutes registreeriti seljapiirkonnad, millel on suurem hippokampuse ühenduste arv (Fyhn et al., 2004). Nii et siis täheldati, et paljud selle piirkonna rakud vallandati sõltuvalt asukohast, sarnaselt hipokampusele. Siiani on oodata tulemusi, mida oodati, kuid kui nad otsustasid suurendada endornaalses ajukoores registreeritud piirkonda, oli neil üllatus: neuronite rühmade hulgas, mis olid aktiveeritud sõltuvalt loomade poolt hõivatud ruumist, olid ilmselt vaiksed tsoonid - see tähendab, et nad ei olnud aktiveeritud-. Kui piirkonnad, mis näitasid aktiveerimist, olid praktiliselt liitunud, täheldati mustrid kuuskantide või kolmnurkade kujul. Nad kutsusid neid närvirakkudeks "punased rakud"..

Punaste rakkude avastamisel oli võimalik lahendada küsimus, kuidas rakud moodustuvad. Kui rakud asetavad arvukalt võrgurakkude ühendusi, ei ole mõistlik arvata, et nad on nendest moodustatud. Kuid jällegi ei ole asjad nii lihtsad ja eksperimentaalsed tõendid ei ole seda hüpoteesi kinnitanud. Geomeetrilisi mustreid, mis moodustavad võrgurakke, ei ole veel võimalik tõlgendada.

Navigatsioonisüsteemid ei ole hippokampus

Keerukus ei lõpe siin. Veelgi vähem, kui on näha, et navigatsioonisüsteemid ei ole hippokampus. See on võimaldanud laiendada teadusuuringute piire teistele aju piirkondadele, avastades seeläbi teisi rakuga seotud rakke: Juhtrakud ja servarakud.

Juhtrakud koodiksid suunda, milles subjekt liigub ja mis paikneks ajurünnaku dorsaalses tegmentaalses tuumas. Teisest küljest on servarakud rakud, mis suurendavad nende põlemiskiirust, kuna subjekt läheneb antud ruumi piiridele ja seda võib leida hipokampuse subikulaarsest piirkonnast. Pakume lihtsustatud näidet, milles püüame kokku võtta iga rakutüübi funktsiooni:

Kujutage ette, et olete oma maja söögitoas ja et sa tahad minna köögini. Kuna te olete oma maja söögitoas, on teil ruumi kamber, mis tuled söögitoas viibimise ajal, kuid kuna sa tahad minna kööki, siis on teil ka teine ​​aktiveeritud rakk, mis esindab kööki. Aktiveerimine on selge, sest teie maja on ruum, mida te teate suurepäraselt, ja aktiveerimine, mida me suudame seda tuvastada nii koha rakkudes kui ka rakuvõrgus.

Nüüd alusta kõndimist köögi poole. Seal on rida konkreetseid aadressirakke, mis hakkavad nüüd tulistama ja ei muutu seni, kuni säilitate kindla suuna. Kujutlege nüüd, et köögile minekuks tuleb paremale pöörata ja ületada kitsas koridor. Kui pöördute, teavad teie aadressi lahtrid seda ja teine ​​aadressi lahtrite register juba aktiveeritud aadressi ning eelmised deaktiveeritakse.

Kujutage ette ka seda, et koridor on kitsas ja vale liikumine võib põhjustada seina sattumist, nii et teie servarakud suurendavad teie süütamise kiirust. Mida lähemal jõuad koridori seinale, seda kõrgem on tule suhe, mis näitab teie serva lahtreid. Mõelge servarakkudele kui anduritele, mis mõnedel uutel autodel on ja mis teevad kuulmissignaali parkimise ajal manööverdamisel. Serva lahtrid nad töötavad sarnaselt nende anduritega, seda lähemal on nad kokkupõrkeks suurema müraga. Kui jõuad kööki, on teie koharakud teile teatanud, et see on rahuldavalt jõudnud ja kuna see on laiem keskkond, lõõgastuvad teie servarakud.

Olgem lihtsalt keeruline

On uudishimulik arvata, et meie aju on oma positsiooni tundma õppinud. Kuid on veel küsimus: kuidas me ühitame deklaratiivse mälu kosmose navigatsiooniga hipokampuses? See tähendab, et kuidas meie mälestused neid kaarte mõjutavad? Või võib see olla, et meie mälestused on nendest kaartidest moodustatud? Et sellele küsimusele vastata, peame mõtlema veidi kaugemale. Teised uuringud on näidanud, et samad rakud, mis kodeerivad ruumi, millest me juba räägime, kodeerivad ka aega. Seega on räägitud ajarakud (Eichenbaum, 2014), mis kodifitseeriks aja taju.

See on üllatav asi üha rohkem tõendeid, mis toetavad ideed, et rakkude paigutamine on samad kui ajarakud. Siis on sama neuron, mis kasutab samu elektrilisi impulsse, kodeerima ruumi ja aega. Aja ja ruumi kodeerimise seos samades tegevuspotentsiaalides ja nende tähtsus mälus jääb saladuseks.

Kokkuvõtteks: minu isiklik arvamus

Minu arvamus selle kohta? Ma võin seda öelda, kui ma oma teadlase köögi ära võtan inimene on harjunud mõtlema lihtsale valikule ja me tahame arvata, et aju räägib sama keelt kui meie. Probleem on selles, et aju pakub meile lihtsustatud versiooni reaalsusest, mida ta ise töötleb. Samamoodi nagu Plato koobas. Niisiis, nagu kvantfüüsikas on tõkked, mida me mõistame kui reaalsust, on katkenud, neuroteaduses avastame, et ajus asjad erinevad maailmast, mida me teadlikult tajume, ja meil peab olema väga avatud meel, et asjadel ei ole miks peaksime nii, nagu me neid tajume.

Ainus asi, mis mul on selge, on Antonio Damasio harjunud oma raamatutes palju kordama: aju on suur kaartide generaator. Võib-olla tõlgendab aju aega ja ruumi meie mälestuste kaardistamiseks. Ja kui tundub, et see on kimäärne, arvake, et Einsten oma relatiivsusteoorias on üks tema postuleeritud teooriatest, et aega ei saanud ilma ruumi mõista ja vastupidi. Kahtlemata on nende müsteeriumide laialivalgumine väljakutseks veelgi enam siis, kui need on loomadega õppimise rasked aspektid.

Siiski ei tohiks nendes küsimustes kokku hoida. Esimene uudishimu. Kui uurime universumi laienemist või hiljuti salvestatud gravitatsioonilaineid, siis miks mitte uurida, kuidas meie aju aja ja ruumi tõlgendab? Teiseks, paljudel neurodegeneratiivsetel haigustel, nagu Alzheimeri tõbi, esineb esimeste sümptomitena ruumi-ajalist desorientatsiooni. Teades selle kodeerimise neurofüsioloogilisi mehhanisme, võime avastada uusi aspekte, mis aitavad paremini mõista nende haiguste patoloogilist kulgu ja kes teab, kas leida uusi farmakoloogilisi või mittefarmakoloogilisi sihtmärke..

Bibliograafilised viited:

• Eichenbaum H. 2014. Hippokampuse aegrakud: mälude kaardistamise uus mõõde. Nature 15: 732-742
• Frank LM, Brown EN, Wilson M. 2000. Trajektoori kodeerimine hipokampuses ja entorhinaalses ajukoores. Neuron 27: 169-178.
• Fyhn M, Molden S, Witter MP, Moser EI, Moser M-B. 2004. Ruumiline esitus entorinaalses ajukoores. Science 305: 1258-1264
• Kentros C, Hargreaves E, Hawkins RD, Kandel ER, Shapiro M, Muller RV. 1998. Uute hippokampuse rakkude kaartide pikaajalise stabiilsuse kaotamine NMDA retseptori blokaadi abil. Science 280: 2121-2126.
• Monaco JD, Abbott LF. 2011. Võrgu raku aktiivsuse modulaarne ümberlülitamine hippokampuse ümberkujundamise aluseks. J Neurosci 31: 9414-9425.
• O'Keefe J, Speakman A. 1987. Üheühiku aktiivsus hiire hipokampuses ruumilise mälu ülesande ajal. Exp Brain Res 68: 1 - 27.
• Scoville WB, Milner B (1957). Hiljutise mälu kadumine pärast kahepoolset hipokampuse kahjustust. J Neurol Neurosurg Psychiatry 20: 11-21.