"Celulele locului", ceva asemănător GPS-ului creierului nostru

Aprilie 1, 2024

Orientarea și explorarea în spații noi sau necunoscute este una dintre facultățile cognitive pe care le folosim cel mai adesea. Îl folosim ca să ne călăuzească în casa noastră, cartierul nostru, să mergem la muncă.

De asemenea depindem de aceasta atunci când călătorim într-un oraș nou și necunoscut pentru noi. Îl folosim chiar și atunci când conducem și, eventual, cititorul ar fi fost victima unei neglijențe în orientarea sa sau în cea a unui partener, care l-ar fi condamnat să se piardă, fiind forțat să se întoarcă cu mașina până când el cu ruta corespunzătoare.

Nu este vina orientării, e vina hipocampului

Toate acestea sunt situații care ne împiedică deseori și care ne fac să blestemăm orientarea noastră sau cea a altora cu insulte, strigăte și diverse comportamente. bine, pentru că astăzi voi da un brushstroke în mecanismele neurofiziologice de orientare , în Brain GPS să ne înțelegem

Vom începe prin a fi specifici: nu ar trebui să blestemăm orientarea, deoarece este doar un produs al activității noastre neuronale în anumite regiuni. Prin urmare, vom începe prin blestemarea hipocampului nostru.

Hipocampul ca structură a creierului

Evolutiv, hipocampul este o structură antică, face parte din arquiculture, adică acele structuri care sunt mai vechi filogenetic în specia noastră. Din punct de vedere anatomic, face parte din sistemul limbic, în care se găsesc și alte structuri, cum ar fi amigdala. Sistemul Limbic este considerat substratul morfologic al memoriei, emoțiilor, învățării și motivației.

Cititorul, eventual, dacă este obișnuit cu psihologia, va ști că hipocampul este o structură necesară pentru consolidarea amintirilor declarative, adică cu acele amintiri cu conținut episodic despre experiențele noastre sau altceva, semantice (Nadel și O'Keefe, 1972) .

Dovada este studiile abundente care există despre cazul popular al "pacientului HM", pacient al cărui emisfere temporale au fost îndepărtate, producând o amnezie anterografică devastatoare, adică nu putea să memoreze noi fapte, deși a păstrat cea mai mare parte a din amintirile tale de dinainte de operatie. Pentru cei care doresc să aprofundeze acest caz, recomand studiile lui Scoville și Millner (1957) care au studiat exhaustiv pacientul HM.

Celulele locului: ce sunt acestea?

Până acum nu spunem nimic nou sau ceva surprinzător. Dar în 1971 a fost descoperit întâmplător un fapt care a generat începutul studiului sistemelor de navigație în creier. O'keefe și John Dostrovski, folosind electrozi intracranieni, ar putea înregistra activitatea neuronilor specifici hipocampului la șobolani . Aceasta a oferit posibilitatea ca, în timp ce efectuați teste comportamentale diferite, animalul să fi trezit, conștient și să se miște liber.

Ceea ce nu se așteptau să descopere era că există neuroni care au răspuns selectiv în funcție de zona în care a fost șobolanul. Nu există neuroni specifici pentru fiecare poziție (nu există neuron pentru baie, de exemplu), ci că au fost observate în celule CA1 (o regiune specifică a hipocampului) care au marcat puncte de referință care ar putea fi adaptate la spații diferite .

Aceste celule au fost chemați plasați celulele. Prin urmare, nu este faptul că există un neuron de loc pentru fiecare spațiu specific pe care îl frecventezi, ci mai degrabă sunt puncte de referință care te raportează la mediul tău; Astfel se formează sistemele de navigație egocentrice. Plasarea neuronilor va forma, de asemenea, sisteme de navigație alocentrice care vor lega elementele spațiului dintre ele.

Programare inovatoare vs. experiență

Această descoperire a perplexat mulți neurologi care au considerat hipocampul ca o structură declarativă de învățare și acum au văzut cum a putut să codifice informații spațiale. Acest lucru a dus la ipoteza "hărții cognitive" care ar postula că o reprezentare a mediului nostru ar fi generată în hipocampus.

Așa cum creierul este un generator excelent de hărți pentru alte modalități senzoriale, cum ar fi codarea semnalelor vizuale, auditive și somatosenzoriale; nu este nerezonabil să ne gândim la hipocamp ca o structură care generează hărți ale mediului nostru și care garantează orientarea noastră în ele .

Cercetarea a mers mai departe și a pus această paradigmă la încercare în situații foarte diferite. Sa observat, de exemplu, că celulele din locurile din labirint împușcă când animalul face greșeli sau când se află într-o poziție în care neuronul ar trage, de obicei (O'keefe și Speakman, 1987).În sarcinile în care animalul trebuie să se deplaseze prin spații diferite, sa observat că neuronii locului trag în funcție de locul de proveniență al animalului și de unde se află acesta (Frank et al., 2000).

Cum se formează hărțile spațiale

Un alt accent principal al interesului cercetării în acest domeniu a fost modul în care se formează aceste hărți spațiale. Pe de o parte, am putea crede că celulele locului își stabilesc funcția pe baza experienței pe care o primim atunci când explorăm un mediu sau, credem că este o componentă care stă la baza circuitelor creierului nostru, adică înnăscute. Întrebarea nu este încă clară și putem găsi dovezi empirice care susțin ambele ipoteze.

Pe de o parte, experimentele de la Monaco și Abbott (2014), care au înregistrat activitatea unui număr mare de celule, au văzut că atunci când un animal este plasat într-un mediu nou, câteva minute trec până când aceste celule încep să tragă cu normale. Astfel, locurile de hartă ar fi exprimate, într-un fel, din momentul în care un animal intră într-un mediu nou , dar experiența ar modifica aceste hărți în viitor.

Prin urmare, am putea crede că plasticitatea creierului joacă un rol în formarea hărților spațiale. Apoi, dacă plasticitatea a jucat un rol, ne-am aștepta ca șoarecii knock-out la receptorul NMDA al glutamatului neurotransmițător - adică șoareci care nu exprimă acest receptor - să nu genereze hărți spațiale deoarece acest receptor joacă un rol fundamental în plasticitatea creierului și învățare.

Plasticitatea joacă un rol important în menținerea hărților spațiale

Totuși, acest lucru nu este cazul și s-a observat că șoarecii knock-out la receptorii NMDA sau șoarecii care au fost tratați farmacologic pentru a bloca acest receptor, exprimă modele similare de răspuns ale celulelor în medii noi sau familiare. Aceasta sugerează că expresia hărților spațiale este independentă de plasticitatea creierului (Kentrol și colab., 1998). Aceste rezultate ar susține ipoteza că sistemele de navigație sunt independente de învățare.

Cu toate acestea, folosind logica, mecanismele de plasticitate cerebrală trebuie să fie clar necesare pentru stabilitatea în memoria hărților recent formate. Și dacă nu ar fi așa, care ar fi folosirea experienței pe care o formează prin umblarea pe străzile orașului? N-am avea întotdeauna sentimentul că este prima dată când am intrat în casa noastră? Cred că, în multe alte ocazii, ipotezele sunt mai complementare decât par și, într-un fel, în ciuda funcționării înnăscute a acestor funcții, plasticitatea are un rol de jucat în menținerea acestor hărți spațiale în memorie .

Rețea, adresă și celule de margine

Este destul de abstract să vorbim despre celulele locului și, eventual, mai mult de un cititor a fost surprins de faptul că aceeași zonă a creierului care generează amintiri ne servește, ca să spunem, GPS. Dar nu suntem terminați și cel mai bun este încă de vină. Acum haideți să îndoiți curlul într-adevăr. Inițial, se credea că navigația spațială va depinde exclusiv de hipocampus atunci când sa observat că structurile adiacente, cum ar fi cortexul entorhinal, au prezentat o foarte slabă activare ca funcție a spațiului (Frank et al., 2000).

Totuși, în aceste studii sa înregistrat activitatea în zonele ventrale ale cortexului entorhinal, iar în studiile ulterioare s-au înregistrat zone dorsale, care au un număr mai mare de legături cu hipocampul (Fyhn et al., 2004). Deci, atunci sa observat că multe celule ale acestei regiuni s-au ars în funcție de poziția lor, similar cu hipocampul . Până în prezent, se așteaptă să găsească rezultate, dar când au decis să crească zona pe care o înregistrează în cortexul entorhinal, au avut o surpriză: printre grupurile de neuroni care au fost activate în funcție de spațiul ocupat de animal, erau zone aparent tăcute - adică nu erau activadas-. Atunci când regiunile care au prezentat activarea au fost practic îmbinate, modelele au fost observate sub formă de hexagoane sau triunghiuri. Ei au numit acești neuroni ai cortexului entorhinal "celule roșii".

Atunci când celulele roșii au fost descoperite, a fost posibil să se rezolve problema modului în care se formează celulele. Având celulele pune numeroase conexiuni ale celulelor de rețea, nu este nerezonabil să credem că ele sunt formate din ele. Cu toate acestea, din nou, lucrurile nu sunt atât de simple, iar dovezile experimentale nu au confirmat această ipoteză. Modelele geometrice care formează celulele de rețea nu au putut fi interpretate încă.

Sistemele de navigație nu se reduc la hipocamp

Complexitatea nu se termină aici. Chiar mai puțin atunci când s-a văzut că sistemele de navigație nu sunt reduse la hipocampus. Acest lucru a făcut posibilă extinderea limitelor de cercetare la alte zone ale creierului, descoperind astfel alte tipuri de celule legate de celulele locului: Celule de ghidare și celule de margine .

Celulele de direcție ar codifica direcția în care subiectul se mișcă și ar fi localizat în nucleul tegmental dorsal al trunchiului. Pe de altă parte, celulele de margine sunt celule care măresc rata de aprindere pe măsură ce subiectul se apropie de limitele unui spațiu dat și poate fi găsit în regiunea specifică a subtipului hipocampului. Vom oferi un exemplu simplificat în care vom încerca să rezumăm funcția fiecărui tip de celulă:

Imaginați-vă că vă aflați în sala de mese a casei dvs. și că doriți să mergeți la bucătărie. Din moment ce vă aflați în sala de mese a casei dvs., veți avea o celulă de cameră care va declanșa în timp ce rămâneți în sala de mese, dar din moment ce doriți să mergeți la bucătărie, veți avea și o altă celulă activată care reprezintă bucătăria. Activarea va fi clară deoarece casa dvs. este un spațiu pe care îl cunoașteți perfect și activarea poate fi detectată atât în celulele locului cât și în rețeaua celulelor.

Acum, începeți să mergeți la bucătărie. Va exista un grup de celule de adrese specifice, care vor fi acum arse și nu se vor schimba atâta timp cât vă mențineți o anumită direcție. Acum, imaginați-vă că pentru a merge la bucătărie trebuie să virați drept și să traversați un coridor îngust. În momentul în care vă întoarceți, celulele dvs. de adrese o vor cunoaște și un alt set de celule de adrese va înregistra direcția pe care a făcut-o acum să o activeze, iar cele anterioare vor fi dezactivate.

Imaginați-vă, de asemenea, că coridorul este îngust și că orice mișcare falsă vă poate determina să loviți peretele, astfel încât celulele de margine vor crește rata de ardere. Cu cât vă apropiați mai mult de peretele coridorului, cu atât mai mare ar fi raportul de ardere cu celulele de margine. Gândiți-vă la celulele de margine ca la senzorii pe care niște autoturisme noi le au și care fac un semnal sonor atunci când manevrați în parcare. Marginea celulelor Lucrează într-un mod similar cu acești senzori, cu cât sunt mai aproape de a coliziunea cu cât mai mult zgomot le fac . Când ajungeți la bucătărie, celulele locului vă vor spune că a ajuns în mod satisfăcător și, deoarece este un mediu mai larg, celulele de margine se vor relaxa.

Să complicăm totul

Este curios să ne gândim că creierul nostru are modalități de a ne cunoaște poziția. Dar există încă o întrebare: Cum reconciliem memoria declarativă cu navigația spațială în hipocampus ?, adică, cum influențează amintirile noastre aceste hărți? Sau poate că amintirile noastre s-au format din aceste hărți? Pentru a încerca să răspundem la această întrebare, trebuie să ne gândim puțin mai departe. Alte studii au subliniat că aceleași celule care codifică spațiul, despre care am vorbit deja, codifică și timpul . Astfel, sa vorbit despre timp de celule (Eichenbaum, 2014), care va codifica percepția timpului.

Lucrul surprinzător cu privire la acest caz este acela din ce în ce mai multe dovezi care susțin ideea că celulele locului sunt aceleași cu cele ale celulelor timpului . Apoi, același neuron care utilizează aceleași impulsuri electrice este capabil să codifice spațiul și timpul. Relația dintre codarea timpului și a spațiului în aceleași potențiale de acțiune și importanța lor în memorie rămân un mister.

În concluzie: opinia mea personală

Opinia mea despre asta? Dacă îmi iau manta de cercetător, pot spune asta ființa umană este obișnuită să se gândească la opțiunea ușoară și ne place să credem că creierul vorbește în aceeași limbă ca noi . Problema este că creierul ne oferă o versiune simplificată a realității pe care el însuși o procesează. Într-un fel asemănător cu umbrele peșterii lui Platon. Deci, la fel ca în barierele fizicii cuantice ale ceea ce înțelegem ca fiind realitate, sunt rupte, în neuroștiință descoperim că în creier lucrurile sunt diferite de lumea pe care o percepem în mod conștient și trebuie să avem o minte foarte deschisă încât lucrurile să nu aibă de ce să fim așa cum le percepem cu adevărat.

Singurul lucru pe care îl am clar este faptul că Antonio Damasio este obișnuit să repete multe în cărțile sale: creierul este un mare generator de hărți . Poate creierul interpretează timpul și spațiul în același mod pentru a-și mapa amintirile. Și dacă se pare că e chimeric să crezi că Einsten în teoria relativității, una din teoriile pe care le-a postulat, era că timpul nu putea fi înțeles fără spațiu și invers. Fără îndoială, dezlănțuirea acestor mistere este o provocare, cu atât mai mult când ele sunt aspecte dificile de studiat la animale.

Cu toate acestea, nu ar trebui să se facă nici un efort în acest sens. Mai întâi de curiozitate. Dacă studiem expansiunea universului sau undele gravitaționale înregistrate recent, de ce nu vom studia modul în care creierul nostru interpretează timpul și spațiul? Și, în al doilea rând, multe dintre patologiile neurodegenerative, cum ar fi boala Alzheimer, au dezorientare spațială-timp ca primele simptome.Cunoscând mecanismele neurofiziologice ale acestei codificări, am putea descoperi noi aspecte care vor contribui la o mai bună înțelegere a evoluției patologice a acestor boli și, cine știe, va descoperi noi obiective farmacologice sau non-farmacologice.

Referințe bibliografice:

Eichenbaum H. 2014. Celule de timp din hipocampus: o nouă dimensiune pentru cartografierea amintirilor. Natura 15: 732-742
Frank LM, Brown EN, Wilson M. 2000. Traiectorie care codifică hipocampul și cortexul entorhinal. Neuron 27: 169-178.
Fyhn M, Molden S, MP Witter, Moser EI, Moser M-B. 2004. Reprezentarea spațială în cortexul entorhinal. Science 305: 1258-1264
Kentros C, Hargreaves E, Hawkins RD, Kandel ER, Shapiro M, Muller RV. 1998. Abolirea stabilității pe termen lung a hărților celulare hipocampice noi prin blocarea receptorilor NMDA. Science 280: 2121-2126.
Monaco JD, Abbott LF. 2011. Realignarea modulară a activității celulelor reticulare ca bază pentru remaparea hipocampului. J. Neurosci 31: 9414-9425.
O'Keefe J, Speakman A. 1987. Activitate unică a unității în hipocampul șoarecelui în timpul unei sarcini de memorie spațială. Exp Brain Res 68: 1-27.
Scoville WB, Milner B (1957). Pierderea memoriei recente după hipocampallesiunea bilaterală. J Neurol Neurosurg Psychiatry 20: 11-21.