Die Platzzellen, etwa unser Gehirn GPS

Orientierung und Erkundung in neuen oder unbekannten Räumen ist eine der kognitiven Fähigkeiten, die wir am häufigsten nutzen. Wir benutzen es, um uns in unserem Haus, unserer Nachbarschaft, zur Arbeit zu führen.

Wir sind auch darauf angewiesen, wenn wir für uns in eine neue und unbekannte Stadt reisen. Wir benutzen es sogar während wir fahren, und möglicherweise ist der Leser Opfer einer Unachtsamkeit in seiner Orientierung oder der eines Gefährten, die ihn zum Verlust verurteilt haben wird, und er wurde gezwungen, mit dem Auto zu fahren, bis er gibt mit der richtigen Route.

Es ist nicht die Schuld der Orientierung, sondern der Hippocampus

All dies sind Situationen, die uns oft frustrieren und dazu führen, dass wir unsere Orientierung oder die anderer mit Beleidigungen, Rufen und verschiedenen Verhaltensweisen verfluchen. Gut, denn heute werde ich in den neurophysiologischen Orientierungsmechanismen einen Pinselstrich machen, in unserem Gehirn GPS um uns zu verstehen.

Wir fangen damit an, konkret zu sein: Wir sollten die Orientierung nicht verfluchen, da sie nur ein Produkt unserer neuronalen Aktivität in bestimmten Regionen ist. Deshalb werden wir unseren Hippocampus verfluchen.

Der Hippocampus als Gehirnstruktur

Evolutiv ist der Hippocampus eine uralte Struktur, dh er ist Teil der Baumschule, dh jener Strukturen, die in unserer Art phylogenetisch älter sind. Anatomisch ist es Teil des limbischen Systems, in dem sich auch andere Strukturen wie die Amygdala befinden. Das Limbische System wird als das morphologische Substrat von Gedächtnis, Emotionen, Lernen und Motivation betrachtet.

Der Leser wird möglicherweise, wenn er an die Psychologie gewöhnt ist, wissen, dass der Hippocampus eine notwendige Struktur für die Konsolidierung deklaratorischer Erinnerungen ist, d. H. Bei Erinnerungen mit episodischem Inhalt über unsere Erfahrungen oder semantisch (Nadel und O'Keefe, 1972)..

Ein Beweis dafür sind die zahlreichen Studien, die über den populären Fall des "Patienten HM", eines Patienten, dessen temporale Hemisphären entfernt wurde, eine verheerende anterograde Amnesie auslösten, vorhanden sind, das heißt, er konnte sich keine neuen Fakten merken, obwohl er die meisten der Befunde behalten hatte Ihrer Erinnerungen vor der Operation. Für diejenigen, die in diesem Fall tiefer gehen wollen, empfehle ich die Studien von Scoville und Millner (1957), die den Patienten ausführlich untersuchten.

Die Place Cells: Was sind sie??

Bisher sagen wir nichts Neues oder Überraschendes. Es war jedoch 1971, als zufällig eine Tatsache entdeckt wurde, die den Beginn der Untersuchung von Navigationssystemen im Gehirn auslöste. O'keefe und John Dostrovski verwenden intrakranielle Elektroden, konnte die Aktivität von Hippocampus-spezifischen Neuronen bei Ratten aufzeichnen. Dies bot die Möglichkeit, dass das Tier bei verschiedenen Verhaltenstests wach war, bei Bewusstsein war und sich frei bewegte.

Was sie nicht erwartet hatten, war, dass es Neuronen gab, die selektiv auf das Gebiet reagierten, in dem sich die Ratte befand. Es ist nicht so, dass es für jede Position spezifische Neuronen gab (zum Beispiel gibt es für Ihr Badezimmer kein Neuron), sondern dass sie in CA1-Zellen (einer bestimmten Region des Hippocampus) beobachtet wurden, die Referenzpunkte markierten, die an unterschiedliche Räume angepasst werden konnten.

Diese Zellen wurden genannt Zellen platzieren. Daher ist es nicht so, dass es für jeden bestimmten Raum, den Sie besuchen, ein Neuron of Place gibt, sondern dass es sich um Bezugspunkte handelt, die Sie mit Ihrer Umgebung in Verbindung bringen. So entstehen egozentrische Navigationssysteme. Platzneuronen bilden auch zuordnungszentrierte Navigationssysteme, die Elemente des Raums miteinander verknüpfen.

Angeborene Programmierung vs. Erfahrung

Diese Entdeckung verblüffte viele Neurowissenschaftler, die den Hippocampus als deklarative Lernstruktur betrachteten und nun sahen, wie er räumliche Informationen kodieren konnte. Dies führte zu der Hypothese der "kognitiven Karte", die postulieren würde, dass eine Darstellung unserer Umgebung im Hippocampus erzeugt wird.

Genauso wie das Gehirn ein hervorragender Generator für Karten für andere sensorische Modalitäten ist, beispielsweise für die Codierung visueller, auditorischer und somatosensorischer Signale; Es ist nicht unvernünftig, den Hippocampus als eine Struktur zu betrachten, die Karten unserer Umgebung erzeugt und unsere Orientierung in ihnen garantiert.

Die Forschung ist weiter gegangen und hat dieses Paradigma in sehr unterschiedlichen Situationen auf die Probe gestellt. Es wurde zum Beispiel gesehen, dass die Zellen von Stellen in den Labyrinthaufgaben schießen, wenn das Tier Fehler macht oder wenn es sich in einer Position befindet, in der das Neuron normalerweise schießen würde (O'keefe und Speakman, 1987). Bei Aufgaben, bei denen sich das Tier durch verschiedene Räume bewegen muss, wurde gezeigt, dass Neuronen je nach Herkunft des Tieres schießen und wohin es geht (Frank et al., 2000)..

Wie werden räumliche Karten gebildet?

Ein weiterer Schwerpunkt des Forschungsinteresses auf diesem Gebiet war die Bildung dieser räumlichen Karten. Auf der einen Seite könnten wir denken, dass Zellen ihre Funktion auf der Grundlage der Erfahrung, die wir bei der Erkundung einer Umgebung erhalten, festlegen, oder wir glauben, dass dies eine grundlegende Komponente unserer Gehirnkreisläufe ist, das heißt, angeboren. Die Frage ist noch nicht klar und wir können empirische Beweise finden, die beide Hypothesen stützen.

Einerseits haben die Experimente von Monaco und Abbott (2014), die die Aktivität einer großen Anzahl von Zellen aufgezeichnet haben, gesehen, dass, wenn ein Tier in eine neue Umgebung gebracht wird, einige Minuten vergehen, bis diese Zellen mit dem Schießen beginnen Normalität Also dann, Ortskarten würden in gewisser Weise von dem Moment an ausgedrückt, in dem ein Tier eine neue Umgebung betritt, Aber die Erfahrung würde diese Karten in Zukunft verändern.

Daher könnte man denken, dass Plastizität des Gehirns eine Rolle bei der Bildung von räumlichen Karten spielt. Wenn die Plastizität wirklich eine Rolle spielt, würden wir erwarten, dass Knockout-Mäuse für den NMDA-Rezeptor des Neurotransmitters Glutamat - d. H. Mäuse, die diesen Rezeptor nicht exprimieren - keine räumlichen Karten erzeugen würden, da dieser Rezeptor eine wesentliche Rolle bei der Plastizität des Gehirns spielt lernen.

Bei der Pflege von räumlichen Karten spielt die Plastizität eine wichtige Rolle

Dies ist jedoch nicht der Fall, und es hat sich gezeigt, dass Knockout-Mäuse an den NMDA-Rezeptor oder an Mäuse, die zur Blockierung dieses Rezeptors pharmakologisch behandelt wurden, ähnliche Reaktionsmuster der Zellen in neuen oder bekannten Umgebungen ausdrücken. Dies legt nahe, dass die Expression räumlicher Karten unabhängig von der Plastizität des Gehirns ist (Kentrol et al., 1998). Diese Ergebnisse würden die Hypothese stützen, dass Navigationssysteme vom Lernen unabhängig sind.

Trotz allem müssen die Mechanismen der zerebralen Plastizität unter Verwendung von Logik eindeutig notwendig sein, um die Erinnerung an kürzlich gebildete Karten stabil zu halten. Und wenn es nicht so wäre, was würde dann die Erfahrung ausnutzen, die man macht, wenn man durch die Straßen seiner Stadt geht? Würden wir nicht immer das Gefühl haben, dass wir zum ersten Mal unser Haus betreten? Ich glaube, dass, wie bei so vielen anderen Gelegenheiten, die Hypothesen komplementärer sind, als sie scheinen, und in gewisser Weise trotz einer angeborenen Funktion dieser Funktionen, Bei der Aufrechterhaltung dieser räumlichen Karten im Gedächtnis spielt die Plastizität eine Rolle.

Netzwerk-, Adress- und Randzellen

Es ist ziemlich abstrakt, über Platzzellen zu sprechen, und möglicherweise wurde mehr als ein Leser überrascht, dass derselbe Hirnbereich, der Erinnerungen erzeugt, sozusagen GPS dient. Aber wir sind noch nicht fertig und das Beste kommt noch. Jetzt lasst uns die Locke wirklich kräuseln. Anfangs dachte man, dass die Weltraumnavigation ausschließlich vom Hippocampus abhängen würde, wenn sich zeigte, dass benachbarte Strukturen wie der entorhinale Kortex eine sehr schwache Aktivierung als Funktion des Raums zeigten (Frank et al., 2000)..

In diesen Studien wurde jedoch die Aktivität in ventralen Bereichen des entorhinalen Kortex aufgezeichnet, und in späteren Studien wurden dorsale Bereiche aufgezeichnet, die eine größere Anzahl von Verbindungen zum Hippocampus aufweisen (Fyhn et al., 2004). Also dann Es wurde beobachtet, dass viele Zellen dieser Region, abhängig vom Ort, ähnlich dem Hippocampus abschossen. Bislang wird erwartet, dass sie Ergebnisse finden, aber als sie sich dazu entschieden haben, den Bereich zu vergrößern, den sie im entorhinalen Kortex registrieren würden, waren sie überrascht: Unter den Neuronengruppen, die in Abhängigkeit von dem vom Tier besetzten Raum aktiviert wurden, gab es anscheinend stille Zonen - das heißt, sie waren keine aktiviert-. Wenn Regionen, die eine Aktivierung zeigten, virtuell verbunden waren, wurden Muster in Form von Sechsecken oder Dreiecken beobachtet. Sie nannten diese Neuronen des entorhinalen Kortex "rote Zellen"..

Wenn rote Blutkörperchen entdeckt wurden, konnte die Frage gelöst werden, wie sich Zellen bilden. Da die Zellen zahlreiche Verbindungen der Netzwerkzellen herstellen, ist es nicht unangemessen zu glauben, dass sie aus ihnen gebildet werden. Die Dinge sind jedoch nicht so einfach, und experimentelle Beweise haben diese Hypothese nicht bestätigt. Die geometrischen Muster, die die Netzwerkzellen bilden, konnten noch nicht interpretiert werden.

Navigationssysteme sind nicht auf den Hippocampus reduziert

Die Komplexität endet hier nicht. Noch weniger, wenn man sieht, dass die Navigationssysteme nicht auf den Hippocampus reduziert sind. Dies hat es möglich gemacht, die Grenzen der Forschung auf andere Gehirnbereiche auszudehnen und so andere Zelltypen zu entdecken, die mit den Zellen des Ortes zusammenhängen: Steuerzellen und Randzellen.

Steuerungszellen würden die Richtung kodieren, in die sich das Subjekt bewegt, und sich im dorsalen tegmentalen Kern des Hirnstamms befinden. Auf der anderen Seite sind Randzellen Zellen, die ihre Feuerrate erhöhen, wenn sich die Person den Grenzen eines bestimmten Raums nähert und sich in der subikulumspezifischen Region des Hippocampus befindet. Wir werden ein vereinfachtes Beispiel anbieten, in dem wir versuchen, die Funktion jedes Zellentyps zusammenzufassen:

Stellen Sie sich vor, Sie befinden sich im Esszimmer Ihres Hauses und möchten in die Küche gehen. Da Sie sich im Speisesaal Ihres Hauses befinden, haben Sie eine Raumzelle, die während Ihres Aufenthalts im Speisesaal feuert. Da Sie jedoch in die Küche gehen möchten, haben Sie auch eine andere aktivierte Raumzelle, die die Küche darstellt. Die Aktivierung ist klar, da Ihr Haus ein Bereich ist, den Sie perfekt kennen und die Aktivierung sowohl in den Zellen des Orts als auch im Zellennetzwerk erkannt werden kann.

Gehen Sie jetzt in Richtung Küche. Es wird eine Gruppe spezifischer Adresszellen geben, die jetzt ausgelöst werden und sich nicht ändern, solange Sie eine bestimmte Richtung beibehalten. Nun stellen Sie sich vor, dass Sie, um in die Küche zu gehen, rechts abbiegen müssen und einen engen Korridor überqueren müssen. In dem Moment, in dem Sie sich wenden, werden Ihre Adresszellen dies erkennen, und ein anderer Satz Adresszellen registriert die jetzt aktivierte Adresse, und die vorherigen Adressen werden deaktiviert.

Stellen Sie sich außerdem vor, dass der Korridor eng ist und jede falsche Bewegung dazu führen kann, dass Sie gegen die Wand stoßen, sodass Ihre Randzellen Ihre Schussrate erhöhen. Je näher Sie an die Korridorwand kommen, desto höher würde die Schußzahl Ihre Randzellen zeigen. Stellen Sie sich die Randzellen als die Sensoren vor, die einige neue Autos haben und die beim Manövrieren des Parkens ein hörbares Signal abgeben. Die Randzellen Sie arbeiten auf ähnliche Weise wie diese Sensoren. Je näher sie an der Kollision sind, desto mehr Geräusche erzeugen sie. Wenn Sie in der Küche ankommen, werden Ihre Platzzellen Ihnen angezeigt haben, dass sie zufriedenstellend angekommen sind und die Umgebung breiter ist. Ihre Randzellen werden sich entspannen.

Lassen Sie uns einfach alles komplizieren

Es ist merkwürdig zu glauben, dass unser Gehirn Wege hat, um unsere Position zu kennen. Es gibt jedoch noch eine Frage: Wie lassen sich deklarative Erinnerung mit der Raumnavigation im Hippocampus in Einklang bringen, dh wie beeinflussen unsere Erinnerungen diese Karten? Oder könnte es sein, dass unsere Erinnerungen aus diesen Karten entstanden sind? Um diese Frage beantworten zu können, müssen wir noch etwas weiter nachdenken. Andere Studien haben gezeigt, dass die gleichen Zellen, die den Raum codieren, von denen wir bereits gesprochen haben, auch die Zeit codieren. So wurde darüber gesprochen Zeitzellen (Eichenbaum, 2014), der die Wahrnehmung von Zeit kodifizieren würde.

Das Überraschende an diesem Fall ist das Immer mehr Beweise stützen die Idee, dass Zellen wie Zeitzellen sind. Dann kann dasselbe Neuron, das die gleichen elektrischen Impulse verwendet, Raum und Zeit codieren. Die Beziehung zwischen der Kodierung von Zeit und Raum in den gleichen Aktionspotentialen und ihrer Bedeutung für das Gedächtnis bleibt ein Rätsel.

Zum Schluss meine persönliche Meinung

Meine Meinung dazu? Ich kann die Robe meines Wissenschaftlers ausziehen, das kann ich sagen Der Mensch ist es gewohnt, über die einfache Option nachzudenken, und wir denken gern, dass das Gehirn dieselbe Sprache spricht wie wir. Das Problem ist, dass das Gehirn uns eine vereinfachte Version der Realität anbietet, die er selbst verarbeitet. Auf ähnliche Weise wie die Schatten von Platos Höhle. So wie in der Quantenphysik Barrieren dessen, was wir als Realität verstehen, gebrochen werden, entdecken wir in der Neurowissenschaft, dass sich die Dinge im Gehirn von der Welt unterscheiden, die wir bewusst wahrnehmen, und wir müssen einen sehr offenen Geist haben, den die Dinge nicht haben Warum so sein, wie wir sie wirklich wahrnehmen.

Das einzige, was mir klar ist, ist etwas, das Antonio Damasio verwendet, um in seinen Büchern viel zu wiederholen: Das Gehirn ist ein großartiger Kartengenerator. Vielleicht interpretiert das Gehirn Zeit und Raum auf dieselbe Weise, um unsere Erinnerungen abzubilden. Und wenn es Ihnen schimpflich erscheint, denken Sie, dass Einsten in seiner Relativitätstheorie eine der von ihm postulierten Theorien war, dass die Zeit ohne Raum nicht verstanden werden könnte und umgekehrt. Zweifellos ist es eine Herausforderung, diese Geheimnisse aufzuklären, vor allem, wenn es sich um schwierige Aspekte bei der Untersuchung von Tieren handelt.

Bei diesen Fragen sollten jedoch keine Anstrengungen gescheut werden. Zuerst neugierig. Wenn wir die Expansion des Universums oder die kürzlich aufgezeichneten Gravitationswellen untersuchen, warum sollten wir dann nicht untersuchen, wie unser Gehirn Zeit und Raum interpretiert? Zweitens haben viele der neurodegenerativen Pathologien wie die Alzheimer-Krankheit als erste Symptome eine Raum-Zeit-Desorientierung. Wenn wir die neurophysiologischen Mechanismen dieser Kodierung kennen, könnten wir neue Aspekte entdecken, die dazu beitragen, den pathologischen Verlauf dieser Erkrankungen besser zu verstehen, und wer weiß, ob neue pharmakologische oder nicht-pharmakologische Ziele entdeckt werden sollen..

Literaturhinweise:

• Eichenbaum H. 2014. Zeitzellen im Hippocampus: eine neue Dimension für die Abbildung von Erinnerungen. Nature 15: 732–742
• Frank LM, Brown EN, Wilson M. 2000. Codierung der Flugbahn im Hippocampus und im entorhinalen Kortex. Neuron 27: 169-178.
• Fyhn M, Molden S., Witter MP, Moser EI, Moser M-B. 2004. Räumliche Vertretung im entorhinalen Kortex. Science 305: 1258-1264
• Centros C, Hargreaves E, Hawkins RD, Kandel ER, Shapiro M, Muller RV. 1998. Aufhebung der Langzeitstabilität neuer hippocampaler Ortszellkarten durch NMDA-Rezeptorblockade. Science 280: 2121-2126.
• Monaco JD, Abbott LF. 2011. Modulare Neuausrichtung der Gitterzellenaktivität als Grundlage für Hippocampus-Remapping. J Neurosci 31: 9414-9425.
• O'Keefe J, Speakman A. 1987. Einzelne Aktivität im Maus-Hippocampus während einer räumlichen Speicheraufgabe. Exp Brain Res 68: 1 & ndash; 27.
• Scoville WB, Milner B (1957). Verlust des jüngsten Gedächtnisses nach beidseitiger Hippocampallesion. J Neurol Neurosurg Psychiatry 20: 11-21.