De 'plaatscellen', zoiets als onze hersengps

April 28, 2024

Oriëntatie en verkenning in nieuwe of onbekende ruimtes is een van de cognitieve vermogens die we het vaakst gebruiken. We gebruiken het om ons te begeleiden in ons huis, onze buurt, om naar het werk te gaan.

We zijn er ook afhankelijk van wanneer we voor ons naar een nieuwe en onbekende stad reizen. We gebruiken het zelfs wanneer we rijden en mogelijk is de lezer het slachtoffer geweest van een onzorgvuldigheid in zijn oriëntatie of in die van een metgezel, die hem veroordeeld zal hebben om verloren te zijn, gedwongen te worden om te keren met de auto totdat hij met de juiste route.

Het is niet de fout van de oriëntatie, het is de schuld van de hippocampus

Dit zijn allemaal situaties die ons vaak frustreren en die ons ertoe brengen onze oriëntatie te vervloeken of die van anderen met beledigingen, geschreeuw en verschillende gedragingen. goed, want vandaag zal ik een penseelstreek geven in de neurofysiologische mechanismen van oriëntatie , in onze Brain GPS om ons te begrijpen

We zullen beginnen met specifiek te zijn: we moeten de oriëntatie niet vervloeken, omdat het slechts een product is van onze neurale activiteit in specifieke regio's. Daarom zullen we beginnen met het vervloeken van onze hippocampus.

De hippocampus als een hersenstructuur

Evolutie, de hippocampus is een oude structuur, het maakt deel uit van de boomkwekerij, dat wil zeggen, die structuren die fylogenetisch ouder zijn in onze soort. Anatomisch is het onderdeel van het limbisch systeem, waarin ook andere structuren zoals de amygdala worden gevonden. Het Limbisch Systeem wordt beschouwd als het morfologische substraat van geheugen, emoties, leren en motivatie.

De lezer, mogelijk als hij gewend is aan psychologie, weet dat de hippocampus een noodzakelijke structuur is voor het consolideren van declaratieve herinneringen, dat wil zeggen, met die herinneringen met episodische inhoud over onze ervaringen of anders, semantisch (Nadel en O'Keefe, 1972) .

Bewijs hiervan zijn de overvloedige studies die bestaan over het populaire geval van de "patiënt HM", een patiënt wiens temporale hemisferen waren verwijderd, met een verwoestende anterograde amnesie, dat wil zeggen dat hij geen nieuwe feiten kon onthouden, hoewel hij de meeste van de van je herinneringen van vóór de operatie. Voor degenen die in dit geval willen verdiepen, beveel ik de studies van Scoville en Millner (1957) aan die de HM-patiënt uitgebreid hebben bestudeerd.

The Place Cells: wat zijn ze?

Tot nu toe zeggen we niets nieuws of iets verrassends. Maar het was in 1971 toen toevallig een feit werd ontdekt dat het begin van de studie van navigatiesystemen in de hersenen genereerde. O'keefe en John Dostrovski, met behulp van intracraniële elektroden, kon de activiteit van voor de hippocampus specifieke neuronen bij ratten registreren . Dit bood de mogelijkheid dat tijdens het uitvoeren van verschillende gedragstesten, het dier wakker was, zich bewust en vrij kon bewegen.

Wat ze niet verwachtten te ontdekken, was dat er neuronen waren die selectief reageerden, afhankelijk van het gebied waarin de rat was. Het is niet zo dat er specifieke neuronen waren voor elke positie (er is bijvoorbeeld geen neuron voor je badkamer), maar dat ze werden waargenomen in de CA1 (een specifieke regio van de hippocampus) cellen die referentiepunten markeerden die aangepast konden worden aan verschillende ruimtes .

Deze cellen werden genoemd plaats cellen. Daarom is het niet dat er een plaatselijk neuron is voor elke specifieke ruimte die je bezoekt, maar dat het eerder referentiepunten zijn die je in verband brengen met je omgeving; Dit is hoe egocentrische navigatiesystemen worden gevormd. Plaatsneuronen zullen ook allocentrische navigatiesystemen vormen die elementen van de ruimte daartussen zullen relateren.

Aparte programmering versus ervaring

Deze ontdekking verwarde veel neurowetenschappers die de hippocampus als declaratieve leerstructuur beschouwden en zag nu hoe het in staat was om ruimtelijke informatie te coderen. Dit gaf aanleiding tot de hypothese van de "cognitieve kaart" die zou postuleren dat een representatie van onze omgeving zou worden gegenereerd in de hippocampus.

Net zoals het brein een uitstekende generator is van kaarten voor andere sensorische modaliteiten, zoals de codering van visuele, auditieve en somatosensorische signalen; het is niet onredelijk om de hippocampus te beschouwen als een structuur die kaarten van onze omgeving genereert en die onze oriëntatie daarin garandeert .

Het onderzoek is verder gegaan en heeft dit paradigma in zeer verschillende situaties op de proef gesteld. Er is bijvoorbeeld waargenomen dat de cellen van de plaats in de doolhof-taken schieten wanneer het dier fouten maakt of wanneer het zich in een positie bevindt waarin het neuron gewoonlijk zou schieten (O'keefe en Speakman, 1987).Bij taken waarbij het dier door verschillende ruimtes moet bewegen is te zien dat neuronen schieten afhankelijk van waar het dier vandaan komt en waar het naartoe gaat (Frank et al., 2000).

Hoe ruimtelijke kaarten worden gevormd

Een ander van de belangrijkste aandachtspunten van onderzoeksinteresse op dit gebied was de manier waarop deze ruimtelijke kaarten worden gevormd. Aan de ene kant zouden we kunnen denken dat plaatscellen hun functie bepalen op basis van de ervaring die we ontvangen wanneer we een omgeving verkennen, of we denken misschien dat het een onderliggend onderdeel is van onze hersencircuits, dat wil zeggen aangeboren. De vraag is nog niet duidelijk en we kunnen empirisch bewijs vinden dat beide hypothesen ondersteunt.

Enerzijds hebben de experimenten van Monaco en Abbott (2014), die de activiteit van een groot aantal cellen registreerden, gezien dat wanneer een dier in een nieuwe omgeving wordt geplaatst enkele minuten verstrijken totdat deze cellen beginnen te schieten met normaal. dus, Plaatskaarten zouden op de een of andere manier worden uitgedrukt vanaf het moment dat een dier een nieuwe omgeving binnengaat , maar de ervaring zou deze kaarten in de toekomst wijzigen.

Daarom zouden we kunnen denken dat hersenplasticiteit een rol speelt bij de vorming van ruimtelijke kaarten. Vervolgens, als plasticiteit echt een rol speelde, zouden we verwachten dat knock-out muizen naar de NMDA-receptor van de neurotransmitter glutamaat - dat wil zeggen, muizen die deze receptor niet tot expressie brengen - geen ruimtelijke kaarten zouden genereren omdat deze receptor een fundamentele rol speelt in plasticiteit van de hersenen en leren.

Plasticiteit speelt een belangrijke rol bij het onderhoud van ruimtelijke kaarten

Dit is echter niet het geval en men heeft gezien dat knock-out muizen naar de NMDA-receptor of muizen die farmacologisch zijn behandeld om deze receptor te blokkeren, soortgelijke patronen van respons van de cellen in nieuwe of bekende omgevingen tot expressie brengen. Dit suggereert dat de expressie van ruimtelijke kaarten onafhankelijk is van de plasticiteit van de hersenen (Kentrol et al., 1998). Deze resultaten zouden de hypothese ondersteunen dat navigatiesystemen onafhankelijk zijn van leren.

Ondanks alles, met behulp van logica, moeten de mechanismen van cerebrale plasticiteit duidelijk noodzakelijk zijn voor de stabiliteit in het geheugen van recent gevormde kaarten. En, zo niet, wat zou het nut zijn van de ervaring die men vormt door door de straten van zijn stad te wandelen? Zouden we niet altijd het gevoel hebben dat het de eerste keer was dat we ons huis binnengingen? Ik geloof dat, net als bij zoveel andere gelegenheden, de hypotheses meer complementair zijn dan ze lijken en, in zekere zin, ondanks een aangeboren functioneren van deze functies, plasticiteit speelt een rol bij het in het geheugen bewaren van deze ruimtelijke kaarten .

Netwerk-, adres- en randcellen

Het is vrij abstract om over plaatscellen te praten en mogelijk is meer dan één lezer verrast geweest dat hetzelfde hersengebied dat herinneringen genereert ons als het ware GPS dient. Maar we zijn nog niet klaar en het beste moet nog komen. Laten we nu de krul echt omkrullen. Aanvankelijk dacht men dat ruimtevaart uitsluitend zou afhangen van de hippocampus wanneer werd gezien dat aangrenzende structuren zoals de entorhinale cortex zeer zwakke activering vertoonden als functie van de ruimte (Frank et al., 2000).

In deze onderzoeken werd echter de activiteit in ventrale gebieden van de entorhinale cortex geregistreerd en in latere studies werden dorsale gebieden geregistreerd, die een groter aantal verbindingen met de hippocampus hebben (Fyhn et al., 2004). Dus dan er werd waargenomen dat veel cellen van dit gebied afvuren afhankelijk van de positie, vergelijkbaar met de hippocampus . Tot nu toe wordt verwacht dat ze resultaten zullen vinden, maar toen ze besloten om het gebied te vergroten dat ze zouden registreren in de entorhinale cortex hadden ze een verrassing: van de groepen neuronen die werden geactiveerd afhankelijk van de ruimte die door het dier in beslag werd genomen, waren er blijkbaar stille zones - dat wil zeggen, ze waren niet activadas-. Wanneer regio's die activering vertoonden virtueel verbonden waren, werden patronen waargenomen in de vorm van zeshoeken of driehoeken. Ze noemden deze neuronen van de entorhinale cortex "rode cellen".

Toen er rode cellen werden ontdekt, was het mogelijk om de vraag op te lossen hoe cellen worden gevormd. Omdat de cellen talrijke verbindingen van de netwerkcellen plaatsen, is het niet onredelijk om te denken dat ze daaruit zijn gevormd. Maar nogmaals, dingen zijn niet zo eenvoudig en experimenteel bewijs heeft deze hypothese niet bevestigd. De geometrische patronen die de netwerkcellen vormen, konden nog niet worden geïnterpreteerd.

Navigatiesystemen zijn niet beperkt tot de hippocampus

De complexiteit stopt hier niet. Nog minder als men ziet dat navigatiesystemen niet tot de hippocampus worden gereduceerd. Dit heeft het mogelijk gemaakt om de grenzen van het onderzoek uit te breiden naar andere hersengebieden, en zo andere celtypen te ontdekken die gerelateerd zijn aan de cellen van de plaats: Stuurcellen en randcellen .

Stuurcellen zouden de richting coderen waarin het onderwerp beweegt en zich in de dorsale tegmentale kern van de hersenstam bevinden. Anderzijds zijn randcellen cellen die hun brandsnelheid verhogen wanneer het subject de grenzen van een gegeven ruimte nadert en kan worden gevonden in het subiculumspecifieke gebied van de hippocampus. We gaan een vereenvoudigd voorbeeld aanbieden waarin we proberen de functie van elk type cel samen te vatten:

Stel je voor dat je in de eetzaal van je huis bent en dat je naar de keuken wilt gaan. Omdat je in de eetkamer van je huis bent, heb je een cel in je kamer die zal ontslaan terwijl je in de eetkamer blijft, maar omdat je naar de keuken wilt, heb je ook nog een geactiveerde kamercel die de keuken vertegenwoordigt. De activering is duidelijk omdat uw huis een ruimte is die u perfect kent en de activering zowel in de cellen van de plaats als in het cellennetwerk kan worden gedetecteerd.

Ga nu naar de keuken lopen. Er zal een groep specifieke adrescellen zijn die nu zal worden geactiveerd en niet zal veranderen zolang u een specifieke richting behoudt. Stel je nu voor dat je naar de keuken moet gaan en rechtsaf gaat en een smalle gang oversteekt. Op het moment dat u zich omdraait, weten uw adrescellen dit en een andere reeks adrescellen registreert de richting die nu is geactiveerd en de vorige worden gedeactiveerd.

Stel je ook voor dat de gang smal is en elke valse beweging kan ervoor zorgen dat je tegen de muur stoot, dus je randcellen zullen je vuursnelheid verhogen. Hoe dichter u bij de gangmuur komt, hoe hoger de stookratio uw randcellen zou laten zien. Denk aan de edge-cellen als de sensoren die sommige nieuwe auto's hebben en die een hoorbaar signaal geven wanneer u aan het manoeuvreren bent om te parkeren. De randcellen Ze werken op dezelfde manier als deze sensoren, hoe dichter ze bij elkaar komen om meer geluid te maken . Wanneer je bij de keuken aankomt, hebben je cellen je verteld dat het op een bevredigende manier is aangekomen en omdat het een bredere omgeving is, ontspannen je randcellen.

Laten we alles gewoon ingewikkeld maken

Het is merkwaardig om te denken dat ons brein manieren heeft om onze positie te kennen. Maar er is nog een vraag: hoe verzoenen we declaratief geheugen met ruimtevaart in de hippocampus? Dat wil zeggen, hoe beïnvloeden onze herinneringen deze kaarten? Of kan het zijn dat onze herinneringen zijn gevormd op deze kaarten? Om deze vraag te beantwoorden, moeten we nog een beetje verder nadenken. Andere studies wezen erop dat dezelfde cellen die coderen als ruimte, waarvan we al hebben gesproken, ook de tijd coderen . Er is dus over gesproken tijd cellen (Eichenbaum, 2014) die de perceptie van tijd zou coderen.

Het verrassende aan de zaak is dat meer en meer bewijsmateriaal ter ondersteuning van het idee dat plaatscellen hetzelfde zijn als tijdcellen . Dan is hetzelfde neuron dat dezelfde elektrische impulsen gebruikt in staat om ruimte en tijd te coderen. De relatie tussen de codering van tijd en ruimte in dezelfde actiepotentialen en hun belang in het geheugen blijft een mysterie.

Tot slot: mijn persoonlijke mening

Mijn mening erover? De mantel van mijn wetenschapper afzetten, kan ik zeggen de mens is gewend om na te denken over de gemakkelijke optie en we denken graag dat het brein dezelfde taal spreekt als wij . Het probleem is dat de hersenen ons een vereenvoudigde versie van de werkelijkheid bieden die hij zelf verwerkt. Op een manier vergelijkbaar met de schaduwen van Plato's grot. Dus, net als in kwantumfysica barrières van wat we als realiteit begrijpen, worden verbroken, ontdekken we in de neurowetenschap dat dingen in de hersenen verschillen van de wereld die we bewust waarnemen en we moeten heel open denken dat dingen niet hebben waarom, zoals we ze echt waarnemen.

Het enige dat ik duidelijk heb is iets dat Antonio Damasio gewend is veel in zijn boeken te herhalen: de hersenen zijn een geweldige kaartgenerator . Misschien interpreteert het brein tijd en ruimte op dezelfde manier om onze herinneringen in kaart te brengen. En als het je voor de geest lijkt te komen, denk je dat Einsten in zijn relativiteitstheorie een van de theorieën was die hij stelde dat tijd niet zonder ruimte te begrijpen was, en omgekeerd. Het ongetwijfeld ontrafelen van deze mysteries is een uitdaging, vooral wanneer het moeilijke aspecten zijn om te studeren bij dieren.

Er moet echter geen moeite worden gespaard voor deze kwesties. Allereerst nieuwsgierig. Als we de uitbreiding van het universum of de recentelijk opgetekende gravitatiegolven bestuderen, waarom zouden we dan niet bestuderen hoe ons brein tijd en ruimte interpreteert? En ten tweede, veel van de neurodegeneratieve pathologieën zoals de ziekte van Alzheimer hebben ruimte-tijd desoriëntatie als eerste symptomen.Als we de neurofysiologische mechanismen van deze codering kennen, kunnen we nieuwe aspecten ontdekken die zullen helpen het pathologische verloop van deze ziekten beter te begrijpen en, wie weet, nieuwe farmacologische of niet-farmacologische doelen ontdekken.

Bibliografische referenties:

Eichenbaum H. 2014. Tijdcellen in de hippocampus: een nieuwe dimensie voor het in kaart brengen van herinneringen. Nature 15: 732-742
Frank LM, Brown EN, Wilson M. 2000. Trajectcodering in de hippocampus en entorhinale cortex. Neuron 27: 169-178.
Fyhn M, Molden S, Witter MP, Moser EI, Moser M-B. 2004. Ruimtelijke weergave in de entorhinale cortex. Science 305: 1258-1264
Kentros C, Hargreaves E, Hawkins RD, Kandel ER, Shapiro M, Muller RV. 1998. Afschaffing van langetermijnstabiliteit van nieuwe hippocampale plaatscelkaarten door NMDA-receptorblokkade. Science 280: 2121-2126.
Monaco JD, Abbott LF. 2011. Modulaire aanpassing van de activiteit van de rastercellen als basis voor hippocampale hermapping. J Neurosci 31: 9414-9425.
O'Keefe J, Speakman A. 1987. Activiteit van een enkele eenheid in de hippocampus van de muis tijdens een ruimtelijke geheugentaak. Exp Brain Res 68: 1-27.
Scoville WB, Milner B (1957). Verlies van recent geheugen na bilaterale hippocampallesion. J Neurol Neurosurg Psychiatry 20: 11-21.