'Các tế bào vị trí', giống như GPS não của chúng ta

Tháng Tư 24, 2024

Định hướng và khám phá trong không gian mới hoặc chưa biết là một trong những khoa nhận thức mà chúng ta sử dụng thường xuyên nhất. Chúng tôi sử dụng nó để hướng dẫn chúng tôi trong nhà, khu phố của chúng tôi, để đi làm.

Chúng tôi cũng phụ thuộc vào nó khi chúng tôi đi đến một thành phố mới và chưa biết đối với chúng tôi. Chúng tôi sử dụng nó ngay cả khi chúng tôi lái xe và, có thể, người đọc sẽ là nạn nhân của sự bất cẩn trong định hướng của anh ta hoặc của một người bạn đồng hành, sẽ kết án anh ta bị lạc, bị buộc phải quay đầu lại với chiếc xe cho đến khi anh ta với lộ trình phù hợp.

Đó không phải là lỗi của định hướng, đó là lỗi của hải mã

Tất cả những điều này là những tình huống thường làm chúng ta thất vọng và điều đó khiến chúng ta nguyền rủa định hướng của chúng ta hoặc của những người khác với những lời lăng mạ, la hét và các hành vi khác nhau. À bởi vì hôm nay tôi sẽ đưa ra một cú đánh trong các cơ chế sinh lý thần kinh , trong chúng ta GPS não để hiểu chúng tôi

Chúng tôi sẽ bắt đầu bằng cách cụ thể: chúng tôi không nên nguyền rủa định hướng vì nó chỉ là một sản phẩm của hoạt động thần kinh của chúng tôi trong các khu vực cụ thể. Do đó, chúng tôi sẽ bắt đầu bằng cách nguyền rủa con hải mã của chúng tôi.

Hồi hải mã như một cấu trúc não

Về mặt phát triển, hải mã là một cấu trúc cổ xưa, nó là một phần của nghề trồng trọt, nghĩa là, những cấu trúc đó có kiểu gen phát triển lâu đời trong loài của chúng ta. Về mặt giải phẫu, nó là một phần của hệ thống limbic, trong đó các cấu trúc khác như amygdala cũng được tìm thấy. Hệ thống Limbic được coi là chất nền hình thái của trí nhớ, cảm xúc, học tập và động lực.

Người đọc có thể nếu anh ta quen với tâm lý học sẽ biết rằng hải mã là một cấu trúc cần thiết để củng cố các ký ức khai báo, nghĩa là với những ký ức có nội dung tình tiết về những trải nghiệm của chúng ta hay nói cách khác, về ngữ nghĩa (Nadel và O'Keefe, 1972) .

Bằng chứng về điều này là những nghiên cứu phong phú tồn tại về trường hợp phổ biến của "bệnh nhân HM", một bệnh nhân bị cắt bỏ bán cầu thái dương, tạo ra chứng mất trí nhớ tàn khốc, nghĩa là anh ta không thể ghi nhớ các sự kiện mới mặc dù anh ta đã giữ lại hầu hết ký ức của bạn từ trước khi hoạt động. Đối với những người muốn tìm hiểu sâu hơn trong trường hợp này, tôi khuyên bạn nên nghiên cứu về Scoville và Millner (1957), người đã nghiên cứu bệnh nhân HM một cách thấu đáo.

Các tế bào Place: chúng là gì?

Cho đến nay chúng tôi không nói bất cứ điều gì mới, hoặc bất cứ điều gì đáng ngạc nhiên. Nhưng đó là vào năm 1971 khi tình cờ tạo ra sự khởi đầu của nghiên cứu về các hệ thống định vị trong não được phát hiện. O'keefe và John Dostrovski, sử dụng các điện cực nội sọ, có thể ghi lại hoạt động của các tế bào thần kinh đặc hiệu vùng đồi thị ở chuột . Điều này mang đến khả năng trong khi thực hiện các bài kiểm tra hành vi khác nhau, con vật đã tỉnh táo, tỉnh táo và di chuyển tự do.

Điều họ không mong đợi khám phá là có những tế bào thần kinh phản ứng có chọn lọc tùy thuộc vào khu vực mà chuột ở đó. Không phải là có các nơ-ron cụ thể cho từng vị trí (chẳng hạn như không có nơ-ron cho phòng tắm của bạn), mà là chúng được quan sát trong các tế bào CA1 (một vùng cụ thể của đồi hải mã) đánh dấu các điểm tham chiếu có thể thích nghi với các không gian khác nhau .

Những tế bào này được gọi là đặt các tế bào. Do đó, không phải là có một nơ-ron vị trí cho từng không gian cụ thể mà bạn thường xuyên sử dụng mà là những điểm tham chiếu liên quan đến môi trường của bạn; Đây là cách hệ thống dẫn đường tự nhiên được hình thành. Các nơ ron thần kinh cũng sẽ hình thành các hệ thống định vị phân bổ sẽ liên quan đến các yếu tố của không gian giữa chúng.

Lập trình bẩm sinh so với kinh nghiệm

Phát hiện này đã làm bối rối nhiều nhà khoa học thần kinh, những người coi hải mã là một cấu trúc học tập khai báo và bây giờ đã thấy làm thế nào nó có thể mã hóa thông tin không gian. Điều này đã dẫn đến giả thuyết về "bản đồ nhận thức" sẽ quy định rằng một đại diện cho môi trường của chúng ta sẽ được tạo ra ở vùng hải mã.

Giống như bộ não là một trình tạo bản đồ tuyệt vời cho các phương thức cảm giác khác như mã hóa tín hiệu thị giác, thính giác và somatosensory; Không phải là không có lý khi nghĩ về hải mã như một cấu trúc tạo ra các bản đồ về môi trường của chúng ta và điều đó đảm bảo sự định hướng của chúng ta trong đó .

Nghiên cứu đã đi xa hơn và đưa mô hình này vào thử nghiệm trong các tình huống rất khác nhau. Chẳng hạn, người ta đã thấy rằng các tế bào vị trí trong các nhiệm vụ mê cung bắn ra khi con vật mắc lỗi hoặc khi nó ở vị trí mà tế bào thần kinh thường bắn (O'keefe và speakman, 1987).Trong các nhiệm vụ mà động vật phải di chuyển qua các không gian khác nhau, người ta đã thấy rằng các tế bào thần kinh bắn ra tùy thuộc vào nơi con vật đến và nơi nó đi (Frank et al., 2000).

Bản đồ không gian được hình thành như thế nào

Một trong những trọng tâm chính của nghiên cứu trong lĩnh vực này là về cách các bản đồ không gian này được hình thành. Một mặt, chúng ta có thể nghĩ rằng các tế bào vị trí thiết lập chức năng của chúng dựa trên trải nghiệm chúng ta nhận được khi khám phá một môi trường, hoặc, chúng ta có thể nghĩ rằng đó là một thành phần cơ bản của các mạch não, tức là bẩm sinh. Câu hỏi vẫn chưa rõ ràng và chúng ta có thể tìm thấy bằng chứng thực nghiệm hỗ trợ cả hai giả thuyết.

Một mặt, các thí nghiệm của Monaco và Abbott (2014), ghi lại hoạt động của một số lượng lớn tế bào, đã thấy rằng khi một con vật được đặt trong môi trường mới vài phút trôi qua cho đến khi những tế bào này bắt đầu bắn Bình thường Vì vậy, theo cách nào đó, bản đồ sẽ được thể hiện, từ lúc một con vật bước vào một môi trường mới , nhưng kinh nghiệm sẽ sửa đổi các bản đồ này trong tương lai.

Do đó, chúng ta có thể nghĩ rằng độ dẻo của não đang đóng một vai trò trong việc hình thành các bản đồ không gian. Sau đó, nếu độ dẻo thực sự đóng một vai trò, chúng ta hy vọng rằng chuột bị loại ra khỏi thụ thể NMDA của chất dẫn truyền thần kinh glutamate - nghĩa là những con chuột không biểu hiện thụ thể này - sẽ không tạo ra bản đồ không gian vì thụ thể này đóng vai trò cơ bản trong tính dẻo của não và học tập

Độ dẻo đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì bản đồ không gian

Tuy nhiên, đây không phải là trường hợp, và người ta đã thấy rằng những con chuột bị loại ra khỏi thụ thể NMDA hoặc những con chuột đã được điều trị dược lý để chặn thụ thể này, thể hiện mô hình phản ứng tương tự của các tế bào trong môi trường mới hoặc quen thuộc. Điều này cho thấy rằng sự biểu hiện của các bản đồ không gian độc lập với độ dẻo của não (Kentrol et al., 1998). Những kết quả này sẽ hỗ trợ cho giả thuyết rằng các hệ thống định vị độc lập với việc học.

Bất chấp tất cả, sử dụng logic, các cơ chế của dẻo não phải rõ ràng cần thiết cho sự ổn định trong bộ nhớ của các bản đồ được hình thành gần đây. Và, nếu không phải như vậy, thì việc sử dụng trải nghiệm mà người ta hình thành bằng cách đi bộ trên đường phố của anh ta là gì? Không phải chúng ta luôn có cảm giác rằng đây là lần đầu tiên chúng ta bước vào nhà sao? Tôi tin rằng, cũng như nhiều lần khác, các giả thuyết bổ sung nhiều hơn so với vẻ ngoài của chúng và, theo một cách nào đó, mặc dù có một chức năng bẩm sinh của các chức năng này, độ dẻo có vai trò trong việc duy trì các bản đồ không gian này trong bộ nhớ .

Mạng, địa chỉ và các ô cạnh

Thật là trừu tượng khi nói về các tế bào vị trí và có thể nhiều người đọc đã ngạc nhiên rằng cùng một khu vực não tạo ra các ký ức phục vụ chúng ta, có thể nói, GPS. Nhưng chúng tôi vẫn chưa hoàn thành và điều tốt nhất vẫn chưa đến. Bây giờ hãy uốn xoăn thật sự. Ban đầu, người ta cho rằng điều hướng không gian sẽ phụ thuộc hoàn toàn vào vùng hải mã khi người ta thấy rằng các cấu trúc liền kề như vỏ não cho thấy sự kích hoạt rất yếu như là một chức năng của không gian (Frank et al., 2000).

Tuy nhiên, trong các nghiên cứu này, hoạt động ở các vùng bụng của vỏ não được ghi lại và trong các nghiên cứu sau đó, các vùng lưng được ghi lại, có số lượng kết nối nhiều hơn với đồi hải mã (Fyhn et al., 2004). Vậy thì nó đã được quan sát thấy rằng nhiều tế bào của khu vực này bắn tùy thuộc vào vị trí, tương tự như hải mã . Cho đến nay họ dự kiến sẽ tìm thấy kết quả nhưng khi họ quyết định tăng diện tích họ sẽ đăng ký vào vỏ não, họ đã có một bất ngờ: trong số các nhóm tế bào thần kinh được kích hoạt tùy thuộc vào không gian bị động vật chiếm giữ, có vẻ như chúng không phải là vùng im lặng kích hoạt-. Khi các khu vực cho thấy kích hoạt hầu như được nối, các mẫu được quan sát dưới dạng hình lục giác hoặc hình tam giác. Họ gọi những tế bào thần kinh của vỏ não là "tế bào đỏ".

Khi các tế bào màu đỏ được phát hiện, có thể giải quyết câu hỏi về cách các tế bào được hình thành. Có các tế bào đặt nhiều kết nối của các tế bào mạng, không có lý khi nghĩ rằng chúng được hình thành từ chúng. Tuy nhiên, một lần nữa, mọi thứ không đơn giản như vậy và bằng chứng thực nghiệm chưa xác nhận giả thuyết này. Các mẫu hình học hình thành các tế bào mạng chưa thể được giải thích.

Hệ thống định vị không bị giảm xuống vùng hải mã

Sự phức tạp không kết thúc ở đây. Thậm chí ít hơn khi người ta đã thấy rằng các hệ thống điều hướng không bị giảm xuống vùng hải mã. Điều này đã giúp mở rộng giới hạn nghiên cứu sang các vùng não khác, do đó khám phá ra các loại tế bào khác liên quan đến các tế bào tại chỗ: Tế bào lái và tế bào cạnh .

Các tế bào chỉ đạo sẽ mã hóa hướng mà đối tượng di chuyển và sẽ được định vị trong nhân vây lưng của não. Mặt khác, các tế bào cạnh là các tế bào làm tăng tốc độ bắn của chúng khi đối tượng tiếp cận giới hạn của một không gian nhất định và có thể được tìm thấy trong khu vực đặc trưng của tiểu vùng đồi hải mã. Chúng tôi sẽ cung cấp một ví dụ đơn giản hóa trong đó chúng tôi sẽ cố gắng tóm tắt chức năng của từng loại tế bào:

Hãy tưởng tượng rằng bạn đang ở trong phòng ăn của nhà bạn và bạn muốn vào bếp. Vì bạn đang ở trong phòng ăn của nhà bạn, bạn sẽ có một phòng giam sẽ kích hoạt trong khi bạn ở trong phòng ăn, nhưng vì bạn muốn vào bếp, bạn cũng sẽ có một tế bào phòng kích hoạt khác đại diện cho nhà bếp. Kích hoạt sẽ rõ ràng bởi vì ngôi nhà của bạn là một không gian mà bạn biết hoàn hảo và kích hoạt có thể được phát hiện cả trong các ô tại chỗ và trong mạng di động.

Bây giờ, bắt đầu đi về phía nhà bếp. Sẽ có một nhóm các ô địa chỉ cụ thể sẽ bắn và sẽ không thay đổi miễn là bạn duy trì một hướng cụ thể. Bây giờ, hãy tưởng tượng rằng để đi đến nhà bếp, bạn phải rẽ phải và băng qua một hành lang hẹp. Thời điểm bạn bật, các ô địa chỉ của bạn sẽ biết điều đó và một tập hợp các ô địa chỉ khác sẽ đăng ký hướng mà nó đã thực hiện để kích hoạt và các ô trước đó sẽ bị hủy kích hoạt.

Cũng hãy tưởng tượng rằng hành lang hẹp và bất kỳ chuyển động sai nào cũng có thể khiến bạn va vào tường, vì vậy các tế bào cạnh của bạn sẽ tăng tốc độ bắn của bạn. Bạn càng đến gần bức tường hành lang, tỷ lệ bắn càng cao sẽ hiển thị các ô cạnh của bạn. Hãy nghĩ về các tế bào cạnh như các cảm biến mà một số xe mới có và điều đó tạo ra tín hiệu rõ ràng khi bạn đang điều khiển đỗ xe. Các tế bào cạnh Chúng hoạt động theo cách tương tự với các cảm biến này, chúng càng va chạm càng nhiều tiếng ồn chúng tạo ra . Khi bạn đến nhà bếp, các tế bào vị trí của bạn sẽ cho bạn biết rằng nó đã đến một cách thỏa đáng và vì đó là một môi trường rộng hơn, các tế bào cạnh của bạn sẽ thư giãn.

Chúng ta hãy làm phức tạp mọi thứ

Thật tò mò khi nghĩ rằng bộ não của chúng ta có cách để biết vị trí của chúng ta. Nhưng vẫn còn một câu hỏi: Làm thế nào để chúng ta điều hòa bộ nhớ khai báo với điều hướng không gian trong vùng hải mã?, Đó là, làm thế nào để ký ức của chúng ta ảnh hưởng đến các bản đồ này? Hay đó có thể là những ký ức của chúng ta được hình thành từ những bản đồ này? Để cố gắng trả lời câu hỏi này, chúng ta phải suy nghĩ thêm một chút. Các nghiên cứu khác đã chỉ ra rằng các tế bào tương tự mã không gian, mà chúng ta đã nói, cũng mã hóa thời gian . Vì vậy, đã có cuộc nói chuyện về tế bào thời gian (Eichenbaum, 2014) sẽ mã hóa nhận thức về thời gian.

Điều đáng ngạc nhiên về vụ án là ngày càng có nhiều bằng chứng ủng hộ ý tưởng rằng các ô địa điểm giống như các ô thời gian . Sau đó, cùng một nơron sử dụng các xung điện giống nhau có thể mã hóa không gian và thời gian. Mối quan hệ giữa mã hóa thời gian và không gian trong cùng tiềm năng hành động và tầm quan trọng của chúng trong bộ nhớ vẫn còn là một bí ẩn.

Tóm lại: ý kiến cá nhân của tôi

Ý kiến của tôi về nó? Cởi áo choàng nhà khoa học của tôi, tôi có thể nói rằng con người đã quen với việc suy nghĩ về lựa chọn dễ dàng và chúng ta muốn nghĩ rằng bộ não nói cùng một ngôn ngữ mà chúng ta . Vấn đề là bộ não cung cấp cho chúng ta một phiên bản đơn giản hóa của thực tế mà chính anh ta xử lý. Theo cách tương tự như bóng của hang Plato. Vì vậy, giống như trong các rào cản vật lý lượng tử về những gì chúng ta hiểu khi thực tế bị phá vỡ, trong khoa học thần kinh, chúng ta phát hiện ra rằng trong não bộ khác với thế giới mà chúng ta nhận thức một cách có ý thức và chúng ta phải có một suy nghĩ rất cởi mở rằng mọi thứ không có Tại sao như chúng ta thực sự nhận thức chúng.

Điều duy nhất mà tôi rõ ràng là một thứ mà Antonio Damasio đã sử dụng để lặp lại rất nhiều trong các cuốn sách của mình: bộ não là một trình tạo bản đồ tuyệt vời . Có lẽ bộ não diễn giải thời gian và không gian theo cùng một cách để lập bản đồ ký ức của chúng ta. Và nếu bạn nghĩ rằng Einsten trong lý thuyết tương đối của mình, một trong những lý thuyết mà ông đưa ra là thời gian không thể hiểu được nếu không có không gian và ngược lại. Không còn nghi ngờ gì nữa, làm sáng tỏ những bí ẩn này là một thách thức, thậm chí còn hơn thế khi chúng là những khía cạnh khó nghiên cứu ở động vật.

Tuy nhiên, không nên nỗ lực cho các vấn đề này. Đầu tiên là sự tò mò. Nếu chúng ta nghiên cứu sự giãn nở của vũ trụ hoặc sóng hấp dẫn được ghi lại gần đây, tại sao chúng ta sẽ không nghiên cứu cách não bộ diễn giải thời gian và không gian? Và, thứ hai, nhiều bệnh lý thoái hóa thần kinh như bệnh Alzheimer có sự mất phương hướng không gian như là triệu chứng đầu tiên.Biết các cơ chế sinh lý thần kinh của mã hóa này, chúng ta có thể khám phá các khía cạnh mới sẽ giúp hiểu rõ hơn về quá trình bệnh lý của các bệnh này và, người biết, khám phá các mục tiêu dược lý hoặc phi dược lý mới.

Tài liệu tham khảo:

Eichenbaum H. 2014. Các tế bào thời gian ở vùng hải mã: một chiều mới để lập bản đồ ký ức. Thiên nhiên 15: 732-742
Frank LM, Brown EN, Wilson M. 2000. Mã hóa quỹ đạo ở vùng đồi thị và vỏ não. Thần kinh 27: 169-178.
Fyhn M, Molden S, Witter MP, Moser EI, Moser M-B. 2004. Biểu diễn không gian ở vỏ não. Khoa học 305: 1258-1264
Kentros C, Hargreaves E, Hawkins RD, Kandel ER, Shapiro M, Muller RV. 1998. Bãi bỏ sự ổn định lâu dài của các bản đồ tế bào vị trí vùng đồi thị mới bằng cách phong tỏa thụ thể NMDA. Khoa học 280: 2121-2126.
Công ty JD, Abbott LF. Năm 2011 mô đun sắp xếp lại hoạt động của tế bào lưới làm cơ sở cho ánh xạ hồi hải mã. J Neurosci 31: 9414-9425.
O'Keefe J, speakman A. 1987. Hoạt động đơn vị trong vùng đồi thị chuột trong một nhiệm vụ bộ nhớ không gian. Exp Brain Res 68: 1-27.
Scoville WB, Milner B (1957). Mất trí nhớ gần đây sau khi hồi hải mã song phương. J Neurol Neurosurg Tâm thần học 20: 11-21.