Το σύστημα εντοπισμού θέσης του εγκεφάλου συνδέεται με τη μνήμη

Το Google Maps, το ισχυρό διαδικτυακό εργαλείο χαρτογράφησης, οφείλει την επιτυχία του σε δύο βασικά στοιχεία:το GPS, το οποίο υπολογίζει μια θέση στην επιφάνεια της Γης και έναν εξαντλητικό χάρτη που περιέχει πληροφορίες όπως η διεύθυνση του σπιτιού σας, το αγαπημένο σας εστιατόριο και το κατάστημα ντόνατ περάστε στο δρόμο για τη δουλειά. Αποδεικνύεται ότι το σύστημα πλοήγησης του εγκεφάλου λειτουργεί σχεδόν με τον ίδιο τρόπο. Οι τρεις ερευνητές που είναι υπεύθυνοι για αυτήν την ανακάλυψη κέρδισαν το Νόμπελ Φυσιολογίας ή Ιατρικής 2014.

Το βραβείο απονεμήθηκε από κοινού στον John O´Keefe, νευροεπιστήμονα στο University College του Λονδίνου, και τους May‐Britt και Edvard Moser, ένα παντρεμένο ζευγάρι και ομάδα νευροεπιστημών στο Νορβηγικό Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας, για την έρευνά τους σχετικά με το πώς ο εγκέφαλος πλοηγείται. χώρος. Το 1971, ο O'Keefe ανακάλυψε ειδικούς νευρώνες που ονομάζονται κύτταρα τόπου, οι οποίοι πυροδοτούνται κάθε φορά που ένα ζώο βρίσκεται σε μια συγκεκριμένη τοποθεσία. Πιο πρόσφατα, οι Mosers αναγνώρισαν κύτταρα πλέγματος, τα οποία πιστεύεται ότι λειτουργούν σαν ένα σύστημα υπολογισμού νεκρών, λέγοντας στο ζώο τη θέση του ανεξάρτητα από εξωτερικές ενδείξεις. Αν και ανακαλύφθηκαν για πρώτη φορά σε αρουραίους, και τα δύο είδη κυττάρων είναι ευρέως διαδεδομένα στους εγκεφάλους των θηλαστικών, συμπεριλαμβανομένων των εγκεφάλων των ανθρώπων.

Ένα εντυπωσιακό χαρακτηριστικό αυτού του συστήματος κελιών πλέγματος και θέσης είναι ότι φαίνεται να κωδικοποιεί αφηρημένες ιδιότητες. «Η μεγάλη ανακάλυψη είναι ότι αυτά τα κύτταρα δεν ανταποκρίνονται μόνο σε αισθητηριακές ενδείξεις, όπως μια μυρωδιά στο έδαφος», δήλωσε ο Ντέιβιντ Ρέντις, νευροεπιστήμονας στο Πανεπιστήμιο της Μινεσότα στη Μινεάπολη. Αντίθετα, τα κελιά πλέγματος σχηματίζουν ένα εσωτερικό σύστημα εντοπισμού θέσης και τα κελιά τόπου χρησιμοποιούν αυτές τις πληροφορίες μαζί με άλλες ενδείξεις για να δημιουργήσουν μια αίσθηση του τόπου. Μαζί, δημιουργούν έναν πλούσιο χάρτη. "Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο χτίζουμε αυτούς τους χάρτες είναι μέρος ενός ευρύτερου πλαισίου γνωστικής επιστήμης - πώς χτίζουμε εσωτερικά μοντέλα;" είπε ο Μάθιου Γουίλσον, νευροεπιστήμονας στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης.

Η καλύτερη κατανόηση της τεχνικής χαρτογράφησης του εγκεφάλου μπορεί επίσης να οδηγήσει σε νέες ιδέες σε άλλους τομείς της νευροεπιστήμης. Για παράδειγμα, «υπάρχει κάτι θεμελιώδες σχετικά με το πώς συνδέουμε τη μνήμη και τον χώρο», είπε ο Wilson. Αντί να διαμορφώνουμε απλώς το εσωτερικό μας GPS, τα κελιά θέσης και τα κελιά πλέγματος ενδέχεται να παρέχουν ένα σύστημα αγκύρωσης των αναμνήσεων μας.

Αίσθηση του τόπου

Τα κύτταρα του τόπου βρίσκονται στον ιππόκαμπο, ο οποίος από καιρό θεωρείται ο κόμβος μνήμης του εγκεφάλου. Η αφαίρεσή του, όπως συνέβη με τον διάσημο ασθενή H.M., εξαφανίζει την ικανότητα του εγκεφάλου να σχηματίζει νέες αναμνήσεις. Αλλά η ανακάλυψη του O'Keefe έδειξε ότι ο ιππόκαμπος είναι επίσης απαραίτητος για την πλοήγηση.

Ο O'Keefe κατέγραψε τα ερεθίσματα από νευρώνες σε ένα συγκεκριμένο τμήμα του ιππόκαμπου σε αρουραίους καθώς εξερευνούσαν έναν ανοιχτό χώρο. Ανακάλυψε ότι μεμονωμένοι νευρώνες πυροδοτούνταν μόνο όταν ο αρουραίος βρισκόταν σε ένα συγκεκριμένο σημείο. Με την αλλαγή του περιβάλλοντος περιβάλλοντος, έδειξε ότι το ζώο δεν ανταποκρινόταν απλώς σε αισθητηριακές ενδείξεις. Αντίθετα, οι νευρώνες ανταποκρίνονταν σε μια πιο περίπλοκη αίσθηση τοποθεσίας

Σε ένα σημαντικό βιβλίο που δημοσιεύτηκε το 1978, ο O'Keefe και η συν-συγγραφέας του, Lynn Nadel, θεώρησαν ότι αυτό το χωρικό σύστημα μπορεί να έχει έναν πολύ ευρύτερο ρόλο. Αντί να παρέχει απλώς μια λίστα τοποθεσιών σε ένα σύστημα συντεταγμένων, μπορεί να οργανώσει τις μνήμες ενός ατόμου ανάλογα με το πού εμφανίστηκαν. «Τα κελιά του τόπου παίρνουν το σύστημα συντεταγμένων και προσαρτούν κάτι σε αυτό», είπε ο Redish. Έτσι, όταν κάθεστε στο τραπέζι της κουζίνας στο παιδικό σας σπίτι, ίσως θυμηθείτε την αγαπημένη σας μηλόπιτα από το παρελθόν των Ευχαριστιών.

Όλη η έρευνα στον ιππόκαμπο έκτοτε ανταποκρίνεται σε αυτό το βιβλίο, είτε ένα πείραμα συμφωνούσε είτε αμφισβήτησε τις υποθέσεις που έθεσε, είπε ο Redish. "Είτε έτσι είτε αλλιώς, άλλαξε τα πάντα."

Dead Reckoning

Τρεις δεκαετίες αργότερα, οι Mosers ανακάλυψαν ένα σύστημα κυττάρων που πιστεύεται ότι παρέχουν χωρικές πληροφορίες για να τοποθετήσουν κύτταρα. Ανίχνευσαν μεμονωμένους νευρώνες μέσα στον ενδορινικό φλοιό των αρουραίων, μια περιοχή του εγκεφάλου που συνδέεται με τον ιππόκαμπο. Στη συνέχεια αφήνουν τα ζώα να τρέχουν γύρω από έναν κενό χώρο. Περιστασιακά, ο νευρώνας στόχος πυροδοτούσε. Χαρτογραφώντας τα σημεία στο πάτωμα όπου συνέβη αυτό, οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι τα σημεία όπου εκτοξεύτηκαν οι νευρώνες χαρτογράφησαν ένα πλέγμα ισόπλευρων τριγώνων. Η διάταξη ήταν τόσο καλά καθορισμένη που οι ερευνητές υποψιάστηκαν αρχικά μια δυσλειτουργία του εξοπλισμού.

«Το γεγονός ότι πυροβόλησαν σε αυτή την ακριβή τριγωνική διάταξη ήταν απλώς άνευ προηγουμένου», είπε ο Jim Knierim, νευροεπιστήμονας στο Πανεπιστήμιο Johns Hopkins στη Βαλτιμόρη, Md. Μόλις ο Knierim διάβασε την εφημερίδα το 2005, «ήξερα ότι θα γινόταν ένα από τα πιο σημαντικά ευρήματα στη νευροεπιστήμη συστημάτων», είπε. «Μόλις οι Μόζερ ανακάλυψαν κύτταρα πλέγματος» - τους νευρώνες που πυροβολούσαν στο μοτίβο του πλέγματος - «είχαμε μια νέα λαβή στο τμήμα GPS του συστήματος [μνήμης]». (Ενώ το GPS είναι μια βολική μεταφορά, οι επιστήμονες πιστεύουν ότι τα κύτταρα πλέγματος χρησιμοποιούν στην πραγματικότητα ένα σύστημα νεκρού υπολογισμού για τον υπολογισμό της τοποθεσίας.)

Μια ενδιαφέρουσα ανακάλυψη είναι ότι τα κύτταρα πλέγματος μπορούν να λειτουργούν σε απόλυτο σκοτάδι, χωρίς οπτικά σημάδια. «Αυτό πρέπει να αντανακλά κάποιες εσωτερικές δυναμικές του εγκεφάλου που είναι κατά κάποιο τρόπο ανεξάρτητες από την εξωτερική αισθητηριακή είσοδο», είπε ο Knierim. "Αυτός είναι ένας λόγος που είναι τόσο εκπληκτικός - μας δίνει ένα παράθυρο για την κατανόηση της εσωτερικής επεξεργασίας."

Αποκωδικοποίηση του εγκεφάλου

Οι επιστήμονες δεν γνωρίζουν ακόμη πώς ακριβώς κατασκευάζει το μυαλό τους χωρικούς χάρτες ή πώς χρησιμοποιούνται για πλοήγηση. Αλλά το έργο του O'Keefe και των Mosers θα μπορούσε τελικά να φωτίσει πολύ περισσότερα από το σύστημα πλοήγησης του εγκεφάλου. Οι ερευνητές μπορούν εύκολα να μετρήσουν τη νευρική δραστηριότητα και τη θέση στο διάστημα, επομένως οι νευροεπιστήμονες χρησιμοποιούν κύτταρα τόπου και κύτταρα πλέγματος για να μελετήσουν μια ποικιλία ερωτήσεων.

Για παράδειγμα, οι ερευνητές θέλουν να μάθουν περισσότερα για το πώς ο εγκέφαλος κωδικοποιεί πληροφορίες για τον κόσμο σε ηλεκτρικά σήματα και πώς ενσωματώνει νέες πληροφορίες καθώς αυτά τα σήματα μετακινούνται από περιοχή σε περιοχή στον εγκέφαλο. «Αν θέλουμε να κατανοήσουμε την επεξεργασία του εγκεφάλου, πρέπει να γνωρίζουμε τι μετασχηματισμός συμβαίνει από το ένα μέρος του εγκεφάλου στο άλλο», είπε ο Knierim. «Ποιοι κανόνες μετατρέπουν πληροφορίες από την περιοχή Α σε πληροφορία στην περιοχή Β;» Η διαδικασία με την οποία τα κύτταρα πλέγματος στέλνουν πληροφορίες για να τοποθετήσουν κύτταρα στον ιππόκαμπο επιτρέπει στους ερευνητές να διερευνήσουν αυτό το ερώτημα.

Οι επιστήμονες έχουν χρησιμοποιήσει επίσης κύτταρα τόπου για να μάθουν περισσότερα για τη μνήμη. Καθώς ένας αρουραίος τρέχει μέσα από έναν λαβύρινθο, μια συγκεκριμένη ακολουθία κυψελών του τόπου πυροδοτείται. Η σειρά επαναλαμβάνεται αφού ο αρουραίος πάει για ύπνο. Οι ερευνητές πιστεύουν ότι αυτή η επανάληψη βοηθά στη μεταφορά της μνήμης του λαβύρινθου του αρουραίου από τον ιππόκαμπο σε μακροπρόθεσμη αποθήκευση.

Πιο πρόσφατες μελέτες ύπνου υποδεικνύουν ότι ο αρουραίος θα ξαναπαίξει το ίδιο μοτίβο όταν βρεθεί ξανά στον λαβύρινθο και πρέπει να αποφασίσει για το πού θα πάει στη συνέχεια. Αυτό μπορεί να υποδηλώνει ότι ο αρουραίος έχει πρόσβαση στις αναμνήσεις του λαβύρινθου καθώς σκέφτεται το καλύτερο μονοπάτι. «Γνωρίζουμε ότι οι αρουραίοι μπορούν να κάνουν διανοητικά ταξίδια στο χρόνο», είπε ο Ρέντις, καθώς ξαναζούν γεγονότα του παρελθόντος. "Μπορούμε να το γνωρίζουμε μόνο λόγω κελιών τοποθεσιών."

Πολλοί ερευνητές πιστεύουν ότι η μνήμη και ο χώρος συνδέονται ακόμη πιο περίπλοκα. Σε ένα δημοφιλές τέχνασμα για την ανάμνηση ομιλιών, που χρονολογείται από την αρχαία Ελλάδα, ο ρήτορας θυμάται ένα οικείο μονοπάτι μέσα από μια πόλη και επισυνάπτει ένα τμήμα της ομιλίας σε κάθε θέση κατά μήκος του μονοπατιού. Αυτό το μνημονικό μπορεί άθελά του να εκμεταλλευτεί το γεγονός ότι ο ιππόκαμπος κωδικοποιεί τόσο πληροφορίες τοποθεσίας όσο και αυτοβιογραφικές αναμνήσεις. "Τυχαίνει ο χώρος να είναι ένας καλός τρόπος οργάνωσης εμπειριών", είπε ο Wilson.