Νέες ενδείξεις για το πώς ο εγκέφαλος χαρτογραφεί τον χρόνο

Ο εγκέφαλός μας έχει μια εξαιρετική ικανότητα να παρακολουθεί το χρόνο. Ένας οδηγός μπορεί να κρίνει πόσο χρόνο απομένει για να τρέξει ένα κίτρινο φως. ένας χορευτής μπορεί να κρατήσει έναν ρυθμό μέχρι το χιλιοστό του δευτερολέπτου. Αλλά το πώς ακριβώς ο εγκέφαλος παρακολουθεί τον χρόνο είναι ακόμα ένα μυστήριο. Οι ερευνητές έχουν ορίσει τις περιοχές του εγκεφάλου που εμπλέκονται στην κίνηση, τη μνήμη, την έγχρωμη όραση και άλλες λειτουργίες, αλλά όχι αυτές που παρακολουθούν τον χρόνο. Πράγματι, ο νευρωνικός χρονομέτρης μας έχει αποδειχθεί τόσο άπιαστος που οι περισσότεροι επιστήμονες υποθέτουν ότι αυτός ο μηχανισμός είναι κατανεμημένος σε όλο τον εγκέφαλο, με διαφορετικές περιοχές να χρησιμοποιούν διαφορετικές οθόνες για να παρακολουθούν τον χρόνο ανάλογα με τις ανάγκες τους.

Τα τελευταία χρόνια, αρκετοί ερευνητές έχουν συγκεντρώσει αυξανόμενα στοιχεία ότι τα ίδια κύτταρα που παρακολουθούν τη θέση ενός ατόμου στο διάστημα σηματοδοτούν επίσης το πέρασμα του χρόνου. Αυτό υποδηλώνει ότι δύο περιοχές του εγκεφάλου - ο ιππόκαμπος και ο ενδορινικός φλοιός, και οι δύο φημισμένες για το ρόλο τους στη μνήμη και την πλοήγηση - μπορούν επίσης να λειτουργήσουν ως ένα είδος χρονομέτρου.

Σε έρευνα που δημοσιεύθηκε τον Νοέμβριο, ο Howard Eichenbaum, νευροεπιστήμονας στο Πανεπιστήμιο της Βοστώνης, και οι συνεργάτες του έδειξαν ότι τα κύτταρα σε αρουραίους που σχηματίζουν το εσωτερικό σύστημα GPS του εγκεφάλου, γνωστά ως κύτταρα πλέγματος, είναι πιο εύπλαστα από ό,τι αναμενόταν. Τυπικά αυτά τα κύτταρα λειτουργούν σαν ένα σύστημα καταμέτρησης νεκρών, με ορισμένους νευρώνες να πυροδοτούν όταν ένα ζώο βρίσκεται σε ένα συγκεκριμένο μέρος. (Οι ερευνητές που το ανακάλυψαν μοιράστηκαν το βραβείο Νόμπελ το 2014.) Ο Eichenbaum διαπίστωσε ότι όταν ένα ζώο κρατιέται στη θέση του - όπως όταν τρέχει σε διάδρομο - τα κύτταρα παρακολουθούν τόσο την απόσταση όσο και τον χρόνο. Η εργασία προτείνει ότι η αίσθηση του χώρου και του χρόνου του εγκεφάλου είναι αλληλένδετες.

Τα ευρήματα βοηθούν να διευρύνουμε την κατανόησή μας για το πώς λειτουργούν η μνήμη και τα συστήματα πλοήγησης του εγκεφάλου. Ίσως τόσο οι κυψέλες πλέγματος όσο και άλλες κυψέλες τύπου GPS να μην είναι συντονισμένες μόνο στο διάστημα, αλλά να είναι σε θέση να κωδικοποιήσουν οποιαδήποτε σχετική ιδιότητα:χρόνο, οσμή ή ακόμα και γεύση. «Πιθανότατα υποδεικνύει ένα ευρύ πράγμα που κάνει ο ιππόκαμπος», είπε η Λόρεν Φρανκ, νευροεπιστήμονας στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Σαν Φρανσίσκο, που μελετά τη μνήμη και τον ιππόκαμπο. "Εντοπίζει τον σχετικό άξονα για την κωδικοποίηση εμπειριών και στη συνέχεια χρησιμοποιεί τα κελιά για να χαρτογραφήσει αυτές τις εμπειρίες."

Αυτοί οι χάρτες με τη σειρά τους κατασκευάζουν ένα πλαίσιο για τη μνήμη, παρέχοντας ένα σύστημα οργάνωσης για την ατελείωτη σειρά των προηγούμενων εμπειριών μας. «Ο ιππόκαμπος είναι αυτός ο μεγάλος οργανωτής των αναμνήσεων στο χώρο και στο χρόνο», είπε ο Eichenbaum. "Παρέχει ένα χωροχρονικό πλαίσιο στο οποίο εφαρμόζονται άλλα γεγονότα."

Πλακάκια χρόνου

Για να μελετήσουν πώς ο ιππόκαμπος παρακολουθεί τον χρόνο, οι επιστήμονες εκπαιδεύουν τους αρουραίους να τρέχουν σε τροχό ή μικροσκοπικό διάδρομο. Αυτή η ρύθμιση κρατά σταθερά τη θέση και τη συμπεριφορά του ζώου, έτσι ώστε οι ερευνητές να μπορούν να επικεντρωθούν στα νευρικά σήματα που συνδέονται με τον χρόνο. (Οι αρουραίοι είναι πολύ νευριασμένοι για να κάθονται ακίνητοι, επομένως το τρέξιμο βοηθά στην τυποποίηση της συμπεριφοράς τους που συνήθως είναι σπασμωδική.) Ηλεκτρόδια που εμφυτεύονται βαθιά στον εγκέφαλο όταν ενεργοποιούνται διαφορετικά κύτταρα.

Στα πειράματα του Eichenbaum, ένας αρουραίος τρέχει στον διάδρομο για μια καθορισμένη περίοδο - ας πούμε, 15 δευτερόλεπτα - και στη συνέχεια παίρνει μια ανταμοιβή. Καθώς το ζώο επαναλαμβάνει τον κύκλο ξανά και ξανά, ο εγκέφαλός του μαθαίνει να παρακολουθεί αυτό το διάστημα των 15 δευτερολέπτων. Μερικοί νευρώνες πυροδοτούν σε ένα δευτερόλεπτο, άλλοι σε δύο δευτερόλεπτα και ούτω καθεξής, μέχρι να περάσουν τα 15 δευτερόλεπτα. «Κάθε κυψέλη θα πυροδοτηθεί σε διαφορετική χρονική στιγμή μέχρι να συμπληρώσει ολόκληρο το χρονικό διάστημα», είπε ο Eichenbaum. Ο κώδικας είναι τόσο ακριβής που οι ερευνητές μπορούν να προβλέψουν πόσο καιρό ένα ζώο βρίσκεται στον διάδρομο παρατηρώντας απλώς ποια κύτταρα είναι ενεργά. Η ομάδα του Eichenbaum έχει επίσης επαναλάβει το πείραμα, μεταβάλλοντας την ταχύτητα του διαδρόμου, για να βεβαιωθεί ότι τα κύτταρα δεν σημαδεύουν απλώς την απόσταση. (Μερικά από τα κελιά παρακολουθούν την απόσταση, αλλά μερικά φαίνεται να συνδέονται αποκλειστικά με το χρόνο.)

Αν και αυτοί οι νευρώνες, που ονομάζονται «χρονικά κύτταρα», είναι σαφώς ικανοί να σημειώνουν το χρόνο, δεν είναι ακόμα σαφές πώς το κάνουν. Τα κύτταρα συμπεριφέρονται μάλλον σαν χρονόμετρο — το ίδιο μοτίβο νευρικής δραστηριότητας επαναλαμβάνεται κάθε φορά που ξεκινάτε το ρολόι. Αλλά είναι πιο προσαρμόσιμα από ένα χρονόμετρο. Όταν οι ερευνητές αλλάζουν τις συνθήκες του πειράματος, για παράδειγμα, επεκτείνοντας τη διάρκεια λειτουργίας από 15 σε 30 δευτερόλεπτα, τα κύτταρα στον ιππόκαμπο δημιουργούν ένα νέο μοτίβο πυροδότησης για να καλύπτουν το νέο διάστημα. Είναι σαν να προγραμματίζετε το χρονόμετρο να ακολουθεί εντελώς διαφορετική χρονική κλίμακα.

Επιπλέον, τα χρονικά κελιά βασίζονται στο πλαίσιο. Σημαδεύουν μόνο την ώρα όταν το ζώο τίθεται σε μια κατάσταση στην οποία ο χρόνος είναι αυτό που έχει μεγαλύτερη σημασία. Όταν μπαίνουν στο παιχνίδι άλλες μεταβλητές, τα ίδια κελιά συμπεριφέρονται διαφορετικά. Επιτρέψτε σε έναν αρουραίο να εξερευνήσει ένα νέο περιβάλλον, για παράδειγμα, και αυτά τα ίδια κύτταρα θα χαρτογραφηθούν στο διάστημα. ένα συγκεκριμένο κελί θα πυροδοτεί κάθε φορά που το ζώο βρίσκεται σε μια συγκεκριμένη τοποθεσία αντί να το κάνει σε μια συγκεκριμένη ώρα.

The Brain’s Space-Time Matrix

Η εργασία του Eichenbaum συνδυάζεται με μια τάση 15 ετών στην έρευνα της νευροεπιστήμης που υποδηλώνει ότι ο ιππόκαμπος είναι πιο ευέλικτος από ό,τι περίμεναν οι επιστήμονες. Οι ερευνητές το θεωρούσαν παραδοσιακά ως χαρτογράφο - τα κύτταρα που κωδικοποιούν τοποθεσίες ανακαλύφθηκαν πριν από 40 χρόνια - αλλά όλο και περισσότερα στοιχεία δείχνουν ότι μπορεί να κωδικοποιήσει και άλλους τύπους πληροφοριών. Σύμφωνα με την πιο πρόσφατη εικόνα, τα κελιά μέρους μπορούν να αντιστοιχίσουν όχι μόνο τον χώρο αλλά και άλλες σχετικές μεταβλητές. Ο χρόνος είναι ένα από αυτά, αλλά άλλα είναι πιθανά. Για παράδειγμα, "ένας δοκιμαστής κρασιού μπορεί να έχει ένα χώρο με γεύσεις και μυρωδιές κρασιού", είπε ο Frank.

Αλλά πολλοί επιστήμονες εξακολουθούν να βλέπουν τον ιππόκαμπο ως μια σε μεγάλο βαθμό χωρική δομή. Σύμφωνα με το επιχείρημά τους, το νευρωνικό κύκλωμα εξελίχθηκε για να παρακολουθεί την τοποθεσία και οτιδήποτε άλλο καταγράφεται ακριβώς πάνω από αυτό. "Ο ιππόκαμπος παρέχει έναν κώδικα που έχει θεμελιώδη χωρική φύση", δήλωσε ο Bruce McNaughton, νευροεπιστήμονας στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Irvine.

Τα ευρήματα του Eichenbaum αμφισβητούν αυτή την άποψη, αλλά δεν την θάβουν. «Αυτό που είναι σίγουρα ξεκάθαρο είναι ότι τα κύτταρα του τόπου μπορούν να αντιπροσωπεύουν πληροφορίες πέρα ​​από τον τόπο», δήλωσε ο Ντέιβιντ Φόστερ, νευροεπιστήμονας στο Πανεπιστήμιο Τζονς Χόπκινς. "Αλλά αυτό που είναι λιγότερο σαφές είναι αν μπορούν να κωδικοποιήσουν για το καθαρό πέρασμα του χρόνου."

Στα πειράματα χρονομετρημένου διαδρόμου, οι αρουραίοι φαίνεται να κάνουν κάτι που μοιάζει πολύ με το μέτρημα. Αλλά αυτά τα κύτταρα σηματοδοτούν το ίδιο το πέρασμα του χρόνου ή ανταποκρίνονται σε κάτι άλλο που μοιάζει απλώς με το χρόνο; «Δεν γνωρίζουμε την κινητήρια αρχή που λέει στα κύτταρα να πυροδοτούν σε ένα συγκεκριμένο σημείο, αλλά δεν νομίζω ότι είναι ώρα», είπε η Eva Pastalkova, νευροεπιστήμονας στην ερευνητική πανεπιστημιούπολη Janelia του Ιατρικού Ινστιτούτου Howard Hughes στο Ashburn, Va. Δεν είναι αρκετά ακριβές. δεν είναι σαν να χτυπάνε τα ρολόγια.»

Ο György Buzsáki, ένας νευροεπιστήμονας στο Ινστιτούτο Νευροεπιστημών του Πανεπιστημίου της Νέας Υόρκης του οποίου το εργαστήριο έκανε μερικά από τα πρώτα πειράματα εξερεύνησης του τρόπου με τον οποίο ο ιππόκαμπος παρακολουθεί τον χρόνο, προτείνει ότι αντί να παρακολουθούν τον ίδιο τον χρόνο, αυτά τα κύτταρα κάνουν κάτι άλλο - θυμούνται μια διαδρομή μέσα από έναν λαβύρινθο ή σχεδιάζουν το η επόμενη κίνηση του ζώου. Τόσο οι αναμνήσεις όσο και τα μελλοντικά σχέδια ξετυλίγονται στο χρόνο, επομένως τα χρονικά κύτταρα μπορεί απλώς να αντικατοπτρίζουν αυτή τη νοητική δραστηριότητα.

«Αυτό είναι το νούμερο ένα πρόβλημα για μένα:Υπάρχουν αφοσιωμένοι νευρώνες στον εγκέφαλο που δεν κάνουν τίποτα άλλο από το να παρακολουθούν τον χρόνο;» είπε ο Μπουζάκι. "Ή μήπως όλοι οι νευρώνες έχουν λειτουργίες που συμβαίνουν με διαδοχική σειρά, οι οποίες για τον πειραματιστή μπορούν να μεταφραστούν σε χρόνο;"

Ο Buzsáki επισημαίνει ότι μπορεί να μην έχει καν νόημα να σκεφτόμαστε ότι τα κύτταρα του ιππόκαμπου κωδικοποιούν ανεξάρτητα τον χώρο ή τον χρόνο. Ο ανθρώπινος εγκέφαλος θεωρεί συχνά το χρόνο και την απόσταση εναλλακτικά. «Αν ρωτήσει κανείς πόσο απέχει η Νέα Υόρκη από το Λος Άντζελες, οι απαντήσεις που λαμβάνετε ποικίλλουν:3.000 μίλια, έξι ώρες με την πτήση», είπε. "Στην παλαιότερη γλώσσα, οι αποστάσεις δίνονταν συνήθως από τον χρόνο - τις ημέρες που χρειάζονται για να πάτε από τη μια κοιλάδα στην άλλη - καθώς δεν ήταν η απόσταση αλλά ο αριθμός των ηλιοβασιλέματος που ήταν εύκολο να υπολογιστεί."

Για τον Buzsáki, το ζήτημα ξεπερνά τη νευροεπιστήμη και φτάνει στη φυσική. Οι φυσικοί θεωρούν τον χωροχρόνο ως μια συνεκτική, τετραδιάστατη οντότητα, ένα ύφασμα πάνω στο οποίο είναι ενσωματωμένα τα αντικείμενα και τα γεγονότα του σύμπαντος. «Η νευροεπιστήμη πρέπει να συγκλίνει πίσω στο παλιό πρόβλημα της φυσικής:Υπάρχουν κύτταρα τόπου και χρόνου; Ή υπάρχει μόνο μια αναπαράσταση χρόνου-χώρου-συνέχειας στον εγκέφαλο;» είπε ο Buzsáki.

Χάρτες μνήμης

Ο Eichenbaum ασχολείται λιγότερο με αυτές τις αφηρημένες ερωτήσεις. Στόχος του είναι να αποσυμπιέσει τον ρόλο που παίζει ο χρόνος στη διαμόρφωση αναμνήσεων. «Όταν θυμάστε τι κάνατε σήμερα το πρωί, θυμάστε τα γεγονότα με τη σειρά με την οποία συνέβησαν», είπε. «Πώς ο ιππόκαμπος οργανώνει τις αναμνήσεις στο χρόνο;»

Τα άτομα με βλάβη στον ιππόκαμπο συχνά δεν μπορούν να δημιουργήσουν νέες αναμνήσεις - ο διάσημος ασθενής H.M., ο οποίος έκανε λοβοτομή για να αφαιρέσει μεγάλο μέρος αυτού του τμήματος του εγκεφάλου, συστηνόταν στον γιατρό του ξανά και ξανά κάθε μέρα. Αλλά αυτοί οι ασθενείς έχουν επίσης πρόβλημα να θυμηθούν τη σειρά των λέξεων ή των αντικειμένων που παρουσιάζονται σε ένα πείραμα. «Πώς υποστηρίζει ο ιππόκαμπος την ικανότητα να θυμόμαστε τη χρονική σειρά μιας ακολουθίας γεγονότων;» είπε ο Eichenbaum.

Ο Eichenbaum οραματίζεται τα χρονικά κελιά ως ένα χρονοδιάγραμμα στο οποίο συνδέονται διαδοχικά συμβάντα για να αναπαραστήσουν μια εμπειρία. Αν οι αναμνήσεις είναι ταινία, είπε, τα χρονικά κελιά είναι αυτά που βάζουν σε τάξη τα μεμονωμένα καρέ. Η ομάδα του σχεδιάζει πειράματα που θα διασπείρουν χρονικές καθυστερήσεις με διαφορετικά συμβάντα, για να δει πώς τα χρονικά κελιά τροποποιούν τον κώδικά τους για να θυμούνται τη σειρά με την οποία συνέβησαν τα γεγονότα. «Δεν νομίζω ότι ο ιππόκαμπος είναι ρολόι», είπε. "Αλλά χρησιμοποιεί ένα ρολόι για να χαρτογραφήσει πότε συνέβησαν πράγματα σε μια μνήμη για να τα κρατήσει σε τάξη."