Връзката между паметта и мозъчната система за позициониране

Превод: Иван Бачев

Източник: www.quantamagazine.org/20141007-brains-positioning-system-linked-to-memory

 

Двете части на мозъчната навигационна система са приблизително аналогични на начина, по който функционират модерните GPS устройства. Координатни клетки в енториналната мозъчна кора помагат на индивида да установи координатите си, докато клетки за местоположение организират спомени за специфични локации. Активни изследвания проучват детайлите за това как координатните клетки и клетките за местоположение работят заедно.


РЕКЛАМА:

***

Google Maps, мощният онлайн инструмент за навигация, дължи успеха си на два ключови елемента: GPS, който изчислява дадена позиция на Земята, и детайлна карта, съдържаща информация, като например вашия домашен адрес, любим ресторант или магазина за закуски, край който минавате всеки ден на път за работа. Оказва се, че и мозъчната система за навигация работи по доста сходен начин. Тримата изследователи, отговорни за това откритие, получиха Нобелова награда за Физиология или Медицина през 2014.

Наградата бе съвместно присъдена на John O´Keefe, невролог към University College London и съпрузите May‐Britt и Edvard Moser – екип невролози към Norwegian University of Science and Technology, за техните изследвания на това как мозъкът навигира в пространството. През 1971 г. O´Keefe открива специални неврони, наречени клетки за местоположение, които се активират всеки път, когато животното е в определена локация. Скоро след това, семейство Moser идентифицира координатни клетки, за които се смята, че действат като система за локализиране, показвайки на животното неговата локация, независимо от външни сигнали. Въпреки че първо са открити в плъхове, и двата типа клетки са широко разпространени в мозъците на бозайниците, включително човешките.

Edvard и May-Britt Moser – снимка от Geir Mogen

Една удивителна особеност на тази система от координатни клетки и клетки за местоположение е, че вероятно кодира абстрактни свойства. “Истинският пробив е в разбирането на това, че тези клетки не просто реагират на сензорни сигнали, като например миризма по пода” – казва David Redish, невролог в University of Minnesota, Minneapolis. Вместо това, координатни клетки от тази вътрешна система за позициониране и клетките за местоположение, използват тази информация в комбинация с други сигнали, за да създадат усещане за място. Заедно те създават детайлна карта. “Разбирането на това как изграждаме тези карти е част от по-мащабна рамка в когнитивната наука – как изграждаме вътрешни модели” – казва Matthew Wilson, невролог в Massachusetts Institute of Technology.

Едно по-добро разбиране на техниките за картиране в мозъка би могло да доведе и до нови прозрения в други сфери на неврологията. “Има нещо фундаментално в това как свързваме памет и пространство”, казва Wilson. Вместо просто да формират нашия вътрешен GPS, клетките за местоположение и координатните клетки може би предоставят система за закотвяне на нашите спомени.

Усещане за място

Клетките за местоположение се намират в хипокампуса, който отдавна се приема за разпределителен център на паметта в мозъка. Премахвайки го, както се случило с известния пациент H.M., се заличава възможността мозъкът да формира нови спомени. Но откритието на O’Keefe показало, че хипокампусът е съществен и за навигацията.

O’Keefe записал импулсите на неврони от специфична част на хипокампуса на плъхове, докато те проучват открито пространство. Той открил, че отделни неврони се активират само тогава, когато плъхът е на определено място. Променяйки околната среда, той показал, че животното реагира не просто на сензорни сигнали. По-скоро невроните реагирали на някакво по-сложно чувство за локация.

John O’Keefe – снимка от David Bishop, UCL

В основополагаща книга, публикувана през 1978, O’Keefe и неговият съавтор Lynn Nadel, теоретизирали, че тази пространствена система може да има много по-широка роля. Вместо просто да предоставя списък с локации в координатна система, тя може би организира спомените на индивида според това къде те са възникнали. “Клетките за местоположение ползват координатната система и прилагат нещо към нея”, казва Redish. Затова, когато се върнете по празниците в бащината къща и седнете на трапезата, си припомняте любимия сладкиш от детството.

Оттогава, всички изследвания на хипокампуса са в отговор на тази книга, независимо дали даден експеримент ще потвърди или оспори хипотезите, изложени в нея, допълва Redish. “Така или иначе, тя промени всичко.”

Локализиране

Тридесет години по-късно, семейство Moser откриват система от клетки, за които се смята, че осигуряват пространствена информация на клетките за местоположение. Те проучвали отделни неврони в енториналния кортекс на плъх – област от мозъка, която се свързва с хипокампуса. Оставяли животните да се скитат в празно пространство и в определени моменти изследваният неврон се задействал. Картирайки точките по пода, където това се случвало, изследователите открили, че местата, където невроните се задействали, описват решетка от равностранни триъгълници. Подредбата била така добре изразена, че първоначално изследователите се усъмнили в неизправност на апаратурата.

 

“Фактът, че невроните се задействат в точно такава триъгълна подредба, бе просто безпрецедентен” – казва Jim Knierim, невролог в Johns Hopkins University – Baltimore, Md. Когато прочита публикацията през 2005, той споделя: “Знаех, че това ще бъде едно от най-важните открития в системната неврология”. Веднъж вече открити от семейство Moser, координатните клетки”  (невроните, които се задействат в този решетъчен модел) “ни предоставиха нов инструмент в изследването на GPS-частта на паметта”. (Въпреки че GPS е удобна метафора, учените смятат, че решетъчните клетки всъщност използват dead-reckoning система за локализация, за да изчислят локацията.)

Модел на ефективност

Шестоъгълен патерн – Olena Shmahalo/Quanta Magazine

 

Шестоъгълният модел на подредба при активирането на координатните клетки се забелязва на много места в природата – от пчелните пити през химичната структура на бензена до добре запълнената щайга с ябълки. Това е един наистина ефективен начин за подреждане (пчелите ползват шестоъгълници в питите, за да минимизират количеството използван восък). В системата от координатните клетки, шестоъгълникът не е физичен обект. По-скоро това е организацията на пространство, която кодира информация най-ефикасно. “Това е оптимален начин да се компресират данните”, казва Marianne Hafting Fyhn, невролог в University of Oslo – Norway и бивш студент на семейство Moser. Изследователите не са сигурни защо координатните клетки ползват шестоъгълници, но шестоъгълният принцип на организация привлякъл и вниманието на биоинформатиците, които се опитват да разберат как точно се генерира тази решетка.

Любопитно откритие е, че координатните клетки могат да функционират при пълна тъмнина, в отсъствие на всякакви визуални сигнали. “Това би трябвало да отразява някакви вътрешномозъчни динамики, които в известен смисъл са независими от външно доловени сигнали” , казва Knierim.

 

Декодиране на Мозъка

Учените все още не са напълно наясно как точно съзнанието изгражда пространствените си карти и как ги използва за навигация. Но може да се окаже, че трудът на O’Keefe и семейство Moser, всъщност хвърля светлина не само върху мозъчната система за навигация. Изследователите могат лесно да измерват невронната активност и локация в пространството, така че невролозите използват клетките за местоположение и координатните клетки, за да изучават различни въпроси.

Например, изследователите искат да разберат повече за това как мозъкът кодира информация за света в електрически сигнали и как интегрира нова информация, докато тези сигнали преминават от един регион на мозъка в друг. “Ако искаме да разберем как мозъкът обработва информация, трябва да знаем каква трансформация се извършва при преминаването й от една част на мозъка в друга”, казва Knierim. “Какви правила преобразуват дадена информация от област А към информация в област Б?” Процесът, при който координатни клетки изпращат информация към клетките за местоположение в хипокампуса, позволява на изследователите да проучат този въпрос.

Учени също са използвали клетки за местоположение, за да разберат повече за паметта. Докато плъх преминава лабиринт, се активира специфична поредица от клетки за местоположение. Поредицата се повтаря, когато плъхът заспива; изследователите смятат, че това повторение помага на плъха да прехвърли спомена за лабиринта от хипокампуса, за дългосрочно съхранение.

По-скорошни изследвания върху съня дават основание да се смята, че плъхът ще повтори същия модел, когато отново е в лабиринта и трябва да вземе решение за това накъде да поеме. Това може да означава, че плъхът се обръща към спомени за лабиринта, докато обмисля кой би бил най-удачният път. “Знаем, че плъховете могат да извършват мислени пътувания във времето” – казва Redish, докато преживяват отново минали събития. “Това може да се обясни единствено благодарение на клетките за местоположение.”

Много изследователи смятат, че памет и пространството са дори по-тясно обвързани. В популярен трик за запаметяване на речи, използван още в древна Гърция, ораторът си представя познат път през града и свързва мислено част от речта си със специфично място по пътя. Тази мнемоника може несъзнателно да разкрие факта, че хипокампусът кодира информация както за локацията, така и за автобиографични спомени. “Просто се получава така, че пространството е един добър начин за организиране на преживявания” – казва Wilson.

 

 


Европейска нощ на учените 2022 г.: