Komórka siatki
Komórka siatki to rodzaj neuronu w korze śródwęchowej , który odpala w regularnych odstępach czasu, gdy zwierzę porusza się po otwartej przestrzeni, umożliwiając mu zrozumienie swojej pozycji w przestrzeni poprzez przechowywanie i integrowanie informacji o lokalizacji, odległości i kierunku. Komórki siatkowe znaleziono u wielu zwierząt, w tym szczurów , myszy , nietoperzy , małp i ludzi.
Komórki siatkowe zostały odkryte w 2005 roku przez Edvarda Mosera , May-Britt Moser i ich uczniów Torkela Haftinga, Marianne Fyhn i Sturlę Molden w Centre for the Biology of Memory (CBM) w Norwegii. Wraz z Johnem O'Keefe otrzymali w 2014 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny za odkrycie komórek, które tworzą system pozycjonowania w mózgu. Układ przestrzennych pól wystrzeliwujących, wszystkie w równych odległościach od sąsiadów, doprowadził do hipotezy, że komórki te kodują neuronową reprezentację przestrzeni euklidesowej . Odkrycie zasugerowało również mechanizm dynamicznego obliczania własnej pozycji w oparciu o stale aktualizowane informacje o pozycji i kierunku.
Aby wykryć aktywność komórek siatki w typowym eksperymencie na szczurach, elektrodę , która może rejestrować aktywność pojedynczego neuronu, wszczepia się w grzbietowo-przyśrodkowej korze śródwęchowej i zbiera zapisy, gdy szczur porusza się swobodnie na otwartej arenie. Otrzymane dane można wizualizować, zaznaczając pozycję szczura na mapie areny za każdym razem, gdy neuron wyzwala potencjał czynnościowy . Znaki te gromadzą się w czasie, tworząc zestaw małych klastrów, które z kolei tworzą wierzchołki siatki trójkątów równobocznych. Regularny wzór trójkąta odróżnia komórki siatki od innych typów komórek, które wykazują odpalanie przestrzenne. Natomiast jeśli A Komórka miejsca z hipokampu szczura jest badana w ten sam sposób, wtedy ślady będą często tworzyły tylko jedno skupienie (jedno „pole miejsca”) w danym środowisku, a nawet gdy widać wiele skupień, nie ma zauważalnej prawidłowości w ich rozmieszczeniu .
Tło odkrycia
W 1971 roku John O'Keefe i Jonathon Dostrovsky donieśli o odkryciu komórek miejsca w hipokampie szczura — komórek, które wyzwalają potencjał czynnościowy, gdy zwierzę przechodzi przez określony mały obszar przestrzeni, który nazywa się polem miejsca komórki. To odkrycie, choć początkowo kontrowersyjne, doprowadziło do serii badań, których kulminacją była publikacja w 1978 roku książki O'Keefe i jego kolegi Lynn Nadel zatytułowanej The Hippocampus as a Cognitive Map (wyrażenie, które pojawiło się również w tytule artykułu z 1971 r.) - w książce argumentowano, że hipokampowa sieć neuronowa tworzy instancje map poznawczych , zgodnie z hipotezą psychologa Edwarda C. Tolmana . Teoria ta wzbudziła duże zainteresowanie i zmotywowała setki badań eksperymentalnych, których celem było wyjaśnienie roli hipokampa w pamięci przestrzennej i nawigacji przestrzennej.
Ponieważ kora śródwęchowa zapewnia zdecydowanie największy wkład do hipokampa, wyraźnie ważne było zrozumienie przestrzennych właściwości odpalania neuronów śródwęchowych. Najwcześniejsze badania, takie jak Quirk i in. (1992) opisali neurony w korze śródwęchowej jako mające stosunkowo duże i rozmyte pola miejsc. Mosers uważali jednak, że możliwe jest uzyskanie innego wyniku, gdyby nagrania zostały wykonane z innej części kory śródwęchowej. Kora śródwęchowa to pasek tkanki biegnący wzdłuż tylnej krawędzi mózgu szczura od strony brzusznej do grzbietowej. Badania anatomiczne wykazały, że różne sektory kory śródwęchowej wystają na różne poziomy hipokampa: grzbietowy koniec EC wystaje na grzbietowy hipokamp, a brzuszny koniec na hipokamp brzuszny. Było to istotne, ponieważ kilka badań wykazało, że komórki miejsca w hipokampie grzbietowym mają znacznie ostrzejsze pola miejsca niż komórki z bardziej brzusznych poziomów. Jednak każde badanie aktywności przestrzennej śródwęchowej przed 2004 rokiem wykorzystywało elektrody wszczepiane w pobliżu brzusznego końca EC. W związku z tym, wraz z Marianne Fyhn, Sturlą Molden i Menno Witterem, Moserowie postanowili zbadać przestrzenne wyładowania z różnych poziomów kory śródwęchowej od grzbietowej do brzusznej. Odkryli, że w grzbietowej części przyśrodkowej kory śródwęchowej (MEC) komórki miały ostro określone pola miejsca, jak w hipokampie, ale komórki strzelały w wielu miejscach. Układ pól wypalania wykazywał oznaki regularności, ale rozmiar środowiska był zbyt mały, aby okresowość przestrzenna była widoczna w tym badaniu.
Kolejny zestaw eksperymentów, zgłoszony w 2005 roku, wykorzystywał większe środowisko, co doprowadziło do rozpoznania, że komórki faktycznie strzelały w sześciokątny wzór siatki. Badanie wykazało, że komórki na podobnych poziomach MEC od strony grzbietowej do brzusznej miały podobne odstępy między siatkami i orientację siatki, ale faza siatki (przesunięcie wierzchołków siatki względem osi x i y) wydawała się być losowo rozłożona między komórkami. Okresowy wzór odpalania był wyrażany niezależnie od konfiguracji punktów orientacyjnych, w ciemności, jak również w obecności widocznych punktów orientacyjnych oraz niezależnie od zmian prędkości i kierunku zwierzęcia, co skłoniło autorów do zasugerowania, że komórki siatki wyrażają dynamikę zależną od integracji ścieżki obliczanie lokalizacji zwierzęcia.
Za odkrycie komórek siatkowych May-Britt Moser i Edvard Moser otrzymali w 2014 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny wraz z Johnem O'Keefe.
Nieruchomości
Komórki siatkowe to neurony, które aktywują się, gdy swobodnie poruszające się zwierzę przechodzi przez zestaw małych obszarów (pola wystrzeliwania), które są mniej więcej równej wielkości i ułożone w okresowy trójkątny układ obejmujący całe dostępne środowisko. Komórki z tym wzorcem odpalania znaleziono we wszystkich warstwach grzbietowo-ogonowej przyśrodkowej kory śródwęchowej (dMEC), ale komórki w różnych warstwach różnią się pod innymi względami. Warstwa II zawiera największą gęstość czystych komórek siatki, w tym sensie, że strzelają jednakowo niezależnie od kierunku, w którym zwierzę przemierza lokalizację siatki. Komórki siatki z głębszych warstw przeplatają się z komórkami koniunkcyjnymi i komórki kierunku głowy (tj. w warstwach III, V i VI znajdują się komórki z wzorem przypominającym siatkę, które zapalają się tylko wtedy, gdy zwierzę jest zwrócone w określonym kierunku).
Komórki siatki, które leżą obok siebie (tj. komórki zarejestrowane z tej samej elektrody) zwykle wykazują ten sam odstęp i orientację siatki, ale ich wierzchołki siatki są przesunięte względem siebie o pozornie przypadkowe przesunięcia. Jednak komórki zarejestrowane z oddzielnych elektrod w pewnej odległości od siebie często wykazują różne odstępy między siatkami. Komórki, które znajdują się bardziej brzusznie (to znaczy dalej od grzbietowej granicy MEC) generalnie mają większe pola strzelania w każdym wierzchołku siatki i odpowiednio większe odstępy między wierzchołkami siatki. Całkowity zakres odstępów między siatkami nie jest dobrze ustalony: wstępny raport opisywał mniej więcej dwukrotny zakres odstępów między siatkami (od 39 cm do 73 cm) w prawie grzbietowej części (górne 25%) MEC, ale istnieją przesłanki wskazujące na znacznie większy łuski siatki w bardziej brzusznych strefach. Brun i in. (2008) zarejestrowali komórki siatki z wielu poziomów u szczurów biegnących wzdłuż 18-metrowego toru i odkryli, że odstępy między siatkami rozszerzyły się z około 25 cm w ich najbardziej grzbietowych miejscach do około 3 m w najbardziej brzusznych miejscach. Te nagrania rozciągały się tylko na 3/4 drogi do wierzchołka brzusznego, więc możliwe jest, że istnieją jeszcze większe siatki. Wykazano, że takie wieloskalowe reprezentacje są teoretycznie pożądane.
Aktywność komórek siatki nie wymaga danych wizualnych, ponieważ wzory siatki pozostają niezmienione, gdy wszystkie światła w otoczeniu są wyłączone. Jednak gdy obecne są wskazówki wizualne, wywierają one silną kontrolę nad wyrównaniem siatek: Obracanie karty wskazującej na ścianie cylindra powoduje obrót wzorów siatek o tę samą wartość. Wzory siatki pojawiają się przy pierwszym wejściu zwierzęcia do nowego środowiska i zwykle pozostają stabilne później. Kiedy zwierzę zostaje przeniesione do zupełnie innego środowiska, komórki siatki zachowują swoje odstępy między siatkami, a siatki sąsiednich komórek zachowują swoje względne przesunięcia.
Interakcje z komórkami miejsca hipokampa
Kiedy szczur jest przenoszony do innego środowiska, wzorce aktywności przestrzennej komórek hipokampa zwykle wykazują „całkowite odwzorowanie” — to znaczy, że wzór pól miejsca reorganizuje się w sposób, który nie wykazuje żadnego wykrywalnego podobieństwa do wzorca w oryginalnym środowisku. Jeśli jednak cechy środowiska zmienią się mniej radykalnie, wzór pola miejsca może wykazywać mniejszy stopień zmian, określany jako „ponowne mapowanie stawek” , w którym wiele komórek zmienia szybkość strzelania, ale większość komórek zachowuje pola miejsc w tych samych miejscach, co poprzednio. Zbadano to za pomocą jednoczesnych zapisów komórek hipokampa i śródwęchów i stwierdzono, że w sytuacjach, w których hipokamp wykazuje ponowne mapowanie szybkości, komórki siatki wykazują niezmienione wzorce odpalania, podczas gdy gdy hipokamp wykazuje całkowite ponowne mapowanie, wzorce odpalania komórek siatki wykazują nieprzewidywalne przesunięcia i rotacje.
Rytmiczność theta
Aktywność nerwowa w prawie każdej części układu hipokampa jest modulowana przez hipokampowy rytm theta , którego częstotliwość u szczurów wynosi około 6–9 Hz. Kora śródwęchowa nie jest wyjątkiem: podobnie jak hipokamp otrzymuje bodźce cholinergiczne i GABAergiczne z przyśrodkowego obszaru przegrody , centralnego kontrolera theta. Komórki siatkowe, podobnie jak komórki miejsca hipokampa, wykazują silną modulację theta. Komórki siatki z warstwy II MEC również przypominają komórki miejsca hipokampa, ponieważ wykazują precesję fazową — to znaczy, że ich aktywność szczytowa przechodzi od późnych do wczesnych faz cyklu theta, gdy zwierzę przechodzi przez wierzchołek siatki. Niedawny model aktywności komórek siatki wyjaśnił tę precesję fazową, zakładając obecność jednowymiarowej sieci atraktorów złożonej z komórek gwiaździstych. Większość komórek siatki z warstwy III nie ulega precesji, ale ich aktywność skokowa jest w dużej mierze ograniczona do połowy cyklu theta. Precesja fazy komórek siatki nie pochodzi z hipokampa, ponieważ nadal pojawia się u zwierząt, których hipokamp został inaktywowany przez agonistę GABA.
Możliwe funkcje
Wiele gatunków ssaków może śledzić lokalizację przestrzenną nawet przy braku wskazówek wzrokowych, słuchowych, węchowych lub dotykowych, integrując swoje ruchy - zdolność do tego jest określana w literaturze jako integracja ścieżki . Szereg modeli teoretycznych zbadało mechanizmy, za pomocą których integracja ścieżek może być przeprowadzana przez sieci neuronowe. W większości modeli, takich jak Samsonovich i McNaughton (1997) czy Burak i Fiete (2009), głównymi składnikami są (1) wewnętrzna reprezentacja pozycji, (2) wewnętrzne reprezentacje prędkości i kierunku ruchu oraz ( 3) mechanizm przesuwania zakodowanej pozycji o odpowiednią wartość, gdy zwierzę się porusza. Ponieważ komórki w MEC kodują informacje o pozycji (komórki siatki) i ruchu (komórki kierujące głową i połączone komórki pozycja po kierunku), obszar ten jest obecnie postrzegany jako najbardziej obiecujący kandydat na miejsce w mózgu, w którym następuje integracja ścieżki. Jednak kwestia pozostaje nierozwiązana, ponieważ u ludzi kora śródwęchowa nie wydaje się być wymagana do integracji ścieżki. Burak i Fiete (2009) wykazali, że symulacja obliczeniowa systemu komórek siatki była w stanie przeprowadzić integrację ścieżki z wysokim poziomem dokładności. Jednak nowsze prace teoretyczne sugerują, że komórki siatki mogą przeprowadzać bardziej ogólny proces odszumiania, niekoniecznie związany z przetwarzaniem przestrzennym.
Haftinga i in. (2005) zasugerowali, że kod miejsca jest obliczany w korze śródwęchowej i wprowadzany do hipokampa , co może tworzyć skojarzenia między miejscem a zdarzeniami, które są potrzebne do tworzenia wspomnień.
W przeciwieństwie do hipokampowej komórki miejsca , komórka siatki ma wiele pól strzelania w regularnych odstępach, które układają otoczenie w sześciokątny wzór. Unikalne właściwości komórek siatki są następujące:
- Komórki siatki mają pola rażenia rozproszone po całym środowisku (w przeciwieństwie do pól miejsc, które są ograniczone do określonych regionów środowiska)
- Pola strzeleckie są zorganizowane w sześciokątną siatkę
- Pola strzeleckie są na ogół równomiernie rozmieszczone, tak że odległość od jednego pola strzeleckiego do wszystkich sześciu sąsiednich pól strzeleckich jest w przybliżeniu taka sama (chociaż gdy zmienia się rozmiar środowiska, odstępy między polami mogą kurczyć się lub rozszerzać w różny sposób w różnych kierunkach; Barry i in. 2007)
- Pola strzeleckie są równomiernie rozmieszczone, tak że sześć sąsiednich pól jest rozmieszczonych co około 60 stopni
Komórki siatki są zakotwiczone w zewnętrznych punktach orientacyjnych, ale pozostają w ciemności, co sugeruje, że komórki siatki mogą być częścią mapy środowiska przestrzennego opartej na ruchu własnym.
Zobacz też
- Komórka brzegowa , odkryta w 2008 roku.