私たちの脳のGPSのようなものです。

四月 2, 2024

新しい空間や未知の空間でのオリエンテーションと探索は、我々が最も頻繁に使用する認知機能の1つです。私たちはそれを使って私たちの家、近所で働くために私たちを案内します。

私たちが新しい未知の都市に旅行するとき、私たちはそれにも頼っています。私たちは運転してもそれを使用します。もし読者が、自分の向きや仲間の不注意の犠牲者になってしまった場合、彼は迷子になると非難し、車で回るように強制されます適切なルートで

それはオリエンテーションの失敗ではない、それは海馬のせいだ

これらはすべて、私たちをしばしば挫折させ、侮辱、叫び声、さまざまな行為で、私たちの方向や他人の秩序を呪うように導く状況です。さて、 今日私は方向の神経生理学的メカニズムに筆をつけます 、我々の 脳のGPS 私たちを理解する

私たちは具体的なことから始めます。それは、それが特定の地域での私たちの神経活動の産物でしかないので、私たちは方向を呪うべきではありません。したがって、私たちは海馬を呪うことから始めます。

脳構造としての海馬

進化的には、海馬は古代の構造であり、それは養殖の一部、すなわち、我々の種において系統発生的に古い構造である。解剖学的には、辺縁系の一部であり、扁桃体などの他の構造も見出される。辺縁系は、記憶、感情、学習、およびモチベーションの形態学的基質であると考えられている。

読者はおそらく心理学に慣れていれば、海馬は宣言的記憶の統合に必要な構造であることを知っているだろう。すなわち、私たちの経験やエピソードに関するエピソード内容の記憶、意味論（Nadel and O'Keefe、1972）。

これの証拠は、患者の頭部半球が取り除かれ、劇的な前庭健忘症を引き起こす患者、すなわち患者HMの大部分を保持していたにもかかわらず、新しい事実を覚えることができなかった患者HMの普及した症例に関する豊富な研究である操作の前からあなたの思い出の。このケースで深くしたい方には、HM患者を徹底的に研究したScoville and Millner（1957）の研究をお勧めします。

配置細胞：彼らは何ですか？

これまでのところ、私たちは何か新しいこと、あるいは驚くべきことは言わない。しかし、1971年、偶然、脳のナビゲーションシステムの研究の始まりを引き起こした事実が発見されました。 O'keeとJohn Dostrovskiは、頭蓋内電極を使用して、 ラットにおける海馬特異的ニューロンの活性を記録することができた 。これは、異なる行動テストを実施している間、動物は目を覚まし、意識があり、自由に動いている可能性を示した。

彼らが発見することを期待していなかったのは、ラットの領域に応じて選択的に反応するニューロンがあったということでした。それぞれの位置に特異的なニューロンがあったわけではありません（例えば、あなたの浴室にはニューロンはありません）が、CA1（海馬の特定の領域）の細胞で観察され、異なった空間。

これらの細胞は、 セルを配置する。したがって、あなたが頻繁に行う特定の空間ごとに場所のニューロンがあるのではなく、あなたの環境に関連する参照点です。これは、エゴセントリックなナビゲーションシステムが形成される方法です。プレイスニューロンはまた、それらの間の空間の要素を関連付けるアトミックなナビゲーションシステムを形成する。

先進的なプログラミングと経験

この発見は、海馬を宣言的な学習構造とみなし、空間情報をどのようにコード化できるかを見た多くの神経科学者に難解でした。これは、我々の環境の表現が海馬で生成されると仮定する「認知地図」の仮説を生み出した。

脳は、視覚、聴覚、体性感覚の信号のコーディングなど、他の感覚様式のためのマップの優れた生成器です。 海馬を環境の地図を生成し、我々の環境の方向性を保証する構造と考えることは不合理ではありません .

研究はさらに進んでおり、非常に異なる状況でこのパラダイムをテストに入れました。例えば、迷路のタスクの場所の細胞は、動物がミスをしたり、ニューロンが通常撃つ位置にいるときに発射されることがわかっています（O'keefe and Speakman、1987）。動物が異なる空間を移動しなければならない作業では、動物の出所と出現場所に応じてニューロンの配置が行われることが分かっている（Frank et al。、2000）。

空間マップの作成方法

この分野における研究関心の主な焦点は、これらの空間マップがどのように形成されているかです。一方では、環境を探索するときに受け取った経験に基づいて場所細胞が機能を果たしていると考えることができます。あるいは、それが私たちの脳回路の元の構成要素、すなわち生得的であると考えるかもしれません。問題はまだ明確ではなく、両方の仮説を支持する経験的証拠を見つけることができる。

一方で、多数の細胞の活動を記録したMonacoおよびAbbott（2014）の実験は、動物が新しい環境に置かれたときに、これらの細胞が法線それで、 場所の地図は、何らかの形で、動物が新しい環境に入る瞬間から表現されるだろう 将来的にはこれらのマップを変更することになります。

したがって、脳の可塑性が空間マップの形成に関与していると考えるかもしれません。可塑性が本当に重要な役割を果たすならば、神経伝達物質であるグルタメートのNMDA受容体、すなわちこの受容体を発現しないマウスにノックアウトマウスが存在すると、この受容体は脳の可塑性に基本的な役割を果たすことから、学習

可塑性は空間マップの維持に重要な役割を果たす

しかし、これは当てはまらず、NMDAレセプターに対するノックアウトマウスまたは薬理学的にこのレセプターをブロックするように処理されたマウスは、新しくまたはよく知られた環境で細胞の同様の応答パターンを示すことが分かっている。これは、空間マップの表現が脳の可塑性とは無関係であることを示唆している（Kentrol et al。、1998）。これらの結果は、ナビゲーションシステムが学習とは独立しているという仮説を支持する。

論理を用いたすべてにもかかわらず、最近形成された地図の記憶の安定性のためには、脳可塑性のメカニズムが明らかに必要であるに違いありません。そしてそうでなければ、彼の街の通りを歩いていくという経験をどのように使うのでしょうか？私たちが家に入ったのは初めてだという気持ちはいつもありませんか？私は、他の多くの場面でもそうであるように、仮説は見た目よりも補完的であり、何らかの形で、これらの機能の本来の機能にもかかわらず、 可塑性は、これらの空間マップをメモリ内に保持する役割を果たす .

ネットワーク、アドレス、エッジセル

場所細胞について話すのはかなり抽象的であり、複数の読者が記憶を生成する同じ脳領域が、私たちのために、つまりGPSを提供するということに驚いている可能性があります。しかし、私たちは終わっておらず、最高のものはまだ来ていません。今度はカールを本当にカールしましょう。当初、宇宙空間のナビゲーションは、嗅内皮質のような隣接する構造が空間の関数として非常に弱い活性化を示すことが見出されたときにのみ海馬に依存すると考えられた（Frankら、2000）。

しかしながら、これらの研究では、嗅内皮質の腹側領域における活動が記録され、後の研究では、海馬へのより多くの接続を有する背側領域が記録された（Fyhnら、2004）。だから、 この領域の多くの細胞は、海馬と同様に、位置によって発火することが観察された 。これまでのところ、彼らは結果を見出すことが期待されているが、彼らが嗅内皮質に登録する領域を増やすことに決めたとき、彼らは驚くべきことがあった。動物が占める空間に応じて活性化されたニューロンの群のなかには、活性化された。活性化を示す領域が事実上結合した場合、六角形または三角形のパターンが観察された。彼らは、嗅内皮質「赤血球」のこれらのニューロンを呼んだ。

赤血球が発見されたとき、細胞がどのように形成されるかの問題を解決することができました。セルがネットワークセルの多数の接続を配置することにより、それらがそれらから形成されると考えることは不合理ではない。しかし、再び、物事はそれほど単純ではなく、実験的証拠はこの仮説を確認していない。ネットワークセルを形成する幾何学的パターンはまだ解釈されていない。

ナビゲーションシステムは海馬に縮小されない

複雑さはここで終わらない。ナビゲーションシステムが海馬に縮小されていないことが判明したときさえも、それはより少なくなります。これにより、他の脳領域への研究の限界を広げることが可能になり、その結果、場所の細胞に関連する他の細胞型が発見されました。 ステアリングセルとエッジセル .

ステアリング細胞は、被験体が動く方向をコードし、脳幹の背側核に位置するであろう。一方、エッジ細胞は、被験体が所与の空間の限界に近づくにつれて発射速度を増加させる細胞であり、海馬の下垂体特異的な領域で見出すことができる。私たちは、各タイプの細胞の機能を要約するための簡単な例を提供します：

あなたがあなたの家のダイニングルームにいて、あなたが台所に行きたいと想像してみてください。あなたはあなたの家のダイニングルームにいるので、あなたはダイニングルームに滞在中に発射する部屋のセルを持っていますが、キッチンに行きたいので、キッチンを表す別の活性化された部屋のセルもあります。あなたの家はあなたが完全に知っている空間であり、活性化は場所の細胞と細胞ネットワークの両方で検出できるので、活性化は明らかです。

今、台所の方に歩き始める。あなたが特定の方向を維持する限り、現在発射され、変更されない特定のアドレスセルのグループが存在します。キッチンに行くには、右折して狭い廊下を通過する必要があると想像してください。あなたが回った瞬間、あなたのアドレスセルはそれを知り、もう1組のアドレスセルは今起動した方向を登録し、前のアドレスセルは無効になります。

また、廊下が狭く、間違った動きがあれば壁に当たってエッジセルが発射速度を上げることも想像してください。廊下の壁に近づくほど、発火率が高くなります。エッジセルは、新しい車に搭載されているセンサーと考えてください。駐車するときには、耳に聞こえる信号を出します。エッジセル これらのセンサは、センサと同様に動作しますが、より多くのノイズを衝突させるほど近づきます 。あなたがキッチンに到着すると、あなたの場所の細胞は、それが満足のいくように到着したことをあなたに伝えてくれます。そして、より広い環境であるため、あなたの縁の細胞はリラックスします。

すべてを複雑にしましょう

私たちの脳には私たちの立場を知る方法があると思うのは不思議です。しかし、依然として疑問があります。宣言的記憶を海馬の宇宙航行とどのように調和させるか、つまり私たちの記憶がこれらのマップにどのように影響するのでしょうか？それとも、私たちの記憶がこれらの地図から形成されたのだろうか？この質問に答えるために、もう少し考えなければなりません。 他の研究では、既に話しているコードスペースと同じセルが、時間をコード化していることが指摘されています 。したがって、 時間セル （Eichenbaum、2014）、時間の認識をコード化する。

この事件に関する驚くべきことは、 場所細胞が時間細胞と同じであるという考えを裏付ける証拠 。同じ電気的インパルスを使用する同じニューロンは、空間と時間を符号化することができる。同じ活動電位における時間と空間の符号化とその記憶における重要性との関係は未だに謎です。

結論として：私の個人的意見

それについての私の意見？私の科学者の服を脱いで、私はそれを言うことができます 人間は簡単な選択肢について考えるのに慣れており、脳は私たちと同じ言語を話すと思っています 。問題は、脳は自分自身が処理する現実の単純化されたバージョンを脳に提供することです。プラトンの洞穴の影に似た方法で。それで、量子物理学のように、現実として理解していることの障壁が壊れているように、神経科学では、脳内では、我々が意識的に知覚する世界とは異なっており、なぜ私たちが本当にそれらを認識しているのか。

私が明確にしている唯一のことは、Antonio Damasioが彼の本で多くを繰り返すのに慣れていることです。 脳は素晴らしい地図ジェネレータです 。多分、脳は私たちの記憶をマッピングするために同じ方法で時間と空間を解釈します。そして、アインシュタインが彼の相対性理論の中で、彼が仮定した理論の1つが時間が空間なしでは理解できないこと、そしてその逆のことが理解できなかったと考えるなら、間違いなくこれらの謎を解き明かすことは、動物で勉強することが困難な側面である場合はさらに困難です。

しかし、これらの問題については何も努力すべきではありません。最初の好奇心。私たちが宇宙の拡張や最近記録された重力波を研究するなら、なぜ私たちの脳が時間と空間をどのように解釈するのかを研究しないでしょうか？第二に、アルツハイマー病のような神経変性病理の多くは、第一の症状として時空間違いがある。このコーディングの神経生理学的メカニズムを知ることで、新しい薬理学的または非薬理学的標的を発見するこれらの病気の病理学的経過をより良く理解するのに役立つ新しい側面を発見することができます。

書誌事項：

Eichenbaum H. 2014。海馬の時間細胞：記憶をマッピングするための新しい次元。 Nature 15：732-742
Frank LM、Brown EN、Wilson M. 2000.海馬および嗅内皮質における軌道エンコーディング。 Neuron 27：169-178。
Fyhn M、Molden S、Witter MP、Moser EI、Moser M-B。嗅内皮質における空間的表現。 Science 305：1258-1264
Kentros C、Hargreaves E、Hawkins RD、Kandel ER、Shapiro M、Muller RV。 NMDA受容体遮断による新しい海馬位置細胞マップの長期安定性の廃止。 Science 280：2121-2126。
モナコJD、アボットLF。海馬再マッピングの基礎としての格子細胞活動のモジュラー再編成。 J Neurosci 31：9414-9425。
O'Keefe J、Speakman A. 1987。空間的記憶課題の間のマウス海馬における単一単位の活動。 Exp Brain Res 68：1-27。
Scoville WB、Milner B（1957）。両側海馬後の最近の記憶喪失。 J Neurol Neurosurg Psychiatry 20：11-21。