Jesteś w drodze do pracy, kiedy twój umysł biegnie naprzód w kierunku wykładu, który masz wygłosić po południu. Podczas podjeżdżania do biura ćwiczysz swoją rozmowę, przygotowując się na pytania, które mogą zadać Twoi koledzy. Później, gdy będziesz usuwać swoją skrzynkę odbiorczą e-mail, będziesz rozważać opcje lunchu, przewijając w nieskończoność.

To tylko kilka przykładów na to, jak każda akcja, którą podejmujemy w prawdziwym świecie, niesie ze sobą również ukrytą, alternatywną akcję, którą tylko sobie wyobrażaliśmy. Wiele wysiłku badawczego włożono w zrozumienie, jak i dlaczego aktywnie podejmujemy decyzje, ale nowe dowody mówią nam, że czas, który spędzamy w alternatywnych rzeczywistościach, służy również ważnemu celowi neurologicznemu.

Wiele części mózgu współpracuje ze sobą, tworząc nasze mapy mentalne, ale głównymi graczami w nawigacji przestrzennej są hipokamp, siedziba pamięci w mózgu i kora śródwęchowa, która przylega do hipokamp i przekazuje wygenerowane tam informacje do wyższych obszarów przetwarzania.

Już w 1948 roku zaproponowano, aby gryzonie polegały na różnych sygnałach środowiskowych, aby generować mapy do nagród w zadaniach uczenia się labiryntu. Jednak charakter tej mapy i komórek, które ją wygenerowały, pozostawały tajemnicą. Trzydzieści lat później badacze zaobserwowali, że określone komórki hipokampa u szczurów zapalają się częściej, gdy wchodzą w określone miejsca. Co ciekawe, wzorce odpalania tych sieci komórek są stabilne w czasie, nawet przy braku wskazówek, które były obecne przy ich początkowej aktywacji. Odkrycie tych opisowo nazwanych „komórek miejsca” utorowało drogę do dokładniejszego zbadania neurobiologicznych podstaw odnajdywania ścieżek.

Po odkryciu komórek miejsca ich proponowaną funkcją było stworzenie mapy topograficznej jeden-do-jednego danej przestrzeni. W drodze ze świata fizycznego do mózgu większość naszych reprezentacji zmysłowych wykazuje coś, co jest znane jako organizacja topograficzna. Wyobraź sobie, że wsiadasz do samochodu i wyruszasz na nieznane części. Możesz polegać na nawigacji satelitarnej, GPS lub papierowej mapie, które poprowadzą Cię do celu. Tak jak każdy punkt na mapie odpowiada określonemu punktowi orientacyjnemu podczas podróży, umieść komórki zakotwiczają się w określonych punktach orientacyjnych w środowisku, aby zorientować się w przestrzeni.

Nasza wewnętrzna topografia przestrzenna jest bardziej wyrafinowana, z komórkami hipokampu kodującymi reprezentacje określonych bodźców, wskazówek lub nagród w kontekście tego, jak zwierzę zachowuje się w tych przestrzeniach. Na przykład wyobraź sobie przylot na lotnisko w nieznanym kraju. Możesz mieć ogólną wiedzę na temat koncepcji lotniska, a także znanych wizualnych punktów orientacyjnych, które zakotwiczają Cię w tej nowej przestrzeni. Niektóre z tych informacji mają charakter biograficzny, czerpiąc z Twoich wyjątkowych wspomnień z innych lotnisk.

W zależności od tego, czy te doświadczenia były pozytywne, czy negatywne, emocjonalne znaczenie tych przestrzeni będzie również miało wpływ na twoją osobistą mapę, a wszystkie te czynniki łączą się, aby stworzyć doświadczenie przestrzeni, która jest znacznie bogatsza niż zwykły zestaw punktów orientacyjnych.

„umieść komórki zakotwiczają się w określonych punktach orientacyjnych w środowisku, aby zorientować się w przestrzeni”.

Nowsze badania na naczelnych wykazały, że komórki hipokampa działają nieco inaczej w mózgach naczelnych niż w mózgach gryzoni, reagując na szereg różnych bodźców, które nie są ściśle związane z lokalizacją. Trwające prace na myszach, naczelnych i ludziach wykazały również, że hipokamp nie jest samotnym aktorem. Wejdź do kory śródwęchowej, która przekazuje informacje sensoryczne do hipokampu i działa jako pomost do kory nowej, gdzie wydawanych jest wiele z naszych bardziej wyrafinowanych poleceń poznawczych i motorycznych.

Naukowcy opisali ostatnio: sieć komórek w korze śródwęchowej zwana „komórkami siatkowymi”, które kodują Twój własny ruch względem otoczenia, dodając kluczowy element do układanki komórki miejsca, jeśli chodzi o szersze strategie nawigacji. Sieci siatkowe mogą bardziej precyzyjnie wykreślać kierunek i odległości między obiektami w przestrzeni, w oparciu o wewnętrzne sygnały ruchu, a nie w oparciu o dane sensoryczne pochodzące z samej przestrzeni. Systemy te współpracują ze sobą, aby dynamicznie reprezentować przestrzenie w sposób, który można modyfikować przez doświadczenie, elastycznie wprowadzając nowe informacje, ale także umożliwiając tym przestrzeniom zapoznanie się z upływem czasu.

Ale kiedy już mamy na myśli reprezentację przestrzeni, jak decydujemy, jak z nią współdziałać? Wymaga to aktywnego podejmowania decyzji, a paliwem do podejmowania decyzji jest nagroda. W tym miejscu szczególnie ważne stają się nieprzestrzenne atrybuty neuronów, które tworzą nasze systemy nawigacyjne. Naukowcy odkryli w badaniach na gryzoniach, że postrzegana wartość nagrody lub znaczenie niektórych obiektów w środowisku może bardziej przesunąć wzorce odpalania komórek w ich kierunku. Wyższa przewidywana wartość nagrody związana z danym zakrętem lub lokalizacją w labiryncie byłaby zatem przewidzieć ruch w tym kierunku. A co z niewybranymi ścieżkami?

Ostatnio zespół naukowcy z UCSF zmierzono odpalanie komórek miejsca hipokampa u szczurów, gdy wykonywały zadania nawigacji przestrzennej. Szczury umieszczono w labiryncie, a ich aktywność neuronową obrazowano w czasie rzeczywistym, gdy wybierały ścieżki, które rozchodziły się w wybranym punkcie. W ten sposób naukowcy byli w stanie przypisać unikalne wzorce odpalania komórek miejsca, które odpowiadały każdemu ramieniu labiryntu po tym, jak szczur dokonał wyboru i zaczął podróżować wzdłuż niego.

Co uderzające, gdy szczur zbliżył się do punktu wyboru, każdy z zestawów komórek miejsca, które reprezentowały którekolwiek ramię labiryntu, strzelał szybko naprzemiennie, rzucając kostką na dowolną możliwą przyszłość, zanim dokonano wyboru. Oznacza to, że nie tylko ścieżka, którą zwierzę ostatecznie podąża w czasie rzeczywistym, ale także możliwa ścieżka alternatywna, są reprezentowane w równym stopniu w przestrzeni neuronowej, zapewniając mechanistyczne wyjaśnienie mentalnych reprezentacji przyszłości.

„możliwe ścieżki alternatywne są reprezentowane w równym stopniu w przestrzeni neuronowej, zapewniając mechanistyczne wyjaśnienie mentalnych reprezentacji przyszłości”.

U gryzoni badania nawigacyjne odbywają się w prostych zespołach stołowych, które nie są w stanie uchwycić złożoności rzeczywistego środowiska. Wirtualna rzeczywistość stała się coraz bardziej popularna jako rozrywka osobista, ale oferuje również naukowcom niespotykany dotąd poziom różnorodności i kontroli w badaniach nawigacji przestrzennej. Grupa z Wielkiej Brytanii wykorzystała grę mobilną o nazwie Sea Hero Quest, aby przechwycić jeden z największych w historii zbiorów danych dotyczących rozumowania przestrzennego w różnych grupach wiekowych.

Dane rozgrywki wskazuje, że rozumowanie przestrzenne może zacząć zanikać, gdy mamy zaledwie 19 lat, a wybory tras graczy różniły się w zależności od tego, czy nosili wariant e4 genu APOE, który od dawna jest używany jako kliniczny marker diagnostyczny choroby Alzheimera. Nowatorskie strategie, takie jak te, które przekształcają proste gry mobilne w narzędzia do gromadzenia danych klinicznych, mogą znacznie poszerzyć naszą wiedzę na temat dokładnego postępu chorób neurodegeneracyjnych i przyspieszyć rozwój wysoce spersonalizowanej wczesnej diagnozy.

Wiele z naszego zrozumienia tego, jak myślimy o przyszłości, wyszło z badania pacjentów, którzy nie pamiętają już przeszłości. Od bardzo wczesnych dni neuronauki, kiedy badania nad uszkodzeniami były często najbardziej pouczającym narzędziem do poznawania funkcji różnych części mózgu, rozumieliśmy, że hipokamp jest wymagany do przywoływania pamięci.

Uszkodzenie hipokampa wiąże się z amnezją, a także upośledzeniem rozumowania przestrzennego. Jednak kilka przełomowych badań wykazało, że uszkodzenie hipokampa zakłóca również zdolność wyobrażania sobie hipotetycznych wydarzeń. Konsekwentnie, pacjenci cierpiący na amnezję nie tylko mają trudności z przypomnieniem sobie ostatnich informacji biologicznych, ale gdy zostaną o to poproszeni, mogą jedynie przedstawić ogólne wypowiedzi na temat nadchodzących wydarzeń w ich życiu.

Utrata pamięci jest powszechna wraz z wiekiem, ale jak pokazuje wiele badań, nasza zdolność poruszania się w kosmosie również spada wraz z wiekiem. Deficyty te pojawiają się w młodszym wieku niż inne ogólne miary upośledzenia funkcji poznawczych, co sugeruje, że niektóre funkcje systemu nawigacji są unikalne i działają niezależnie od innych rodzajów pamięci i przetwarzania informacji w hipokampie.

Najbardziej wrażliwe struktury w starzejącym się mózgu to te, które kodują ruch, takie jak kora śródwęchowa. Wypalanie komórek w miejscu hipokampa również staje się nieregularne u starszych szczurów. Co istotne, struktury odpowiedzialne za orientację w kosmosie są również najbardziej podatne na patologię choroby Alzheimera, co wskazuje na upośledzenie nawigacji jako potencjalne wczesne kryterium diagnostyczne dla tego i innych schorzeń neurodegeneracyjnych, takich jak choroba Parkinsona.

Nasze codzienne życie wypełnione jest decyzjami, zarówno świadomymi, jak i nieświadomymi. Ale jak pokazuje coraz więcej dowodów, nasze mózgi są zdolne do poruszania się tak samo po ścieżkach, które wybieramy, jak te, których rezygnujemy.

W miarę poznawania zawiłych związków między nawigacją przestrzenną, pamięcią i neurodegeneracją, może się okazać, że czas, który spędzamy na rozważaniu tego, co mogło być, jest tak samo ważny jak czas, który spędzamy na aktywnym planowaniu. I chociaż spadek funkcji poznawczych jest akceptowany jako normalny element starzenia się, utrzymywanie tych funkcji za pomocą prostych ćwiczeń umysłowych, takich jak łamigłówki, gry słowne lub czytanie, może pomóc w zachowaniu tych ścieżek neuronowych. W ten sam sposób możemy ćwiczyć nasze systemy nawigacyjne, wytyczając kursy na ścieżkach, których jeszcze nie pokonaliśmy. Więc następnym razem, gdy będziesz miał trudności z sprowadzeniem umysłu z powrotem do danego zadania, poeksperymentuj, pozwalając mu wędrować trochę dalej.

Artykuł pierwotnie pojawił się na Znając neurony

Referencje:

Buckner, RL (2010). Rola hipokampu w przewidywaniu i wyobraźni. Roczny przegląd psychologii 61, 27-48.

Coughlan G., Coutrot A., Khondoker M., Minihane A., Spires H. i Hornberger M. (2019). W kierunku spersonalizowanej diagnostyki poznawczej choroby Alzheimera o zagrożeniu genetycznym. PNA 116(19) 9285-9292.

Diersch, N. i Wolbers, T. (2019). Potencjał wirtualnej rzeczywistości do badań nawigacji przestrzennej w dorosłym życiu. Journal of Experimental Biology 222, jeb187252 doi: 10.1242/jeb.187252

Eichenbaum, H., Dudchenko, P., Wood, E., Shapiro, M. i Tanila, H. (1999). Komórki hipokampu, pamięci i miejsca. NeuronJednostka funkcjonalna układu nerwowego, komórka nerwowa, która..., 23(2) 209-226.

Giocomo, LM (2015). Reprezentacja przestrzenna: mapy rozdrobnionej przestrzeni. Aktualna Biologia, 25(9), R362-R363.

Kay, K., Chung, JE, Sosa, M., Schor, JS, Karlsson, MP, Larkin, MC, Liu, DF i Frank, LM (2020). Stała sub-sekundowa cykliczność między reprezentacjami możliwych przyszłości w hipokampie. Komórka, 180(3) 552-567.

Lester, AW, Moffat, SD, Wiener, JM, Barnes, CA i Wolbers, T. (2017). Starzejący się system nawigacyjny. Neuron 95(5) 1019-1035.

książki_nauka