Gitterzellen: Ratten an ihren Orten platzieren und (vielleicht) Bedeutung im Leben haben - Die Wissenschaften - 2020

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Anonim

Willkommen zu Mind Matters. In einem packenden Paar von Beiträgen darüber, wie neuronale Mechanismen der Navigation auch Gedächtnis und Erkenntnis zugrunde liegen können, bieten die Neurowissenschaftler James J. Knierim und A. David Redish die erste Ausgabe von Mind Matters , der neue Expertenblog von sciam.com zu den Geistes- und Gehirnwissenschaften. Mind Matters bietet etwas Einzigartiges: Spitzenforscher aus den Bereichen Neurowissenschaften, Psychiatrie und Psychologie werden jede Woche mit den Lesern aus diesen Disziplinen diskutieren. Sie werden die wichtigsten neuen Erkenntnisse ihres Fachs erläutern - und darüber diskutieren, was sie als Forscher und Beobachter als am wichtigsten, aufregend, irritierend, seltsam, neugierig oder auf andere Weise bemerkenswert in ihrer Forschungsarbeit sehen. Mind Matters bringt die faszinierendsten Ergebnisse der Wissenschaft direkt in die Öffentlichkeit. Blogbesucher können beobachten und an Diskussionen teilnehmen - informiert, aber informell, entspannt, aber streng -, die Wissenschaftler in Seminarräumen und Korridoren auf wissenschaftlichen Konferenzen teilen. Wir hoffen, dass Sie sich uns anschließen. - David Dobbs, Herausgeber, Mind Matters
Vortrag dieser Woche: "Mikrostruktur einer räumlichen Karte im entorhinalen Kortex" von Torkel Hafting, Marianne Fyhn, Sturla Molden, May-Britt Moser und Edvard I. Moser vom Zentrum für Biologie des Geistes, Trondheim, Norwegen; von Natur 11. August 2005.

Projizierte Reihenfolge: Eine Darstellung der Positionen, die eine Rasterzelle im Gehirn einer Ratte aktivieren. Die Flecken liegen etwa 50 cm voneinander entfernt. Illustration von Hafting, Fyhn, Molden, Moser und Moser, mit Genehmigung.


Einführung

von David Dobbs
Während "Mikrostruktur einer räumlichen Karte im entorhinalen Kortex" (oder "das Gitterzellpapier", wie viele Neurowissenschaftler dies nennen,) viele Neurowissenschaftler als absoluten Störer empfand, kann ein Laie das Papier so leicht finden, wie es der Titel nennt. Das Problem liegt in der komplexen, rollenden Schönheit der von den Autoren berichteten Entdeckung. Sie fanden im Gehirn der Ratte eine Gruppe von Neuronen, die Zehntausende von virtuellen Gitterwerken projizieren, die aus gleichseitigen Dreiecken bestehen. Keines dieser Gitterwerke hat eine identische Größe oder Platzierung, und jedes ist an eine einzelne Gitterzelle gebunden. Jedes Mal, wenn der Kopf einer Ratte über einen der vielen Scheitelpunkte eines Gitters (die Punkte in der Abbildung oben) geht, wird die zugehörige Gitterzelle ausgelöst. Das System scheint die Ratte ständig ihre Position in der Welt verfolgen zu lassen. Diese kurze Beschreibung wird dem Gitterzellensystem nicht gerecht. Daher erklären die Kognitionswissenschaftler James Knierim und A. David Redish die Ergebnisse und Implikationen dieses wegweisenden Artikels ausführlicher. Wie Knierims Beschreibung und Redishs Kommentar (im folgenden Beitrag) vermuten lassen, scheint das Gitterzellensystem weitaus mehr zu tun, als einer Ratte ihren Ort zu sagen. Es könnte der Schlüssel dazu sein, wie die Ratte - und auch wir Menschen - der Erinnerung einen Sinn geben.

Gitterzellen: Das Millimeterpapier des Gehirns und dann einige

Beschreibung und Kommentar von James J. Knierim, Ph.D. Universität von Texas Medical School, Houston
Im Kinothriller 2001 ErinnerungDer Hauptcharakter erleidet eine Gehirnverletzung, durch die er sich länger als eine Minute nicht an Ereignisse erinnern kann. Diese Art von Amnesie ist Neurologen und Neuropsychologen bestens bekannt. Sie untersuchen Patienten mit Schäden am Hippocampus, einem der ältesten Teile des Gehirns, und einem verwandten Bereich des umgebenden Kortex, dem medialen Temporallappen. Diese Patienten erinnern sich an Ereignisse aus ihrer Lebensgeschichte, die sich vor ihren Verletzungen ereignet haben, können sich jedoch nicht an alles erinnern, was danach geschieht. Ihre Lebensgeschichte endete, soweit sie sich erinnern, kurz vor Beginn ihrer Erkrankung. Navigation als Erinnerung Genau wie das mediale Temporallappen-Gedächtnissystem diese autobiographischen Erinnerungen erzeugt und speichert, die als episodisches Gedächtnis bezeichnet werden, hat Wissenschaftler seit vielen Jahren verwirrt und fasziniert. Hinweise haben sich aus Studien mit menschlichen Amnesika und normalen Probanden sowie aus Tierversuchen ergeben. Ein großer Fortschritt kam in den 70er Jahren, als John O'Keefe und Jonathan Dostrovsky (jetzt am University College London bzw. Toronto Western Research Institute) entdeckten, dass Neuronen im Hippocampus ortsspezifische Schüsse auslösen. Das heißt, eine gegebene "Platzzelle", wie O'Keefe diese Hippocampus-Neuronen nannte, würde Aktionspotenziale (die kurzen elektrischen Impulse, die die Neuronen für die Kommunikation verwenden) immer dann abfeuern, wenn eine Ratte einen bestimmten Ort besetzt hat, an anderer Stelle jedoch stumm bleiben. Somit zündete jede Platzzelle nur für einen Ort, genauso wie ein Einbruchalarm, der an eine bestimmte Fliese in einem Flur gebunden ist. Ähnliche Ergebnisse wurden später auch bei anderen Arten, einschließlich Menschen, berichtet. Aufgrund dieser bemerkenswerten Ergebnisse schlugen O'Keefe und Lynn Nadel (damals am University College London, jetzt an der University of Arizona in Tucson) 1978 vor, der Hippocampus sei der neurale Ort einer "kognitiven Karte" der Umgebung. Ihrer Meinung nach haben die Ortszellen des Hippocampus eine entscheidende neurologische und kognitive Funktion erfüllt und die verschiedenen Aspekte der Erfahrung im Rahmen der Orte und Kontexte organisiert, in denen die Ereignisse stattfanden. In diesem Kontextrahmen konnten die Beziehungen zwischen den verschiedenen Aspekten eines Ereignisses so gespeichert werden, dass ein späterer Abruf aus dem Speicher möglich war. Im Laufe der Jahre wurde diese Ansicht heftig diskutiert. Es zeichnet sich jedoch ein Konsens ab, dass der Hippocampus irgendwie einen räumlichen Kontext bietet, der für das episodische Gedächtnis unerlässlich ist. Wenn Sie sich an ein Ereignis in der Vergangenheit erinnern, erinnern Sie sich nicht nur an Personen, Objekte und andere diskrete Komponenten des Ereignisses, sondern auch an den räumlich-zeitlichen Kontext, in dem das Ereignis stattgefunden hat. So können Sie dieses Ereignis von ähnlichen Episoden mit ähnlichen Komponenten unterscheiden. Trotz intensiver Studien haben sich jedoch die genauen Mechanismen, mit denen der Hippocampus diese kontextuelle Repräsentation des Gedächtnisses erzeugt, den Wissenschaftlern entzogen. Ein Haupthindernis war, dass wir wenig über die Gehirnbereiche wussten, die den Hippocampus hauptsächlich mit Informationen versorgen. Frühe Arbeiten deuteten an, dass der entorhinale Kortex, ein Kortexbereich neben dem Hippocampus, Neuronen enthielt, die den Raum ähnlich dem Hippocampus codierten, jedoch mit einer geringeren Genauigkeit. "Das ändert alles." Diese Ansicht wurde durch die erstaunliche Entdeckung eines Systems von "Gitterzellen" im medialen entorhinalen Kortex, der in der vorliegenden Arbeit beschrieben wird, völlig auf den Kopf gestellt. Im Gegensatz zu einer Ortszelle, die normalerweise ausgelöst wird, wenn eine Ratte einen bestimmten, bestimmten Ort in einer Umgebung einnimmt, wird jede Gitterzelle ausgelöst, wenn sich die Ratte an einer beliebigen Anzahl von Orten befindet, die in einem erstaunlich regelmäßigen, sechseckigen Gitter angeordnet sind - etwas als wäre die Zelle an eine Anzahl von Alarmplättchen gebunden, die in bestimmten, regelmäßigen Abständen angeordnet sind. Die Orte, an denen jede Gitterzelle ausgelöst wird, sind in einem präzisen, sich wiederholenden Gittermuster angeordnet, das aus gleichseitigen Dreiecken besteht, die den Boden der Umgebung in Schach halten. (Siehe Abbildung oben.) Stellen Sie sich vor, Sie platzieren Dutzende runde Essteller, um einen Boden in ihrer optimalen Packungsdichte zu bedecken, so dass jeder Teller von sechs anderen, äquidistanten Platten umgeben ist. Diese Anordnung ahmt das Auslösemuster nach, das an eine beliebige Gitterzelle gebunden ist. Während sich die Ratte auf dem Boden bewegt, schießt eine Gitterzelle in ihrem Gehirn jedes Mal, wenn sich die Ratte in der Nähe der Plattenmitte befindet. Andere Gitterzellen sind mittlerweile mit eigenen sechseckigen Gitterwerken verbunden, die sich überlappen. Gitter benachbarter Zellen haben ähnliche Abmessungen, sind jedoch geringfügig voneinander versetzt. Diese Gitterzellen, so schließen Hafting und seine Kollegen, sind wahrscheinlich Schlüsselkomponenten eines Gehirnmechanismus, der den Standort der Ratte ständig aktualisiert, auch wenn keine externen sensorischen Eingaben vorliegen. Und sie bilden die grundlegende räumliche Eingabe, die es dem Hippocampus ermöglicht, das hochspezifische, kontextabhängige Auslösen seiner Ortszellen zu erzeugen. Diese Entdeckung ist eine der bemerkenswertesten Erkenntnisse in der Geschichte der Aufzeichnung von Gehirnaktivität in Einzelaufnahmen. Ich erinnere mich lebhaft an die Aufregung, die ich empfand, als ich diese Zeitung zum ersten Mal in meinem Büro las. Mir wurde sofort klar, dass ich ein Werk von historischer Bedeutung in der Neurowissenschaft las. Niemand hatte jemals von einer neuronalen Antworteigenschaft berichtet, die so geometrisch regelmäßig, so kristallin und so perfekt war. Wie könnte das überhaupt möglich sein? Die Daten waren jedoch überzeugend. "Das ändert alles", murmelte ich. Meine Erregung stieg teilweise aus der Schönheit des Raster-Zell-Antwortmusters. Aber auch aus dem Glauben, dass dies ein wichtiger Schritt in unserem Bestreben war, zu verstehen, wie der Hippocampus die Grundlage des episodischen Gedächtnisses bilden könnte. Gitterzellen geben uns einen festen Überblick darüber, welche Informationen in einem der wichtigsten Eingänge des Hippocampus codiert sind. Hieraus können wir realistischere Modelle für die Berechnungen im Hippocampus erstellen, um diese Gitterdarstellungen in komplexere Eigenschaften zu transformieren, die in den letzten drei Jahrzehnten in Ortszellen entdeckt wurden. Beispielsweise sind unterschiedliche Teilmengen von Ortszellen in verschiedenen Umgebungen aktiv, während alle Rasterzellen in allen Umgebungen aktiv zu sein scheinen. Wie wird die allgemeine räumliche Karte, die von Gitterzellen kodiert wird, in umgebungsspezifische (oder kontextspezifische) Karten umgewandelt, die von Ortszellen kodiert werden? Darüber hinaus bestätigt die Entdeckung der Gitterzellen nachdrücklich, dass der Hippocampus und der mediale Temporallappen hervorragende Modellsysteme sind, um zu verstehen, wie das Gehirn kognitive Repräsentationen der Welt "draußen" konstruiert, die nicht explizit an eine sensorische Stimulation gebunden sind. Es gibt kein Muster von visuellen Landmarken, auditorischen Hinweisen, somatosensorischen Eingaben oder anderen Empfindungen, die möglicherweise dazu führen könnten, dass eine Gitterzelle in jeder Umgebung auf solch kristalline Weise ausgelöst wird. Dieses Zündmuster, das unabhängig davon, ob sich die Ratte in einem vertrauten, beleuchteten Raum oder an einem seltsamen Ort befindet, der pechschwarz ist, gleich ist, muss ein reines kognitives Konstrukt sein. Zweifellos durch sensorische Eingaben aus dem vestibulären, visuellen und anderen sensorischen System aktualisiert und kalibriert, hängen Raster-Zell-Zündmuster nicht von solchen äußeren sensorischen Hinweisen ab. Einige haben argumentiert, dass Hippocampus-Ortszellen ähnlich unabhängig sind, aber der bekannte Einfluss von externen Landmarken auf diese Zellen und ihre Neigung, an einzelnen Orten zu schießen, führten andere dazu, zu argumentieren, dass Platzzellen hauptsächlich durch einzigartige Kombinationen von sensorischen Landmarken getrieben wurden bestimmte Standorte. Dieses Argument kann die Zündmuster von Gitterzellen nicht erklären. Eine Frage des Kontextes Was macht dann die Gitterzellendynamik aus? Eine Möglichkeit besteht darin, dass das Tier dort ist, wo das Tier Informationen über seine eigene Bewegung durch die Umgebung verwendet, um seinen Ort auf seiner internen "kognitiven Karte" zu aktualisieren. Dort werden Informationen über die jüngsten kleinen Ortsveränderungen in ein Gefühl für den Ort übersetzt es steht und wohin es in der größeren Welt geht. Der Hippocampus wiederum kann die Gehirnstruktur sein, die diese räumliche Darstellung mit anderen Informationen über die diskreten Elemente eines Ereignisses kombiniert - und dadurch Erinnerungen an einzigartige Erfahrungen in bestimmten raumzeitlichen Kontexten schafft. Diese Fähigkeit ist genau das, was der Protagonist ist Erinnerung hat verloren. Die Entdeckung von Gitterzellen hat zu einem spürbaren Gefühl der Erregung geführt - eine Erwartung, die weitere Forschung in Gitterzellen und in den anderen wichtigen Input für den Hippocampus, den lateralen entorhinalen Kortex, die neuronalen Mechanismen offenbaren wird, die uns erinnern und sinnvoll machen unsere persönliche geschichte: ein lebenswichtiger prozess, der die grundlage des eigenen identitätsgefühls bildet.
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KLICKEN SIE HIER, um den begleitenden Kommentar von A. David Redish über Gitterzellen zu lesen: "Durch das Gitter, ein Fenster zur Erkenntnis."
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James J. Knierim, Ph.D., ist Professor für Neurobiologie und Anatomie an der University of Texas Medical School in Houston, wo sein Labor die Rolle des Hippocampus und verwandter Strukturen für räumliches Lernen und Gedächtnis untersucht.

Die geäußerten Ansichten sind die des Autors und sind nicht notwendigerweise die.