Поместите ячейку - Place cell

Пространственные схемы возбуждения 8-ми разрядных клеток, записанные из слоя СА1 крысы. Крыса бегала взад и вперед по эстакаде, останавливаясь на каждом конце, чтобы съесть небольшую награду за еду. Точки указывают положения, в которых были записаны потенциалы действия, а цвет указывает, какой нейрон излучал этот потенциал действия.

Место клетка является своего рода пирамидального нейрона в пределах гиппокампа , что становится активным , когда животное попадает в конкретное место в своей среде, которая известна как поле место . Считается, что клетки места в совокупности действуют как когнитивное представление определенного места в пространстве, известное как когнитивная карта . Клетки места работают с другими типами нейронов в гиппокампе и окружающих регионах, чтобы выполнить такую ​​пространственную обработку. Они были обнаружены у различных животных, включая грызунов, летучих мышей, обезьян и людей.

Образцы активации клеток места часто определяются стимулами в окружающей среде, включая визуальные ориентиры , обонятельные и вестибулярные стимулы. У ячеек места есть способность внезапно менять свой образец возбуждения с одного образца на другой, явление, известное как переназначение. Это переназначение может происходить либо в некоторых ячейках мест, либо во всех ячейках мест сразу. Это может быть вызвано рядом изменений, например, изменением запаха окружающей среды.

Считается, что клетки места играют важную роль в эпизодической памяти . Они содержат информацию о пространственном контексте, в котором происходило воспоминание. Кроме того, они, кажется, выполняют консолидацию, демонстрируя воспроизведение , реактивацию ячеек места, вовлеченных в определенный опыт, в гораздо более быстром временном масштабе. Клетки места показывают изменения с возрастом и болезнью, такие как болезнь Альцгеймера, которая может быть вовлечена в снижение функции памяти.

Нобелевская премия по физиологии и медицине 2014 года была присуждена Джону О'Кифу за открытие клеток места, а также Эдварду и Мэй-Бритт Мозер за открытие клеток сетки .

Фон

Клетки места были впервые обнаружены Джоном О'Кифом и Джонатаном Достровским в 1971 году в гиппокампе крыс. Они заметили, что крысы с нарушениями в их гиппокампе плохо справляются с пространственными задачами, и поэтому выдвинули гипотезу, что эта область должна содержать какое-то пространственное представление окружающей среды. Чтобы проверить эту гипотезу, они разработали имплантаты хронических электродов , с помощью которых они могли регистрировать активность отдельных клеток внеклеточно в гиппокампе. Они отметили, что некоторые из клеток проявляли активность, когда крыса « находилась в определенной части тестовой платформы, обращенной в определенном направлении ». Эти ячейки позже будут называться ячейками места.

На этом видео показана крыса, бегающая по кругу (черная линия) и каждый раз, когда активна конкретная клетка (красные точки). Красные точки сгруппированы вокруг одного места, которое является полем места ячейки.

В 1976 году О'Киф провел дополнительное исследование, продемонстрировав наличие так называемых единиц места. Эти единицы были ячейками, которые стреляли в определенном месте окружающей среды, поле места. Они описываются как имеющие низкую частоту стрельбы в состоянии покоя (<1 Гц), когда крыса не находится в своем поле места, но особенно высокую частоту стрельбы, которая в некоторых случаях может превышать 100 Гц в пределах поля места. Кроме того, О'Киф описал 6 специальных ячеек, которые он назвал неуместными единицами , которые также срабатывают только в определенном месте, но только тогда, когда крыса выполняет дополнительное поведение, такое как обнюхивание, которое часто коррелирует с присутствием нового стимула. , или отсутствие ожидаемого стимула. Полученные данные в конечном итоге подтвердили теорию когнитивных карт, идею о том, что гиппокамп имеет пространственное представление, когнитивную карту окружающей среды.

Было много споров о том, зависит ли функция клеток места гиппокампа от ориентиров в окружающей среде, от границ окружающей среды или от взаимодействия между ними. Кроме того, не все клетки места полагаются на одни и те же внешние сигналы. Одно из важных различий в репликах - это локальные и дистальные, где локальные реплики появляются в непосредственной близости от объекта, тогда как дистальные реплики находятся далеко и действуют больше как ориентиры. Было показано, что отдельные ячейки мест следуют одному из них или полагаются на оба. Кроме того, реплики, на которые опираются клетки места, могут зависеть от предыдущего опыта субъекта и значимости реплики.

Также было много споров относительно того, действительно ли пирамидные клетки гиппокампа кодируют непространственную информацию, а также пространственную информацию. Согласно теории когнитивных карт, основная роль гиппокампа заключается в хранении пространственной информации через клетки места, а гиппокамп был биологически разработан, чтобы предоставлять субъекту пространственную информацию. Недавние результаты, такие как исследование, показывающее, что клетки места реагируют на непространственные измерения, такие как частота звука, не согласуются с теорией когнитивной карты. Вместо этого они поддерживают новую теорию, в которой говорится, что гиппокамп имеет более общую функцию, кодирующую непрерывные переменные, и местоположение просто случайно является одной из этих переменных. Это соответствует идее о том, что гиппокамп выполняет прогностическую функцию.

Ячейки сетки и ячейки места работают вместе, чтобы определить положение животного.

Связь с ячейками сетки

Было высказано предположение, что клетки места являются производными клеток сетки , пирамидных клеток энторинальной коры. Эта теория предполагает, что поля мест ячеек места представляют собой комбинацию нескольких ячеек сетки, которые имеют гексагональные сетчатые паттерны активности. Теория подтверждена вычислительными моделями. Отношения могут возникать в результате изучения хеббского языка . Но ячейки сетки могут выполнять более вспомогательную роль в формировании полей мест, таких как входные данные интегрирования путей. Другое непространственное объяснение функции гиппокампа предполагает, что гиппокамп выполняет кластеризацию входных данных для создания представлений текущего контекста - пространственного или непространственного.

Местные клетки находятся в гиппокампе, структуре в медиальной височной доле мозга.

Характеристики

Разместите поля

Ячейки места срабатывают в определенной области среды, известной как поле места. Поля места примерно аналогичны рецептивным полям сенсорных нейронов в том смысле, что область возбуждения соответствует области сенсорной информации в окружающей среде. Однако, в отличие от рецептивных полей, ячейки с местами не показывают топографии, что означает, что две соседние ячейки не обязательно имеют поля соседних мест. Поместите клетки выстреливающими шипами очередями с высокой частотой внутри поля места, но за пределами поля места они остаются относительно неактивными. Поля места являются аллоцентрическими , что означает, что они определены по отношению к внешнему миру, а не к телу. Ориентируясь на окружающую среду, а не на человека, поля мест могут эффективно работать как нейронные карты окружающей среды. Типичная ячейка места будет иметь только одно или несколько полей мест в небольшой лабораторной среде. Однако в более крупных средах было показано, что ячейки мест содержат несколько полей мест, которые обычно нерегулярны. Ячейки мест также могут показывать направленность, то есть они будут стрелять только в определенном месте при движении в определенном направлении.

Пример переназначения ячеек места, когда местоположение поля места ячейки 1 меняется между средой, а ячейка 2 теряет свое поле места в среде 2.

Переназначение

Повторное отображение относится к изменению характеристик поля места, которое происходит, когда субъект испытывает новую среду или ту же среду в новом контексте. Об этом явлении впервые сообщили в 1987 году, и считается, что он играет роль в функции памяти гиппокампа. Существует два типа переназначения: глобальное переназначение и частичное переназначение. Когда происходит глобальное переназначение, происходит переназначение большей части или всех ячеек места, то есть они теряют или получают поле места, или их поле места меняет свое местоположение. Частичное переназначение означает, что большинство полей мест остаются неизменными и только небольшая часть ячеек мест переназначается. Некоторые из изменений в окружающей среде, которые, как было показано, вызывают повторное сопоставление, включают изменение формы или размера среды, цвета стен, запаха в окружающей среде или соответствия местоположения выполняемой задаче.

Фазовая прецессия

Срабатывание ячеек места привязано к локальным тета-волнам , и этот процесс называется фазовой прецессией . При входе в поле места клетки места будут стрелять очередями в определенную точку фазы лежащих в основе тета-волн. Однако по мере того, как животное продвигается по полю места, стрельба будет происходить постепенно на более ранней стадии фазы. Считается, что это явление увеличивает точность кодирования места и способствует пластичности, необходимой для обучения.

Направленность

В некоторых случаях ячейки мест показывают направленность, что означает, что они будут стрелять только в том месте, когда объект движется в определенном направлении. Однако они также могут быть всенаправленными, что означает, что они стреляют независимо от направления объекта. Отсутствие направленности в некоторых ячейках мест может происходить особенно в бедных средах, тогда как в более сложных средах направленность усиливается. Радиальная рука лабиринт является одним из такой среды , в которой имеет место Направленности. В этой среде ячейки могут даже иметь несколько полей мест, одно из которых строго направлено, а другие нет. В коридорах виртуальной реальности степень направленности популяции ячеек места особенно высока. Было показано, что направленность клеток места возникает в результате поведения животного. Например, рецептивные поля искажаются, когда крысы движутся по линейному пути в одном направлении. Недавние теоретические исследования показывают, что ячейки места кодируют представление- преемник, которое отображает текущее состояние в предсказанные состояния-последователи, и что направленность возникает из этого формализма. Эта вычислительная структура также обеспечивает учет искажения пространственных полей вокруг препятствий.

Сенсорного ввода

Первоначально считалось, что клетки места срабатывают в прямой связи с простыми сенсорными сигналами, но исследования показали, что это может быть не так. На поля мест обычно не влияют большие сенсорные изменения, такие как удаление ориентира из окружающей среды, но они реагируют на тонкие изменения, такие как изменение цвета или формы объекта. Это говорит о том, что клетки места реагируют на сложные стимулы, а не на простые индивидуальные сенсорные сигналы. Согласно модели функциональной дифференциации, сенсорная информация обрабатывается в различных корковых структурах выше гиппокампа, прежде чем фактически достигает структуры, так что информация, полученная клетками места, является компиляцией, функциональной производной различных стимулов.

Анатомия образования гиппокампа , включая энторинальную кору (EC), зубчатую извилину (DG) и различные субполя гиппокампа (CA1 и CA3). На вставке показана проводка между этими различными областями.

Сенсорная информация, полученная ячейками места, может быть разделена на метрическую или контекстную информацию, где метрическая информация соответствует тому, где должны активироваться ячейки места, а контекстный ввод соответствует тому, должно ли поле места активироваться в определенной среде. Метрическая сенсорная информация - это любой пространственный ввод, который может указывать расстояние между двумя точками. Например, края окружения могут сигнализировать о размере всего поля места или расстоянии между двумя точками внутри поля места. Метрические сигналы могут быть линейными или направленными. Направленные входы предоставляют информацию об ориентации поля места, тогда как линейные входы по существу образуют репрезентативную сетку. Контекстные подсказки позволяют установленным полям мест адаптироваться к незначительным изменениям в окружающей среде, таким как изменение цвета или формы объекта. Метрические и контекстные входные данные обрабатываются вместе в энторинальной коре, прежде чем достичь клеток места гиппокампа. Визуально-пространственные и обонятельные входы являются примерами сенсорных входов, которые используются клетками места. Эти типы сенсорных сигналов могут включать как метрическую, так и контекстную информацию.

Визуально-пространственные входы

Пространственные подсказки, такие как геометрические границы или ориентиры, являются важными примерами ввода метрики . Примером могут служить стены окружающей среды, которые предоставляют информацию об относительном расстоянии и местоположении. Клетки места обычно полагаются на установленные дистальные сигналы, а не сигналы в ближайшем проксимальном окружении, хотя локальные сигналы могут иметь глубокое влияние на локальные поля места. Визуальные сенсорные входы также могут предоставить важную контекстную информацию. Изменение цвета определенного объекта или стен окружающей среды может повлиять на то, срабатывает ли ячейка места в определенном поле. Таким образом, визуально-пространственная сенсорная информация имеет решающее значение для формирования и запоминания пространственного поля.

Обонятельные входы

Хотя клетки места в первую очередь полагаются на зрительно-пространственный ввод, некоторые исследования показывают, что обонятельный ввод также может влиять на формирование и стабильность полей места. Обоняние может компенсировать потерю визуальной информации или даже быть ответственным за формирование стабильных пространственных полей в том же самом, что и зрительно-пространственные сигналы. Это было подтверждено исследованием в виртуальной среде, состоящей из градиентов запаха. Изменение обонятельного стимула в окружающей среде также может вызвать переназначение клеток места.

Вестибулярные входы

Стимулы вестибулярной системы , такие как вращение, могут вызывать изменения в месте активации клеток. После получения вестибулярного сигнала некоторые клетки места могут переназначаться, чтобы согласоваться с этим вводом, хотя не все клетки будут переназначены и больше зависят от визуальных сигналов. Двусторонние поражения вестибулярной системы у пациентов могут вызывать аномальную активацию локальных клеток гиппокампа, что частично подтверждается трудностями с пространственными задачами, такими как лабиринт с лучевой рукой и задача навигации по воде Морриса .

Входы движения

Ячейки сетки и места способствуют интеграции пути - процессу, который суммирует векторы расстояния и направления, пройденного от начальной точки, для оценки текущего положения.

Движение также может быть важным пространственным ориентиром. Мыши используют информацию о своем самодвижении, чтобы определить, как далеко и в каком направлении они прошли, этот процесс называется интеграцией путей . Это особенно верно в случае отсутствия непрерывных сенсорных входов. Например, в среде с отсутствием визуально-пространственных входов животное может искать край среды, используя прикосновение, и определять местоположение на основе расстояния своего движения от этого края. Интеграции путей в значительной степени помогают сеточные клетки , которые представляют собой тип нейронов в энторинальной коре, которые передают информацию для размещения клеток в гиппокампе. Ячейки сетки устанавливают сеточное представление местоположения, так что во время перемещения ячейки местоположения могут срабатывать в соответствии с их новым местоположением, ориентируясь в соответствии с опорной сеткой их внешней среды.

Эпизодическая память

Клетки места играют важную роль в эпизодической памяти . Одним из важных аспектов эпизодической памяти является пространственный контекст, в котором произошло событие. Местные клетки гиппокампа имеют стабильные паттерны срабатывания даже тогда, когда сигналы от места удаляются, а определенные поля места начинают срабатывать при воздействии сигналов или подмножества сигналов от предыдущего места. Это предполагает, что ячейки места обеспечивают пространственный контекст для памяти, вызывая нейронное представление среды, в которой возникла память. Устанавливая пространственный контекст, клетки места играют роль в завершении паттернов памяти. Кроме того, ячейки места могут поддерживать пространственное представление одного места, вызывая нейронную карту отдельного места, эффективно различая настоящий опыт и прошлое воспоминание. Поэтому считается, что ячейки мест демонстрируют как завершение узора, так и качество разделения узоров.

Завершение шаблона

Завершение паттерна - это способность вспомнить все воспоминания по частичному или ухудшенному сенсорному сигналу. Ячейки места способны поддерживать стабильное поле стрельбы даже после того, как важные сигналы удалены из местоположения, что позволяет предположить, что они могут вспомнить шаблон, основанный только на части исходного ввода. Более того, завершение шаблона, демонстрируемое ячейками места, является симметричным, потому что вся память может быть извлечена из любой ее части. Например, в памяти ассоциации объект-место пространственный контекст может использоваться для вызова объекта, а объект может использоваться для вызова пространственного контекста.

Разделение рисунка

Разделение паттернов - это способность отличать одно воспоминание от других сохраненных воспоминаний. Разделение паттернов начинается в зубчатой ​​извилине , части гиппокампа, участвующей в формировании и восстановлении памяти. Гранулярные клетки в зубчатой ​​извилине обрабатывают сенсорную информацию, используя конкурентное обучение , и передают предварительное представление, чтобы сформировать поля мест. Поля места чрезвычайно специфичны, так как они способны переназначать и регулировать скорость стрельбы в ответ на тонкие изменения сенсорных сигналов. Эта специфика имеет решающее значение для разделения паттернов, поскольку она отличает воспоминания друг от друга.

Реактивация, повтор и предварительная игра

Ячейки места часто демонстрируют реактивацию за пределами своих полей места. Эта реактивация имеет гораздо более быстрый временной масштаб, чем реальный опыт, и происходит в основном в том же порядке, в котором она была первоначально испытана, или, реже, в обратном порядке. Считается, что воспроизведение играет функциональную роль в восстановлении и консолидации памяти . Однако, когда воспроизведение нарушается, это не обязательно влияет на кодирование места, а это означает, что оно не обязательно для консолидации во всех обстоятельствах. Такая же последовательность действий может происходить до реального опыта. Это явление, называемое предварительной игрой, может иметь значение для прогнозирования и обучения .

Модельные животные

Клетки места были впервые обнаружены у крыс, но с тех пор клетки места и похожие на места клетки были обнаружены у ряда различных животных, включая грызунов, летучих мышей и приматов. Кроме того, в 2003 году были обнаружены доказательства наличия у людей клеток-мест.

Крыса с имплантированным электродом

Грызунов

И крысы, и мыши часто используются в качестве модельных животных для исследования клеток места. Крысы стали особенно популярными после разработки электродов с несколькими матрицами, которые позволяют одновременно регистрировать большое количество клеток. Однако у мышей есть то преимущество, что доступен больший диапазон генетических вариантов. Кроме того, мышей можно закрепить на голове, что позволяет использовать методы микроскопии, чтобы смотреть прямо в мозг. Хотя крысы и мыши имеют схожую динамику клеток места, мыши имеют меньшие клетки места, и на дорожке того же размера увеличивается количество полей места на клетку. Кроме того, их воспроизведение слабее, чем у крыс.

Помимо крыс и мышей, клетки-места были обнаружены также у шиншилл .

Кроме того, у крыс есть социальные клетки места, клетки, которые кодируют положение других крыс. Это открытие было опубликовано в Science одновременно с отчетом о социальных клетках у летучих мышей.

Летучие мыши

Клетки места были впервые обнаружены у египетских летучих мышей в 2007 году Нахумом Улановским и его лабораторией. У ячеек места у летучих мышей есть поле места в 3D, что, вероятно, связано с тем, что летучая мышь летает в трех измерениях. Клетки места у летучих мышей могут быть основаны либо на зрении, либо на эхолокации, которое происходит при переключении между ними. У летучих мышей также есть социальные ячейки; это открытие было опубликовано в Science одновременно с отчетом о социальных клетках у крыс.

Приматы

Связанные с местом реакции были обнаружены в клетках японской макаки и обыкновенной мартышки , однако вопрос о том, являются ли они клетками истинного места или клетками пространственного видения, все еще обсуждается. Ячейки пространственного обзора реагируют на местоположения, которые визуально исследуются движением глаз или «видом пространства», а не на местоположение тела обезьяны. У макаки клетки регистрировали, когда обезьяна ехала на моторизованном такси по экспериментальной комнате. Кроме того, у макак были обнаружены реакции, связанные с местом, когда они перемещались в виртуальной реальности. Совсем недавно клетки места могли быть идентифицированы в гиппокампе свободно передвигающихся макак и мартышек.

Нарушения функции клеток

Влияние алкоголя

Скорость активации клеток места резко снижается после воздействия этанола, вызывая снижение пространственной чувствительности, которая, как предполагается, является причиной нарушения пространственной обработки после воздействия алкоголя.

Болезнь Альцгеймера

Считается, что проблемы с пространственной памятью и навигацией являются одним из первых признаков болезни Альцгеймера . На моделях мышей с болезнью Альцгеймера было показано, что клетки места дегенерируют, что вызывает такие проблемы с пространственной памятью у этих мышей. Более того, клетки места в этих моделях имеют нестабильные представления о пространстве и не могут изучать стабильные представления о новых средах, а также размещать клетки у здоровых мышей. Тета-волны гиппокампа, а также гамма-волны, которые влияют на активацию клеток места, например, посредством фазовой прецессии, также подвержены влиянию.

Старение

Свойства поля места, включая скорость стрельбы и характеристики шипов, такие как ширина и амплитуда шипов, в значительной степени схожи у молодых и старых крыс в области гиппокампа CA1. Однако, в то время как размер пространственных полей в области CA3 гиппокампа остается неизменным у молодых и старых крыс, средняя частота выстрелов в этой области выше у старых крыс. Молодые крысы обладают пластичностью пространственного поля: при движении по прямой траектории поля мест активируются одно за другим. Когда молодые крысы неоднократно проходят один и тот же прямой путь, связь между полями мест усиливается из-за пластичности, вызывая более быстрое срабатывание последующих полей мест и вызывая расширение поля мест, что, возможно, помогает молодым крысам в пространственной памяти и обучении. Однако это наблюдаемое расширение поля места и пластичность уменьшаются у старых крыс, что, возможно, снижает их способность к пространственному обучению и памяти.

Эту пластичность можно спасти у старых крыс, дав им мемантин , антагонист, который блокирует рецепторы NMDA, который, как известно, улучшает пространственную память, и поэтому был использован в попытке восстановить пластичность поля места у пожилых людей. Рецепторы NMDA, которые являются рецепторами глутамата , проявляют пониженную активность у пожилых людей. Применение мемантина приводит к увеличению пластичности поля места у старых крыс. Хотя мемантин помогает в процессе кодирования пространственной информации у старых крыс, он не помогает в поиске этой информации позже.

Кроме того, у пожилых крыс обнаруживается высокая нестабильность в своих клетках места в области CA1. При введении в одну и ту же среду несколько раз карта гиппокампа среды менялась примерно в 30% случаев, что позволяет предположить, что клетки места переназначаются в ответ на одну и ту же среду. Напротив, клетки места СА3 демонстрируют повышенную пластичность у пожилых людей. Одни и те же поля места в области CA3 активируются в одинаковых средах, тогда как разные поля мест у молодых крыс будут срабатывать в одинаковых средах, потому что они улавливают тонкие различия в этих средах. Одной из возможных причин этих изменений пластичности может быть повышенная зависимость от сигналов самодвижения.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки

  • СМИ, связанные с размещением ячеек на Викискладе?