O sistema de navegação do cérebro

Neuroscientist diz de neurônios hippocampus o mapa cognitivo do espaço e o cérebro.

A capacidade de navegar no espaço e determinar o estado de assuntos é importante para a sobrevivência de seres humanos, mamíferos e outras criações móveis. Nas últimas décadas, a pesquisa no campo da percepção espacial é especialmente bem sucedida e torne-se um sujeito do interesse especial a psicólogos, neuroscientists e matemáticos. Estes estudos permitiram entender algumas estratégias usadas por animais no processo da navegação e grupo identificado de tipos de célula responsáveis por processar a informação espacial. Ajudou a definir uma armação para entender as imagens neurais e mecanismos que são a base disto capacidades cognitivas básicas. Algumas descobertas-chave na área resumidamente resumida abaixo.

Mapa cognitivo

Na psicologia, o começo de XX século dominou-se pela teoria comportamental. O behaviorismo entende o comportamento do animal em consequência das sequências adquiridas "estímulo - reação", levando aos resultados desejados. A maior parte de estudos comportamentais conduziram-se em ratos, que se adestram a navegar o labirinto de graus diferentes da dificuldade, adquirir a recompensa - comida. Segundo os behavioristas, os ratos aprendem a navegar memorizando uma sequência de ações (eg, a sequência de voltas), que levou a uma recompensa saborosa. Contudo, Edward Tolman foi o primeiro em pôr na pergunta esta visão. Tolman sugeriu que o animal tem uma série de sistemas internos que podem guiá-lo flexivelmente em direção à realização dos objetivos. Tolman supôs que os animais têm o assim chamado mapa cognitivo - um quadro mental do ambiente circundante, que transporta a informação sobre o achado de marcos-chave diferentes e a sua relação um com outro. Este modelo apoia a orientação em um ambiente complexo que se modifica. Tolman testou a hipótese com alguns experimentos.

Em um experimento, os ratos primeiro para realizar os prêmios adestraram-se a superar uma série de labirintos circulares. Este problema resolve-se com uma estratégia simples "do estímulo - reação". Depois do treinamento nesta tarefa a porção anular do labirinto retirou-se e construiu-se para substituir a parte dos corredores, organizados no modelo dos raios do sol. Só um destes corredores levou ao prêmio. Se usou anteriormente a estratégia de animais "estímulo - resposta" para resolver este problema, mas esta vez não seriam capazes de resolver esta parte do problema nesta maneira. Contudo, muitos deles escolhem o corredor direito - uma pista nunca tinham elegido e realizaram prêmios. Tolman sustentou que os animais podem resolver esta parte do problema, como formaram um mapa cognitivo mental do labirinto, que permite selecionar vias novas e adaptáveis.

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Em outras palavras, os animais podem mover-se entre duas posições a ausência da informação sobre o ambiente, tal tão na escuridão, como combinam os seus sinais internos. Os exemplos de tais sinais são o sistema vestibular que controla o movimento de corpo, proprioception (o sentido da autopostura no espaço) indica a posição dos membros e sinais motores efferent de informar movimentos que o cérebro encomendou recentemente, e o corpo faz-se. Hurst e Marie-Louise Mittelsteadt verificaram se o gerbo confia no caminho de integração no experimento, onde os roedores tiveram de encontrar o seu filhote em uma arena circular e voltar à casa, localizada na borda da arena. Se os gerbos lentamente viraram a arena, portanto não notam a rotação, os roedores estiveram enganados no caminho atrás - na proporção à rotação, para a qual se fizeram girar. Isto contém que nesta tarefa, confiaram nos seus sinais vestibulares internos.

Lugares de neurônios

John O'Keefe e os colegas conduziram uma série de experimentos com ratos livremente móveis, durante os quais passaram a atividade de registro extracelular do hippocampus - o departamento cerebral, localizado no lobo temporal medial. O'Keefe e os seus colegas encontraram que a atividade das áreas de célula principais CA1 e Ca3 se predisse quase exatamente a posição espacial dos animais. O'Keefe chamou estes neurônios de células lugar. Os lugares de neurônios normalmente inativos, mas muito aumentam a sua atividade quando o animal passa por um lugar onde há uma área da ativação de neurônio. As células diferentes são sensíveis a lugares diferentes da área circundante, então em qualquer lugar é ativo só um pequeno grupo de células, com uma exatidão de codificar a posição do animal. Além disso, nos lugares de neurônios de nível de população fornecem uma espécie de "mapa" do ambiente, tal Tolmanovsky mapa cognitivo. Já que um espaço de operação médio de neurônios é constante a tempo e permite o ambiente e as largas linhas guias permanecem o mesmo. Contudo, em uma célula de lugar de ambiente diferente pode modificar a sua posição ou atividade para parar a atividade completamente. Este processo chama-se refazendo o mapa. Assim, qualquer meio terá certa representação do espaço de neurônio. Os neurônios colocam intensivamente estudado durante quase 40 anos, encontra-se em várias espécies, inclusive ratos, bastões e seres humanos.

De maneira interessante, a atividade de neurônios no lugar parece vulnerável à influência das mesmas variáveis que afetam a orientação dos animais. Por exemplo, as chaves distal (pontos de referência) ou a geometria de ambiente circundante. Por exemplo, se os animais estiverem em um ambiente simples com um cartão-chave na parede como o único ponto de referência, então, se este cartão se virará a certa posição, a posição dos lugares de neurônio vai se fazer girar também. Os neurônios são capazes de colocar a confiança na informação recebida dos caminhos da integração. Viram-se no uso de sinais internos nas condições experimentais que causam um conflito entre os sinais internos e externos. Contudo, em circunstâncias normais, principalmente na atividade de célula de lugar afeta a informação sobre ambiente.

Neurônios na direção da cabeça

Outro tipo de neurônios é neurônios na direção da cabeça. Descobriu-se por James Rankin e os seus colegas. Diferentemente da ação de célula de lugar de direção de cabeça de neurônios os potenciais podem ativar-se em qualquer lugar no ambiente. No entanto os neurônios de direção dianteiros só ativam-se quando a cabeça do animal se orienta em uma direção preferencial no avião horizontal da célula. Cada neurônio direção preferencial diferente, e em conjunto, estas células podem ser a base de um senso de direção. As células identificaram-se pela direção da cabeça em uma ampla variação de áreas do cérebro - tanto estruturas corticais como subcorticais como o núcleo do tálamo, e nos corpos mamillary, o córtex entorhinal, alguns dos quais a informação se projeta diretamente no hippocampus.

Como neurônios de lugar, a cabeça de direção de neurônios confia em sinais ambientais. As condições que levam a lugares de remapeamento neuroniais levam à direção neuronial que acompanha as rotações da cabeça. No entanto a direção de neurônios diferente do espaço dianteiro de neurônios que são ativos em todos os ambientes. Como giram, fazem une-se, como uma população única. Por exemplo, se uma célula tem uma direção preferencial em 60 ° e o outro - em 120 °, quando o animal se move para outro meio, dois neurônios modificam a sua direção preferencial da ativação em conjunto para manter o mesmo ângulo de proporção de 60 °.

Durante os anos 1980 e os anos 1990, a área de neuroscience, dedicado à compreensão das representações neurais da cognição espacial subjacente, foi muito produtiva, mas à grande abertura mais próxima teve de esperar duas décadas.

Neurônios de treliça

Em 2005, o estudo ativo do hippocampus re-lançou-se devido a que o maio - Britt e Edward Moser descobriu outro tipo do neurônio, que, como pareceu, se implicou no processamento da informação espacial. Como lugares de neurônios este tipo de células ativam-se no momento de estar em certo lugar. Embora em vez disso só se ativem uma vez em um determinado ambiente, ativaram-se sobre a área inteira um modelo triangular regular em umas "telhas". Por causa da sua natureza regular e que ocorre Moser chamou estes neurônios "barras". As grades são as células mais numerosas nas camadas superficiais do meio do córtex entorhinal (SEC), embora possam encontrar-se nas camadas mais profundas. A treliça de neurônio pode descrever-se de três modos: por meio da sua cobertura (a distância entre ativação de campos vizinha), orientação (os seus machados de treliça a alguma direção de referência) e a fase (treliça d-dimensional misalignment a um ponto externo de suporte). Além disso, treliça anatomicamente os neurônios organizaram em módulos que têm um alcance semelhante e orientação, mas cujas fases se deslocam por valores diferentes. A fase de tal neurônio pode modificar-se dependendo do ambiente no qual o animal é, mas, como com a direção de neurônios da cabeça, são ativos em todos os ambientes.

Importantemente, as modificações em fases e orientação de treliça neurônios consistentes dentro do seu módulo, mas pode variar em módulos diferentes. Quando os neurônios de treliça somente se abriram, acreditou-se que são o substrate neural do caminho de integração. Além disso, a sua descoberta atraiu a atenção de muitos teoristas que supuseram que a treliça neural possa desempenhar um papel importante na formação da atividade espacial de outras células, em particular lugar de neurônios. Embora os estudos recentes tenham conduzido para duvidar desta hipótese, desde que a atividade de neurônios no espaço continua a ausência da atividade de neurônios na treliça, e lá cultiva evidência que os neurônios na treliça também afetam o ambiente a saber a sua geometria e o grau da novidade. Contudo, os cientistas ainda acreditam que os neurônios de caniçada mais prováveis são um substrate da integração do território e, naturalmente, afetam a atividade de neurônios no lugar, embora sejam não necessariamente totalmente definem-no.

Borda de neurônios

Como já acima mencionado, a geometria do ambiente tem uma grande influência na atividade de neurônios espaciais diferentes. De fato, os primeiros modelos da sua atividade assumiram a existência de neurônios divisionais que codificam a distância ao limite mais próximo do meio e fornecem entradas ao lugar de neurônios. Neste modelo, supôs-se que estas células devem alongar-se ao longo dos limites de campanha e o ambiente específico deve controlar-se pela direção simples da cabeça. Tais células realmente encontraram-se há aproximadamente uma década, grupos de pesquisa e Moser O'Keefe independentemente em Subicle e CEA em ratos. Como esperado, estas células são mais ativas perto dos limites do meio, como paredes ou bordas agudas, e foram a área bem controlada da cabeça.

Por exemplo, uma borda de neurônio é totalmente personalizável à borda, que está ao Sul do animal. Se o segundo limite da paralela incluída à primeira borda, o neurônio desenvolve um novo campo da ativação ao longo da borda do norte de uma nova fronteira. O efeito da atividade neuronial no espaço de borda de neurônios necessita a investigação imediata. Embora se conheça que os limites de célula são uma projeção no hippocampus. Consequentemente, pode supor-se que as suas células de espaço de Atividade de formas ativas. O total resulta isto encontrou-se vários tipos de células, que se especializam no processamento de informação espacial no cérebro em roedores e mamíferos. Estas células fazem bem com o suporte da capacidade dos animais de encontrar o seu caminho. Mas como se relaciona ao ser humano?

A percepção espacial do ser humano

Bem estudado, que o hippocampus desempenha um papel principal na formação da memória, ou pelo menos manutenção e jogo de memória a curto prazo. Apesar disto, os cientistas ainda há uma pergunta se aceitar o hippocampus humano, semelhante ao hippocampus de roedores, participação na formação do comportamento espacial. Graças a avanços tecnológicos modernos em estudos de visualização cerebrais (eg, MRI funcional) os neuroscientists foram capazes de examinar o envolvimento das áreas diferentes do cérebro humano no processo de pensamento. Conforme os acima mencionados achados, conseguidos de experimentos com animais, estes estudos confirmaram a participação do hippocampus na regulação de várias atividades no espaço, especialmente aqueles que necessitam uma estratégia flexível de encontrar um caminho. Além disso, os pacientes com eletrodos intracraniais implantados com objetivos médicos, forneceram uma oportunidade única de explorar a atividade de neurônios individuais, que é a base do pensamento humano. Um certo número destes estudos foi baseado nos experimentos espaciais nos quais nas células de lobo temporais mediais se encontraram no mesmo lugar e reação às células de treliça em roedores.

Além disso, as descobertas feitas por experimentos com animais, inspiraram pesquisadores a investigar pacientes com o dano ao hippocampus. Estes estudos mostraram que pacientes com uns problemas hippocampus danificados normalmente observados com um comportamento espacial, especialmente no achado do caminho ao objetivo desejado. Finalmente, as doenças comuns associadas com a amnésia, por exemplo doença de Alzheimer, também são devido à deterioração da percepção espacial. Destes achados contém indiretamente que as conexões neurais que apoiam roedores de percepção espaciais, e pode encontrar-se em seres humanos.

Em geral, embora a maioria do sistema de navegação da pesquisa cerebral seja baseada em experimentos com roedores, temos a razão de acreditar que as descobertas feitas com a ajuda de animais, podem transferir-se para seres humanos, e assim fornecer uma compreensão profunda dos processos de neurobiological que apoiam a percepção espacial humana. Além disso, sabendo sobre o papel do hippocampus no processo mnemônico, os pesquisadores deste fenômeno só não podem derramar a luz nos mecanismos atrás do pensamento humano são, mas também descobrir os processos enfraquecidos em desordens de memória.