Войти
Пространственные схемы срабатывания 8-ми разрядных ячеек, записанные со слоя CA1 крысы. Крыса бегала взад и вперед по эстакаде, останавливаясь на каждом конце, чтобы съесть небольшую награду за еду. Точки указывают позиции, в которых были записаны потенциалы действия, а цвет указывает, какой нейрон излучал этот потенциал действия. A ячейка представляет собой своего рода пирамидный нейрон в гиппокампе, который становится активен, когда животное входит в определенное место в своей среде, которое известно как поле места. 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 прилегающих регионах для выполнения такого рода пространственной обработки. Они были обнаружены у различных животных, включая грызунов, летучих мышей, обезьян и людей.
Образцы возбуждения клеток места часто определяются стимулами в окружающей среде, включая зрительные ориентиры, обонятельные и вестибулярные стимулы. У ячеек места есть способность внезапно менять свой образец возбуждения с одного 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 находилась память. 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'Киф за открытие клеток места, а также Эдварду и Мэй-Бритт Мозер за обнаружение ячеек сетки.
Местные клетки были впервые обнаружены Джоном О'Кифом и Джонатаном Достровским в 1971 году в гиппокампе раковой опухоли. ts. Они заметили, что крысы с нарушениями в их гиппокампе плохо справлялись 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 испытательной платформы, обращенной в определенном направлении». Эти ячейки позже будут называться ячейками места.
Воспроизвести медиа На этом видео показана крыса, бегающая по кругу (черная линия) и каждый раз, когда активна конкретная ячейка (красные точки). Красные точки группируются вокруг одного места, которое является полем места ячейки. В 1976 году О'Киф провел дополнительное исследование, продемонстрировав наличие того, что они назвали единицами места. Эти единицы были ячейками, которые стреляли в определенном месте окружающей среды, поле места. Они описаны как имеющие низкий уровень активности в состоянии покоя (<1 Hz) when a rat is not in its place field, but a particularly high firing rate, which can be over 100 Hz in some cases, within the place field. Additionally, O'Keefe described 6 special cells, which he called misplace units, which also fire only in a particular place, but only when the rat performed an additional behaviour, such as sniffing, which was often correlated with the presence of a novel stimulus, or the absence of an expected stimulus. The findings ultimately supported the cognitive map theory, the idea that the hippocampus hold a spatial representation, a когнитивная карта окружающей среды.
Было много споров относительно того, зависит ли функция локальных клеток гиппокампа от ориентиров в окружающей среде, на границах среды или во взаимодействии между ними. Кроме того, не все клетки места полагаются на одни и те же внешние сигналы. Одно важное различие в сигналах - локальные и дистальные, где локальные сигналы появляются в непосредственной близости от объекта., в то время как дистальные реплики находятся далеко и действуют больше как ориентиры. Было показано, что отдельные клетки места следуют за одним из них или полагаются на оба. Кроме того, реплики, на которые опираются клетки места, могут зависеть от предыдущего опыта субъекта и важности
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 и 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, согласно которой гиппокамп имеет более общую функцию, кодирующую непрерывные переменные, и местоположение как раз оказывается 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 Это было предположил, что клетки места являются производными ячеек 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. Связь может возникать через изучение хеббского языка. Но ячейки сетки могут выполнять более вспомогательную роль в формировании полей мест, таких как ввод интегрирования путей. Другое непространственное объяснение функции гиппокампа предполагает, что гиппокамп выполняет кластеризацию входных данных для создания представлений текущего контекста - пространственного или непространственного.
Клетки места находятся в гиппокампе, структуре в медиальной височной доле мозга. мозг. Ячейки места срабатывают в определенной области среды, известной как поле места. Поля места примерно аналогичны рецептивным полям сенсорных нейронов в том, что область возбуждения соответствует области сенсорной информации в окружающей среде. Однако, в отличие от рецептивных полей, ячейки мест не показывают топографии, что означает, что две соседние ячейки не обязательно имеют поля соседних мест. Поместите шипы огня ячеек в всплески с высокой частотой внутри поля места, но за пределами поля места они остаются относительно неактивными. Поля мест являются аллоцентрическими, что означает, что они определены относительно внешнего мира, а не тела. 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 с местами содержат несколько полей мест, которые обычно нерегулярны. Ячейки места также могут показывать направленность, что означает, что они будут срабатывать только в определенном месте при движении в определенном направлении.
Пример переназначения ячеек места, с изменением местоположения поля места ячейки 1 между средой и ячейкой 2 теряет свое поле места в среде 2. Повторное отображение относится к изменению характеристик поля места, которое происходит, когда субъект испытывает новую среду или ту же среду в новом контексте. Об этом феномене 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 большинства 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 поставленной задаче.
Срабатывание ячеек места синхронизируется по времени относительно локальных тета-волн, процесс, называемый прецессией фазы. 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.
В некоторых случаях ячейки места показывают направленность, то есть они будут только огонь в том месте, где объект движется в определенном направлении. Однако они также могут быть всенаправленными, то есть стрелять независимо от направления объекта. Отсутствие направленности в некоторых ячейках мест может происходить особенно в бедных средах, тогда как в более сложных средах направленность усиливается. лабиринт с радиальными рукавами является одной из таких сред, где действительно имеет место направленность. 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.
Первоначально считалось, что срабатывание ячеек места напрямую связано с простыми сенсорными входами, но исследования предположили, что это может быть не так. Поля мест обычно не подвержены сильным сенсорным изменениям, таким как удаление ориентира из окружающей среды, но 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 до того, как фактически достигает структуры, так что информация, полученная клетками места, является компиляцией, функциональной производной различных стимулов.
Анатомия образование гиппокампа, включая энторинальную кору (EC), зубчатую извилину (DG) и различные субполя гиппокампа (CA1 и CA3). На вставке показана связь 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 пожар в определенной среде. Метрическая сенсорная информация - это любой пространственный ввод, который может указывать расстояние между двумя точками. Например, края среды могут сигнализировать о размере всего поля места или расстоянии между двумя точками в поле места. Метрические сигналы могут быть линейными или направленными. Направленные входы предоставляют информацию об ориентации поля места, тогда как линейные входы по существу формируют репрезентативную сетку. Контекстные подсказки позволяют существующим 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 они достигнут 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.
Пространственные сигналы, такие как геометрические границы или ориентирующие ориентиры, являются важными примерами метрических входных данных. 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.
Хотя клетки места в первую очередь полагаются на зрительно-пространственный вход, некоторые исследования показывают, что обонятельный вход также может влиять на формирование и стабильность полей места. Обоняние может компенсировать потерю визуальной информации или даже быть ответственным за формирование стабильных полей места 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 вызывать переназначение клеток места.
Стимулы от вестибулярной системы, такие как вращения, могут вызывать изменения. на место клетки стреляют. После получения вестибулярного сигнала некоторые клетки места могут переназначаться для согласования с этим вводом, хотя не все клетки будут переназначены и больше зависят от зрительных сигналов. Двусторонние поражения вестибулярной системы у пациентов могут вызывать аномальное возбуждение места гиппокампа ячеек, о чем, в частности, свидетельствуют трудности с пространственными задачами, такими как лабиринт с радиальными рукавами и задача навигации по воде Морриса.
Сетка и ячейки размещения способствуют интеграция пути, процесс, 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 пути. Это особенно верно в случае отсутствия непрерывных сенсорных сигналов. Например, в среде с отсутствием визуально-пространственных входов животное может искать край среды, используя прикосновение, и распознавать местоположение на основе расстояния своего движения от этого края. Интеграции путей в значительной степени помогают ячейки сетки, которые представляют собой тип нейрона в энторинальной коре, который передает информацию, чтобы разместить клетки в гиппокампе. Ячейки сетки создать представление сетки в месте, так что во время движения места клетка может стрелять в соответствии с их новым местом, ориентируясь по координатной сетке их внешней среды.
Place клетки 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 активироваться при воздействии сигналов или подмножества сигналов от предыдущего места. Это говорит о том, что ячейки места обеспечивают пространственный контекст для памяти, вспоминая нейронное представление среды, в которой возникла память. Устанавливая пространственный контекст, клетки места играют роль в завершении паттернов памяти. Кроме того, ячейки места способны поддерживать пространственное представление одного места, вызывая нейронную карту отдельного места, эффективно различая настоящий опыт и прошлое воспоминание. Поэтому считается, что ячейки места демонстрируют как завершение паттерна, так и качества разделения паттерна.
Завершение паттерна - это способность вызвать всю память из частичного или ухудшенного сенсорного сигнала. Ячейки места способны поддерживать стабильное поле стрельбы даже после того, как важные сигналы удалены из местоположения, предполагая, 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 шаблонов - 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 с помощью конкурентного обучения и передают предварительное представление для формирования полей мест. Поля места чрезвычайно специфичны, так как они способны переназначать и регулировать скорость стрельбы в ответ на тонкие изменения сенсорных сигналов. Эта специфичность имеет решающее значение для разделения паттернов, поскольку она отличает воспоминания друг от друга.
Ячейки места часто демонстрируют реактивацию вне их 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 изначально, или, реже, в обратном. Считается, что воспроизведение играет функциональную роль в извлечении памяти 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 предварительным воспроизведением, может иметь значение для прогнозирования и обучения.
Местные клетки были впервые обнаружены у крыс, но клетки места и подобные места клетки с тех пор были обнаружены у ряда различных животных, включая грызунов, летучих мышей и приматов. Кроме того, в 2003 году были обнаружены доказательства наличия у людей клеток места.
Крыса с имплантированным электродом 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 прикрепить к 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 по сравнению с воспроизведением у крыс.
Помимо крыс и мышей, клетки места также были обнаружены у шиншилл.
Крысы, кроме того, имеют социальные клетки места, клетки, которые кодируют положение других крыс. Это открытие было опубликовано в Science одновременно с отчетом о социальных ячейках у летучих мышей.
Ячейки места были зарегистрированы у египетских летучих мышей. впервые в 2007 году Начумом Улановским и его лабораторией. Ячейки места у летучих мышей имеют поле места в 3D, что, вероятно, связано с полетом летучей мыши 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 места у крыс.
Связанные с местом реакции были обнаружены в клетках японской макаки и обыкновенная мартышка, однако вопрос о том, являются ли они ячейками истинного места или ячейками пространственного обзора, 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 ответы, связанные с местом, когда они перемещались в виртуальной реальности. Совсем недавно клетки места, возможно, были идентифицированы в гиппокампе свободно движущихся макак и мартышек.
Скорость активации клеток места снижается резко после воздействия этанола, вызывая снижение пространственной чувствительности, что, как предполагается, является причиной нарушений пространственной обработки после воздействия алкоголя.
Считается, что проблемы с пространственной памятью и навигацией быть 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 для новой среды, а также клетки места у здоровых мышей. Тета-волны гиппокампа, а также гамма-волны, которые влияют на активацию клеток места, например, посредством фазовой прецессии, также подвержены влиянию.
Свойства поля места, включая скорость возбуждения и характеристики шипов, такие как ширина и амплитуда шипов, в значительной степени сходны у молодых и старых крыс в области гиппокампа CA1. Однако, хотя размер полей мест в области гиппокампа CA3 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 восстановить 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 представляют собой рецепторы 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 пожилых крыс, он не помогает в поиске этой информации позже.
Старые крысы также демонстрируют высокую 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 CA3 демонстрируют повышенную пластичность у пожилых людей. Одни и те же поля мест в регионе CA3 активируются в аналогичных 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.
Средства массовой информации, относящиеся к Поместите ячейки на Wikimedia Commons