Вы находитесь на пути к работе, когда ваш ум перемещается вперед к лекции, которую вы должны прочитать днем. Вы репетируете свой разговор с собой, подъезжая к офису, готовясь к вопросам, которые могут задать ваши коллеги. Позже, когда вы отбираете свой почтовый ящик, вы выбираете варианты обеда и бесконечно прокручиваете.

Это всего лишь несколько примеров того, как каждое действие, которое мы совершаем в реальном мире, сопровождается скрытым, альтернативным действием, которое мы только воображали. Значительные исследовательские усилия были вложены в понимание того, как и почему мы принимаем активные решения, но новые данные свидетельствуют о том, что время, которое мы проводим в альтернативных реалиях, также служит важной неврологической цели.

Многие части мозга работают вместе, чтобы построить наши ментальные карты, но основными игроками в пространственной навигации являются гиппокамп, место памяти в мозге, и энторинальная кора, которая лежит рядом с гиппокамп и передает информацию, сгенерированную там, в более высокие области обработки.

Еще в 1948 году было предложено, чтобы грызуны полагались на разнообразные сигналы окружающей среды для создания карт для вознаграждения в задачах изучения лабиринта. Тем не менее, природа этой карты и клетки, которые ее генерировали, оставались загадкой. Тридцать лет спустя исследователи обнаружили, что определенные клетки гиппокампа у крыс стреляют чаще, когда попадают в определенные места. Примечательно, что схемы запуска этих сетей клеток стабильны во времени, даже при отсутствии сигналов, которые присутствовали при их начальной активации. Открытие этих дескриптивно названных «клеток места» проложило путь к более точному исследованию нейробиологической основы поиска пути.

Когда ячейки места были обнаружены, их предполагаемой функцией было создание однозначной топографической карты данного пространства. На пути из физического мира в мозг большинство наших сенсорных представлений показывают то, что известно как топографическая организация, Представьте, что вы садитесь в машину и отправляетесь на неизвестные детали. Вы можете полагаться на спутниковую навигацию, GPS или бумажную карту, которая поможет вам добраться до пункта назначения. Так же, как каждая точка на вашей карте соответствует определенному ориентиру в вашем путешествии, расположите ячейки, привязанные к определенным ориентирам в окружающей среде, чтобы ориентировать вас в пространстве.

Наша внутренняя пространственная топография является более сложной, с клетками гиппокампа, кодирующими представления определенных стимулов, сигналов или вознаграждений в контексте того, как животное ведет себя в этих пространствах. Например, представьте, что вы прибываете в аэропорт в незнакомой стране. Вы можете иметь общие знания о концепции аэропорта, а также знакомые визуальные ориентиры, которые закрепят вас в этом новом пространстве. Часть этой информации является биографической, опираясь на ваши уникальные воспоминания о других аэропортах.

В зависимости от того, были ли эти переживания положительными или отрицательными, эмоциональная значимость этих пространств также будет влиять на вашу личную карту, и все эти факторы в совокупности создают впечатление пространства, которое гораздо богаче, чем простая совокупность ориентиров.

«Поместите клетки, привязанные к определенным ориентирам в окружающей среде, чтобы ориентировать вас в пространстве».

Более поздние исследования на приматах показали, что клетки гиппокампа функционируют в мозге приматов несколько иначе, чем в мозге грызунов, запускаясь в ответ на множество различных стимулов, которые не строго привязаны к месту. Продолжающаяся работа на мышах, приматах и ​​людях также установила, что гиппокамп не является одиночным актером. Войдите в энторинальную кору, которая передает сенсорную информацию в гиппокамп и действует как мост к неокортексу, где выдают многие из наших более сложных когнитивных и моторных команд.

Исследователи недавно описали сеть клеток внутри энторинальной коры, называемая «ячейками сетки», которые кодируют ваше собственное движение относительно вашей среды, добавляя критическую часть к головоломке ячейки места, когда речь идет о более широких навигационных стратегиях. Сетевые сети могут более точно отображать направление и расстояния между объектами в пространстве, основываясь на сигналах внутреннего движения, а не на сенсорном входе самого пространства. Эти системы работают вместе для динамического представления пространств способами, которые могут быть изменены с помощью опыта, гибко внедряя новую информацию, но также позволяя этим пространствам становиться знакомыми с течением времени.

Но как только мы имеем представление о пространстве, как мы решаем, как взаимодействовать с ним? Это требует активного принятия решений, а топливо для принятия решений - награда. Именно здесь непространственные атрибуты нейронов, которые составляют наши навигационные системы, становятся особенно важными. Исследователи обнаружили в исследованиях на грызунах, что воспринимаемая ценность награды или значимость определенных объектов в окружающей среде могут смещать образцы стрельбы клеток в их направлении. Следовательно, более высокое прогнозируемое значение вознаграждения, связанное с данным поворотом или местоположением в лабиринте предсказывать движение в этом направлении, Так что насчет не выбранных путей?

Недавно команда исследователи в UCSF измеряли обстрел клеток гиппокампа у крыс при выполнении задач пространственной навигации. Крыс помещали в лабиринт, и их нейронная активность отображалась в реальном времени, когда они выбирали между путями, которые расходились в выбранной точке. Таким образом, исследователи смогли назначить уникальные схемы стрельбы по местным клеткам, которые соответствовали каждой руке лабиринта после того, как крыса сделала выбор и продолжила путешествовать по нему.

Поразительно, когда крыса приблизилась к точке выбора, каждый из наборов ячеек места, которые представляли любую руку лабиринта, быстро стрелял поочередно, бросая кости в любое возможное будущее, прежде чем был сделан выбор. Это означает, что не только путь, по которому животное в конечном итоге идет в реальном времени, но и возможный альтернативный путь, одинаково представлены в нервном пространстве, обеспечивая механистическое объяснение ментальных представлений о будущем.

«Возможный альтернативный путь одинаково представлен в нейронном пространстве, обеспечивая механистическое объяснение ментальных представлений о будущем».

У грызунов навигационные исследования проводятся в простых настольных сборках, которые не могут охватить сложность реальной окружающей среды. Виртуальная реальность становится все более популярным как личное развлечение, но оно также предлагает исследователям беспрецедентный уровень разнообразия и контроля в исследованиях пространственной навигации. Группа в Великобритании использовала мобильную игру под названием Sea Hero Quest, чтобы захватить один из крупнейших наборов данных о пространственных рассуждениях среди всех зарегистрированных возрастных групп.

Данные игрового процесса указывает на то, что пространственные рассуждения могут начать уменьшаться, когда нам всего лишь 19 лет, и варианты выбора игроков различались в зависимости от того, носили ли они вариант e4 гена APOE, который долгое время использовался в качестве клинического диагностического маркера болезни Альцгеймера. Подобные новые стратегии, которые превращают простые мобильные игры в инструменты сбора клинических данных, могут значительно расширить наше понимание того, как именно развиваются нейродегенеративные заболевания, и ускорить разработку ранней диагностики с высокой степенью персонализации.

Большая часть нашего понимания того, как мы думаем о будущем, возникла благодаря изучению пациентов, которые больше не могут вспомнить прошлое. С самых ранних дней нейробиологии, когда исследования поражений часто были наиболее информативными инструментами в нашем распоряжении, чтобы узнать о функции различных частей мозга, мы поняли, что гиппокамп необходим для восстановления памяти.

Повреждение гиппокампа связано с амнезией, а также с нарушением пространственного мышления. Но несколько значительных исследований показали, что повреждение гиппокампа также влияет на способность воображать гипотетические события. Соответственно, пациенты с амнезией не только с трудом вспоминают недавнюю биографическую информацию, но и могут получить только общие заявления о предстоящих событиях в своей жизни.

Потеря памяти часто встречается с возрастом, но, как показывают многие исследования, наша способность ориентироваться в космосе также уменьшается с возрастом, Этот дефицит проявляется в более раннем возрасте, чем другие общие показатели когнитивных нарушений, что позволяет предположить, что некоторые функции навигационной системы уникальны и работают независимо от других видов памяти и обработки информации в гиппокампе.

Наиболее уязвимыми структурами в стареющем мозге являются те, которые кодируют движение, такие как энторинальная кора. Обжигание клеток гиппокампа также становится нестабильным у более старых крыс. Важно отметить, что структуры, отвечающие за ориентирование нас в космосе, также являются наиболее уязвимыми для патологии болезни Альцгеймера, указывая на нарушение навигации как потенциальный критерий ранней диагностики этого и других нейродегенеративных состояний, таких как болезнь Паркинсона.

Наша повседневная жизнь полна решений, как сознательных, так и бессознательных. Но, как показывает все больше фактов, наш мозг способен путешествовать по тем же путям, которые мы выбираем, и тем, которым мы отказываемся.

Продолжая изучать сложные взаимосвязи между пространственной навигацией, памятью и нейродегенерацией, мы можем обнаружить, что время, которое мы проводим, размышляя над тем, что могло бы быть, столь же важно, как и время, которое мы тратим на активное планирование. И хотя снижение когнитивных функций воспринимается как нормальная часть старения, поддержание этих функций с помощью простых умственных упражнений, таких как головоломки, игры в слова или чтение, может помочь сохранить эти нервные пути. Таким же образом мы можем использовать наши навигационные системы, намечая курсы по тем путям, которые нам еще предстоит пройти. Поэтому в следующий раз, когда вы обнаружите, что изо всех сил пытаетесь вернуть свой ум к выполнению поставленной задачи, поэкспериментируйте с тем, чтобы позволить ему побродить немного дальше.

Эта статья первоначально появилась на Зная нейроны

Ссылки:

Buckner, RL (2010). Роль гиппокампа в предсказании и воображении. Ежегодный обзор психологии 61, 27-48.

Кофлан, Г., Котро, А., Хондокер, М., Минихейн, А., Спайерс, Х., и Хорнбергер, М. (2019). К персонализированной когнитивной диагностике болезни Альцгеймера, подверженной генетическому риску. ПНАС 116(19), 9285-9292.

Дирш, Н., и Вольберс, Т. (2019). Потенциал виртуальной реальности для исследования пространственной навигации на протяжении всей жизни взрослого человека. Журнал экспериментальной биологии 222, jeb187252 doi: 10.1242 / jeb.187252

Эйхенбаум, Х., Дудченко, П., Вуд, Э., Шапиро, М., и Танила, Х. (1999). Гиппокамп, клетки памяти и места. НейронФункциональная единица нервной системы, нервная клетка, ..., 23(2), 209-226.

Giocomo, LM (2015). Пространственное представление: карты фрагментированного пространства. Современная биология, 25(9), Р362-Р363.

Кей, К., Чанг, Дж. Э., Соса, М., Шор, Дж. С., Карлссон, член парламента, Ларкин, М. С., Лю, Д. Ф. и Франк, Л. М. (2020). Постоянный субсекундный цикл между представлениями о возможном будущем в гиппокампе. Cell, 180(3), 552-567.

Лестер, А.В., Моффат, С.Д., Винер, Дж. М., Барнс, Калифорния, и Вольберс, Т. (2017). Навигационная система Aging. Нейрон 95(5), 1019-1035.

books_science