Du er på vei til jobb når tankene dine drar videre til foredraget du skal holde på ettermiddagen. Du øver på samtalen din til deg selv når du trekker deg opp på kontoret og forbereder deg på spørsmålene kollegene dine kan stille. Senere, mens du kaster e-postboksen din, muller du lunsjalternativene mens du blar i det uendelige.

Dette er bare noen få eksempler på hvordan hver handling vi tar i den virkelige verden også bærer den skjulte, alternative handlingen vi bare forestilte oss å ta. Det er investert betydelig forskningsinnsats for å forstå hvordan og hvorfor vår aktive beslutningsprosess, men nye bevislinjer forteller oss at tiden vi bruker i alternative realiteter også tjener et viktig nevrologisk formål.

Mange deler av hjernen jobber sammen for å bygge våre mentale kart, men de viktigste aktørene innen romlig navigasjon er flodhest, minnesetet i hjernen og hjernerystelsen, som ligger ved siden av hippocampus og videresender informasjonen som genereres der til høyere behandlingsområder.

Allerede i 1948 ble det foreslått at gnagere stoler på forskjellige miljømessige signaler for å generere kart for belønning i labyrintopplæringsoppgaver. Imidlertid forble arten av dette kartet og cellene som genererte det et mysterium. Tretti år senere observerte forskere at spesifikke hippocampalceller hos rotter skyter oftere når de kommer inn på bestemte steder. Bemerkelsesverdig er avfyringsmønstrene til disse nettverkene av celler stabile over tid, selv i fravær av ledetråder som var til stede ved deres første aktivering. Oppdagelsen av disse beskrivende navngitte "stedceller" banet vei for et mer presist avhør av det nevrobiologiske grunnlaget for stifindring.

Når stedceller ble oppdaget, var deres foreslåtte funksjon å lage et en-til-en topografisk kart over et gitt rom. På vei fra den fysiske verden til hjernen, viser de fleste av våre sensoriske fremstillinger det som er kjent som topografisk organisasjon. Se for deg å sette deg inn i bilen din og gå ut for ukjente deler. Du kan stole på satellittnavigasjon, GPS eller et papirkart for å lede deg til destinasjonen. Akkurat som hvert punkt på kartet ditt tilsvarer et spesifikt landemerke på reisen din, plasserer celler seg til bestemte landemerker i miljøet for å orientere deg i rommet.

Den interne romlige topografien vår er mer sofistikert, med hippocampalceller som koder for representasjoner av spesielle stimuli, signaler eller belønninger i sammenheng med hvordan dyret oppfører seg innenfor disse områdene. Tenk deg for eksempel å ankomme flyplassen i et ukjent land. Du har kanskje generell kunnskap om konseptet med en flyplass, sammen med kjente visuelle landemerker, som forankrer deg i dette nye rommet. Noe av denne informasjonen er biografisk, og tegner på dine unike minner fra andre flyplasser.

Avhengig av om disse opplevelsene var positive eller negative, vil den emosjonelle betydningen av disse områdene også bidra til ditt personlige kart, og alle disse faktorene kombineres for å skape opplevelsen av rommet som er mye rikere enn en enkel samling av landemerker.

"Plasser celler forankrer seg til bestemte landemerker i miljøet for å orientere deg i rommet."

Nyere studier på primater avslørte at hippocampalceller fungerer litt annerledes i primathjerner enn de gjør hos gnagerhjerner, og avfyres som respons på en rekke forskjellige stimuli som ikke er strengt plassert. Pågående arbeid med mus, primater og mennesker har også slått fast at hippocampus ikke er en ensom skuespiller. Gå inn i entorhinal cortex, som videresender sensorisk informasjon til hippocampus og fungerer som en bro til neocortex, der mange av våre mer sofistikerte kognitive og motoriske kommandoer blir gitt.

Forskere har nylig beskrevet a nettverk av celler i entorhinal cortex kalt "rutenettceller", som koder for din egen bevegelse i forhold til omgivelsene dine, og legger en kritisk brikke til stedcellepuslespillet når det gjelder bredere navigasjonsstrategier. Gitternettverk kan mer presist plotte retning og avstander mellom objekter i et rom, basert på interne bevegelsestegn heller enn sensoriske innspill fra selve rommet. Disse systemene arbeider sammen for å dynamisk representere mellomrom på måter som kan endres av erfaring, og fleksibelt innlemme ny informasjon, men også la romene bli kjent over tid.

Men når vi først har en representasjon av et rom i tankene, hvordan bestemmer vi hvordan vi skal samhandle med det? Dette krever aktiv beslutningstaking, og drivstoffet for beslutningen er belønning. Det er her de ikke-romlige attributtene til nevronene som utgjør navigasjonssystemene våre blir spesielt viktige. Forskere fant på tvers av gnagerstudier at den opplevde belønningsverdien eller betydningen av visse gjenstander i et miljø kan forskyve skytemønstrene til celler tyngre i retning deres. En høyere forutsagt belønningsverdi forbundet med en gitt sving eller beliggenhet i en labyrint ville derfor forutsi bevegelse i den retningen. Så hva med stiene som ikke er valgt?

Nylig har et team av forskere ved UCSF målte hippocampal sted cellefyring hos rotter når de fullførte romlige navigasjonsoppgaver. Rottene ble plassert i en labyrint, og deres nevrale aktivitet ble avbildet i sanntid da de valgte mellom stier som divergerte på et valgpunkt. På denne måten var forskerne i stand til å tildele unike mønstre av stedcellefyring som tilsvarte hver arm av labyrinten etter at rotta hadde tatt et valg og fortsatte å reise langs den.

Påfallende, når rotta nærmet seg valget, skjøt hvert av settene med stedceller som representerte hver arm av labyrinten raskt i veksling, og kastet terningen på en mulig fremtid før valget ble gjort. Det dette betyr er at ikke bare banen dyret til slutt kjører i sanntid, men den mulige alternative banen, er representert likt i det nevrale rommet, noe som gir en mekanistisk forklaring på mentale fremstillinger av fremtiden.

"Den mulige alternative banen er representert likt i det nevrale rommet, og gir en mekanistisk forklaring på mentale fremstillinger av fremtiden."

I gnagere foregår navigasjonsstudier i enkle bordplater som ikke kan fange opp kompleksiteten i et miljø i den virkelige verden. Virtuell virkelighet har blitt stadig mer populær som personlig underholdning, men det tilbyr også forskere enestående nivåer av variasjon og kontroll innen romlig navigasjonsforskning. En gruppe i Storbritannia har brukt et mobilspill kalt Sea Hero Quest for å fange et av de største datasettene om romlig resonnement på tvers av aldersgrupper.

Spilldata indikerer at romlig resonnement kan begynne å avta når vi er så unge som 19, og spillernes rutevalg var forskjellig avhengig av om de bar e4-varianten av APOE-genet som lenge har vært brukt som en klinisk diagnostisk markør for Alzheimers sykdom. Nye strategier som disse som gjør enkle mobilspill til kliniske datainnsamlingsverktøy kan utvide vår forståelse for nøyaktig hvordan nevrodegenerative sykdommer utvikler seg, og øke utviklingen av svært personlig, tidlig diagnose.

Mye av vår forståelse av hvordan vi tenker om fremtiden har fremkommet ved å studere pasienter som ikke lenger kan huske fortiden. Siden de aller første dagene av nevrovitenskap, da lesjonsstudier ofte var det mest informative verktøyet vi hadde til rådighet for å lære om funksjonen til forskjellige deler av hjernen, har vi forstått at hippocampus er nødvendig for minnet av minnet.

Hippocampal skade er assosiert med hukommelsestap, samt svekket romlig resonnement. Men flere landemerkeundersøkelser har vist at hippocampal skade også forstyrrer evnen til å forestille seg hypotetiske hendelser. Konsekvent har pasienter med hukommelsestap ikke bare problemer med å huske ny biografisk informasjon, men når du blir bedt om det, kan de bare gi generelle uttalelser om kommende hendelser i livet.

Minnetap er vanlig når vi eldes, men som mange studier viser, vår evne til å navigere i rommet avtar også når vi blir eldre. Disse underskuddene forekommer i tidligere aldre enn andre generelle mål for kognitiv svikt, noe som tyder på at noen av funksjonene til navigasjonssystemet er unike og fungerer uavhengig av andre typer minne og informasjonsbehandling i hippocampus.

De mest sårbare strukturene i den aldrende hjernen er de som koder for bevegelse, for eksempel entorhinal cortex. Hippocampal stedcellefyring blir også uberegnelig hos eldre rotter. Strukturene som er ansvarlige for å orientere oss i verdensrommet er også de mest sårbare for Alzheimers sykdomspatologi, og peker på nedsatt navigasjon som et potensielt tidlig diagnostisk kriterium for dette og andre nevrodegenerative tilstander som Parkinsons sykdom.

Hverdagen vår er fylt med beslutninger, både bevisste og ubevisste. Men som et voksende bevismateriale avslører, er hjernen vår i stand til å ferdes like mye langs stiene vi velger som de vi gir.

Når vi fortsetter å lære om de intrikate forholdene mellom romlig navigasjon, hukommelse og nevrodegenerasjon, kan det hende at vi opplever at tiden vi bruker på å tenke på hva som kan ha vært like viktig som tiden vi bruker aktivt på å planlegge. Og selv om den avtagende kognitive funksjonen aksepteres som en normal del av å bli eldre, kan det å holde disse funksjonene engasjert i enkle mentale øvelser som gåter, ordspill eller lesing bidra til å bevare disse nevrale traséene. På samme måte kan vi utøve navigasjonssystemene våre ved å kartlegge kurs langs stiene vi ennå ikke har tatt. Så neste gang du finner på at du sliter med å bringe tankene dine tilbake til oppgaven, kan du eksperimentere med å la den vandre litt lenger.

Denne artikkelen opprinnelig dukket opp på Å vite nevroner

Referanser:

Buckner, RL (2010). Hippocampus 'rolle i prediksjon og fantasi. Årlig gjennomgang av psykologi 61, 27-48.

Coughlan, G., Coutrot, A., Khondoker, M., Minihane, A., Spires, H., & Hornberger, M. (2019). Mot personlig kognitiv diagnostikk av genetisk risiko Alzheimers sykdom. PNAS 116(19), 9285-9292.

Diersch, N., & Wolbers, T. (2019). Potensialet til virtuell virkelighet for romlig navigasjonsforskning på tvers av den voksne levetiden. Journal of Experimental Biology 222, jeb187252 doi: 10.1242 / jeb.187252

Eichenbaum, H., Dudchenko, P., Wood, E., Shapiro, M., & Tanila, H. (1999). Hippocampus, minne og stedceller. NeuronDen funksjonelle enheten i nervesystemet, en nervecelle som ..., 23(2), 209-226.

Giocomo, LM (2015). Romlig representasjon: Kart over fragmentert rom. Nåværende biologi, 25(9), R362-R363.

Kay, K., Chung, JE, Sosa, M., Schor, JS, Karlsson, MP, Larkin, MC, Liu, DF, & Frank, LM (2020). Konstant sekund-sekund sykling mellom representasjoner av mulig fremtid i Hippocampus. Cell, 180(3), 552-567.

Lester, AW, Moffat, SD, Wiener, JM, Barnes, CA, & Wolbers, T. (2017). Det aldrende navigasjonssystemet. Neuron 95(5), 1019-1035.

books_science