GPS mózgu

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania
Heksagonalne uporządkowanie „komórek sieci” w korze śródwęchowej – „układ współrzędnych” dla „komórek miejsca” w hipokampie
RatRunningPath grid cell.JPG
Autocorrelationplot grid cell.JPG
Equilateral Triangle Lattice.svg

„GPS mózgu” (ang. „positioning system in the brain”, „inner GPS”) – neurobiologiczny system orientacji przestrzennej, tworzony przez neurony OUN w czasie eksploracji otoczenia za pomocą zmysłów, w którego skład wchodzą[1][2][3][4]:

  • komórki miejsca” (ang. place cell), ulokowane w hipokampie,
  • „komórki sieci” (ang. grid cell), powstającej w korze śródwęchowej w czasie obserwacji otoczenia[1][2][3],
  • „komórki ściany” i „kierunku głowy” (ang. head direction cells).

Za wyjaśnienie budowy i działania neuronowego systemu lokalizacji przestrzennej Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny otrzymali w roku 2014 John O’Keefe, May-Britt Moser i Edvard Moser[1][2][3][4].

Elementy historii[edytuj | edytuj kod]

Problem orientacji w terenie interesował już starożytnych filozofów-epistemologów. W XVII i XVIII wieku uważano, że głównym źródłem informacji o naszym położeniu w trójwymiarowej przestrzeni jest wzrokzapamiętywane są obrazy widzianych miejsc, co umożliwia nawigację. Nie wyjaśniało to przypadków dobrej orientacji w przestrzeni osób niewidomych od urodzenia (sugerowano przejmowanie funkcji wzroku przez inne zmysły)[5].

Immanuel Kant (koniec XVIII wieku) sprzeciwiał się poglądom empirystów (m.in. John Locke, George Berkeley, David Hume), twierdząc, że decyzje o kierunkach poruszania się są podejmowane nie tylko na podstawie aktualnie odbieranych bodźców zmysłowych. Przypuszczał, że istotną rolę odgrywa również specjalny wewnętrzny system obrazowania, który działa niezależnie od warunków chwili bieżącej (czas i przestrzeń nie są zależne od wrażeń)[5].

Od lat 30. XX wieku problemami orientacji w przestrzeni intensywnie zajmowali się liczni badacze behawioryzmupsycholodzy i zoopsycholodzy, zainteresowani m.in. uczeniem się pokonywania labiryntów. Znaczny wkład wniósł Edward Tolman, który w roku 1948 ogłosił m.in. pracę Cognitive maps in rats and men. Dowodził, że w mózgu zwierząt i ludzi, którzy poznają nowy teren, powstaje jego kognitywna mapa („mózgowy plan”)[6] (zob. też mapa wyobrażeniowa).

Próby doświadczalnej weryfikacji tej hipotezy metodami neurobiologicznymi podjęto dopiero w latach 60. XX w., po opracowaniu metod pomiarów aktywności pojedynczych neuronów[a] (zob. m.in. potencjał czynnościowy, olbrzymi akson kałamarnicy, Alan Lloyd Hodgkin, Andrew Fielding Huxley).

Współczesna koncepcja mechanizmu lokalizacji przestrzennej[edytuj | edytuj kod]

Laureatami nagrody za odkrycie neuronowego systemu pozycjonowania w mózgu zostali:

  • John O’Keefe (udział 1/2), odkrywca „komórek miejsca” w hipokampie, współautor (z Lynn Nadel) The Hippocampus as a Cognitive Map (1978)[8], temat wykładu: Spatial Cells in the Hippocampal Formation[9]

oraz jego uczniowie, zajmujący się zjawiskami w korze śródwęchowej gryzoni, potem nietoperzy i niektórych małp naczelnych, małżeństwo (udziały po 1/4):

John O’Keefe dokonał swojego przełomowego odkrycia obserwując zmiany aktywności neuronów hipokampa zwierząt doświadczalnych poruszających się w zamkniętej przestrzeni (elektrody wszczepiano do wnętrza neuronu). Stwierdził, że gdy zwierzę znajduje się w określonym punkcie przestrzeni, ulega pobudzeniu ten sam neuron („komórka miejsca”). May-Britt i Edvard Moserowie odkryli, że w korze śródwęchowej znajdują się komórki pobudzane również wtedy, gdy zwierzę znajduje się w określonym punkcie swojej przestrzeni, ale w szczególny sposób – tworzą heksagonalną sieć (nazwano je „komórkami sieci”). Ta sieć komórek stanowi wewnętrzny „system kartograficzny”, umożliwiający określanie i zapamiętanie wzajemnego położenia komórek miejsca[1][2][11].

Polski badacz mózgu człowieka, Jerzy Vetulani (psychofarmakolog, neurobiolog, biochemik) uważa, że odkrycie neuronowego mechanizmu orientacji przestrzennej – „naszego wewnętrznego GPS” – było zasługą co najmniej czterech osób (Komitet Noblowski nie może przyznawać nagrody za odkrycia dokonane przez więcej niż trzy osoby). Zdaniem Vetulaniego czwartym współautorem odkrycia był Amerykanin Jeffrey S. Taube, prowadzący od lat 80. XX w. intensywne badania „komórek kierunku głowy”, związanych z błędnikiem[12] (odkrytych w hipokampie w roku 1984 przez Jamesa Rancka[13]), m.in. autor książki Head Direction Cells and the Neural Mechanisms of Spatial Orientation[14]. „Komórki kierunku głowy” stają się aktywne np. wówczas, gdy wchodząc do pomieszczenia kierujemy głowę w stronę kilku wybranych przedmiotów – utrwalonych punktów orientacyjnych, umożliwiających w przyszłości poruszanie się w tym pomieszczeniu bez udziału wzroku, np. w ciemności (przemeblowanie pomieszczenia zakłóca działanie wewnętrznego GPS)[15].

1
GPS szczura doświadczalnego[16]
2
GPS człowieka w mieście
Schemat systemu nawigacji w mózgu – „komórki miejsca” i „komórki sieci”[3][15]

Mentalny system kartograficzny, powstający w hipokampie zwierząt i ludzi, ma ograniczone wymiary. Opisuje przestrzeń, w której porusza się zwierzę doświadczalne między ścianami klatki lub w labiryncie, ścianami poznawanego przez człowieka pokoju lub na większej przestrzeni, takiej jak objęty wzrokiem obszar otwartego terenu (do widocznego horyzontu). Informacja o położeniu granic kognitywnej mapy jest również rejestrowana w hipokampie (pełniące tę funkcję neurony nazwano „komórkami ściany”). Przypuszcza się, że z takich map korzystają np. wędrowne ptaki lub łososie, płynące na tarło z morza do rzek; w nawigacji poza wzrokiem bywają wykorzystywane komórki geomagnetyczne[17] (również węch, zob. nawigacja zapachowa). Nieustanne tworzenie nowych map jest możliwe m.in. dzięki temu, że w czasie poznawania nowych szlaków pamięciowych hipokamp rozbudowuje się – zwiększa się liczba połączeń nerwowych i liczba neuronów (wyróżnia to tę strukturę spośród innych struktur anatomicznych człowieka)[18].

„Komórki sieci” i „komórki miejsca” w konstrukcji nowych neurorobotów[19]

Hipokamp zwiększa się wskutek intensywnych ćwiczeń, np. długotrwałej koncentracji na zapamiętywaniu tras w labiryncie ulic wielkiego miasta. Potwierdziły to badania wykonane – z udziałem Richarda Frąckowiaka – wśród londyńskich taksówkarzy. Stwierdzono, że ich hipokampy są większe niż przeciętnych mieszkańców miasta, a nawet kierowców autobusów, którym nie jest potrzebne nieustanne tworzenie nowych map kognitywnych. Różnica jest tym większa, im dłużej badany człowiek pracuje jako kierowca taksówki[20][21]

Odkrycie zasad działania systemu „GPS mózgu” znalazło już zastosowanie w konstrukcji nowych neurorobotów[19]. Przypuszcza się, że może okazać się przełomowe w poszukiwaniach metod leczenia choroby Alzheimera[22].

Uwagi[edytuj | edytuj kod]

  1. Istnieją hipotezy, że pojedyncze neurony lub zestawy niewielu neuronów mogą kodować określone pojęcia lub wspomnienia, dotyczące określonej rzeczy lub osoby (Jerome Lettvin i „Grandmother cel”). Dominuje jednak opinia, że percepcja określonej osoby lub obiektu wymaga współdziałania wielu milionów lub miliardów neuronów („demokracja milionów” Charlesa Sherringtona, Nobel 1940)[7].

Przypisy[edytuj | edytuj kod]

  1. a b c d The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2014 (ang.). Nobelprize.org. Nobel Media AB, 2014. [dostęp 2015-05-09].
  2. a b c d The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2014 John O’Keefe, May-Britt Moser. Edvard Moser (ang.). W: Press Release [on-line]. Nobelprize.org. Nobel Media AB 2014, 2014-10-06. [dostęp 2015-05-09].; see image
  3. a b c d Ole Kiehn, Hans Forssberg, Instytut Karolinska: The Brain’s Navigational Place and Grid Cell System (ang.). W: Scientific Background [on-line]. Nobelprize.org. Nobel Media AB, 2014. [dostęp 2015-05-09].
  4. a b Katarzyna Burda: Mózg jak GPS. W: Newsweek.pl > Nauka [on-line]. nauka.newsweek.pl, 2014-10-21. [dostęp 2015-05-10].
  5. a b Vetulani i Mazurek 2015 ↓, s. 19.
  6. Vetulani i Mazurek 2015 ↓, s. 20.
  7. Rodrigo Quian Quiroga, Itzhak Fried, Christof Koch. Komórki pamięci. „Świat Nauki”, 2013-02-19. Wydawnictwo Prószyński Media Sp. z o.o.. ISSN 0867-6380 (pol.). 
  8. John O’Keefe, Lynn Nadel: Cognitive maps in rats and men. Oxford University Press, 1978.
  9. John O’Keefe: Spatial Cells in the Hippocampal Formation (ang.). W: Nobel lecture [on-line]. www.nobelprize.org, 2014. [dostęp 2015-05-10].
  10. May-Britt Moser: Grid Cells, Place Cells and Memory (ang.). W: Nobel lecture [on-line]. www.nobelprize.org, 2014. [dostęp 2015-05-10].
  11. a b Edvard Moser: Grid Cells and the Enthorinal Map of Space (ang.). W: Nobel lecture [on-line]. www.nobelprize.org, 2014. [dostęp 2015-05-10].
  12. Vetulani i Mazurek 2015 ↓, s. 24.
  13. Paul A. Dudchenko: Why People Get Lost: The Psychology and Neuroscience of Spatial Cognition. Oxford University Press, 2010, s. 191–. ISBN 978-0-19-921086-2.
  14. Jeffrey S. Taube (red. Sidney I. Wiener i Jeffrey S. Taube): Head Direction Cells and the Neural Mechanisms of Spatial Orientation (opis książki na stronie wydawnictwa)). MIT Press, 2005. ​ISBN 978-0-262-23241-8​, ​ISBN 978-0-262-29060-9​.
  15. a b Vetulani i Mazurek 2015 ↓, s. 23.
  16. Derdikman, Whitlock, Waade, Moser & Moser: Grid cell movie (ang.). W: A video of a single grid cell recorded in the Medial Entorhinal Cortex. A dot is added at the position of the rat every time the cell spikes. Slowly the dots accumulate and the hexagonal grid-pattern emerges {created in 2010} [on-line]. www.youtube.com, 2014-12-30. [dostęp 2015-05-10].
  17. Vetulani i Mazurek 2015 ↓, s. 25.
  18. Vetulani i Mazurek 2015 ↓, s. 21.
  19. a b A. Jauffret, N. Cuperlier, P. Gaussier (ETIS, UMR 8051/ENSEA, Université Cergy-Pontoise, CNRS Cergy, France). From grid cells and visual place cells to multimodal place cell: a new robotic architecture. „Frontiers in Neurorobotics”, 2015-04-07. DOI: 10.3389/fnbot.2015.00001. PMID: 25904862. 
  20. Vetulani i Mazurek 2015 ↓, s. 22.
  21. Professor Richard Frackowiak (ang.). W: Strona internetowa UCL Centre for the History of Medicine, Division of Biosciences [on-line]. www.ucl.ac.uk. [dostęp 2015-05-12].
  22. Vetulani i Mazurek 2015 ↓, s. 26.

Bibliografia[edytuj | edytuj kod]

Linki zewnętrzne[edytuj | edytuj kod]