Placera cell

Rumsliga avfyrningsmönster av 8 platsceller inspelade från CA1- lagret på en råtta. Råttan sprang fram och tillbaka längs ett upphöjt spår och stannade i varje ände för att äta en liten matbelöning. Prickar indikerar positioner där aktionspotentialer registrerades, med färg som indikerar vilken neuron som emitterade den aktionspotentialen.

En platscell är en sorts pyramidal neuron i hippocampus som blir aktiv när ett djur går in på en viss plats i sin miljö, vilket kallas platsfältet . Platsceller tros fungera kollektivt som en kognitiv representation av en specifik plats i rymden, känd som en kognitiv karta . Platsceller arbetar med andra typer av neuroner i hippocampus och omgivande regioner för att utföra denna typ av rumslig bearbetning. De har hittats i en mängd olika djur, inklusive gnagare, fladdermöss, apor och människor.

Platscellsavfyrningsmönster bestäms ofta av stimuli i miljön såsom visuella landmärken och lukt- och vestibulära stimuli. Platsceller har förmågan att plötsligt ändra sitt avfyringsmönster från ett mönster till ett annat, ett fenomen som kallas ommappning. Denna ommappning kan ske i antingen några av platscellerna eller i alla platsceller på en gång. Det kan orsakas av ett antal förändringar, till exempel i lukten av miljön.

Platsceller tros spela en viktig roll i episodiskt minne . De innehåller information om det rumsliga sammanhang ett minne ägde rum i. Och de verkar utföra konsolidering genom att uppvisa replay – återaktiveringen av platscellerna som är involverade i en viss upplevelse på en mycket snabbare tidsskala. Platsceller visar förändringar med ålder och sjukdom, såsom Alzheimers sjukdom, som kan vara involverad i en minskning av minnesfunktionen.

2014 års Nobelpris i fysiologi eller medicin tilldelades John O'Keefe för upptäckten av platsceller och till Edvard och May-Britt Moser för upptäckten av rutnätsceller .

Bakgrund

Platsceller upptäcktes först av John O'Keefe och Jonathan Dostrovsky 1971 i råttors hippocampus. De märkte att råttor med funktionsnedsättningar i hippocampus presterade dåligt i rumsliga uppgifter och antog därför att detta område måste ha någon form av rumslig representation av miljön. För att testa denna hypotes utvecklade de kroniska elektrodimplantat , med vilka de kunde registrera aktiviteten hos enskilda celler extracellulärt i hippocampus. De noterade att några av cellerna visade aktivitet när en råtta var " belägen i en viss del av testplattformen vänd i en viss riktning" . Dessa celler skulle senare kallas platsceller.

Den här videon visar en råtta som springer runt i en cirkulär miljö (svart streck) och varje gång en viss cell är aktiv (röda prickar). De röda prickarna samlas runt en plats, vilket är cellens platsfält.

1976 utförde O'Keefe en uppföljningsstudie, som visade närvaron av vad de kallade platsenheter. Dessa enheter var celler som sköt på en viss plats i miljön, platsfältet. De beskrivs ha en låg vilande skjuthastighet (<1 Hz) när en råtta inte är på sitt platsfält, men en särskilt hög skjuthastighet, som i vissa fall kan vara över 100 Hz, inom platsfältet. Dessutom beskrev O'Keefe 6 speciella celler, som han kallade felplaceringsenheter , som också eldar endast på en viss plats, men bara när råttan utförde ett ytterligare beteende, som att sniffa, vilket ofta var korrelerat med närvaron av en ny stimulans , eller frånvaron av en förväntad stimulans. Fynden stödde slutligen den kognitiva kartteorin, idén att hippocampus har en rumslig representation, en kognitiv karta över miljön.

Det har varit mycket debatt om huruvida hippocampus platsceller fungerar beror på landmärken i miljön, på miljögränser eller på en interaktion mellan de två. Dessutom är inte alla platsceller beroende av samma externa signaler. En viktig skillnad i ledtrådar är lokala och distala, där lokala ledtrådar dyker upp i omedelbar närhet av ett ämne, medan distala ledtrådar är långt borta och fungerar mer som landmärken. Individuella platsceller har visat sig följa endera eller förlita sig på båda. Dessutom kan de ledtrådar som platscellerna förlitar sig på bero på tidigare erfarenhet av ämnet och signalens framträdande karaktär.

Det har också varit mycket debatt om huruvida hippocampus pyramidala celler verkligen kodar icke-rumslig information såväl som rumslig information. Enligt den kognitiva kartteorin är hippocampus primära roll att lagra rumslig information genom platsceller och hippocampus var biologiskt utformad för att förse en subjekt med rumslig information. Nya fynd, som en studie som visar att platsceller svarar på icke-spatiala dimensioner, såsom ljudfrekvens, stämmer inte överens med teorin om kognitiva kartor. Istället stöder de en ny teori som säger att hippocampus har en mer allmän funktion som kodar kontinuerliga variabler, och plats råkar bara vara en av dessa variabler. Detta stämmer överens med tanken att hippocampus har en prediktiv funktion.

Rutnätsceller och platsceller samverkar för att bestämma djurets position

Relation till rutnätsceller

Det har föreslagits att platsceller är derivat av rutnätsceller , pyramidceller i entorhinal cortex. Denna teori antyder att platscellernas platsfält är en kombination av flera rutnätsceller, som har sexkantiga rutnätsliknande aktivitetsmönster. Teorin har fått stöd av beräkningsmodeller. Relationen kan uppstå genom hebbisk inlärning . Men rutnätsceller kan ha en mer stödjande roll i bildandet av platsfält, såsom vägintegration. En annan icke-spatial förklaring av hippocampus funktion tyder på att hippocampus utför klustring av input för att producera representationer av det aktuella sammanhanget - rumslig eller icke-spatial.

Platsceller finns i hippocampus, en struktur i hjärnans mediala temporallob.

Egenskaper

Platsfält

Placera celler eld i en specifik region av en miljö, känt som ett platsfält. Platsfält är ungefär analoga med de mottagliga fälten hos sensoriska neuroner, genom att avfyrningsregionen motsvarar en region av sensorisk information i omgivningen. Till skillnad från mottagliga fält visar dock platsceller ingen topografi, vilket betyder att två närliggande celler inte nödvändigtvis har angränsande platsfält. Placera celler avfyrar spikar i skurar med hög frekvens inuti platsfältet, men utanför platsfältet förblir de relativt inaktiva. Platsfält är allocentriska , vilket betyder att de definieras med hänsyn till omvärlden snarare än kroppen. Genom att orientera utifrån miljön snarare än individen kan platsfält fungera effektivt som neurala kartor över miljön. En typisk platscell har bara ett eller några få platsfält i en liten laboratoriemiljö. I större miljöer har dock platsceller visat sig innehålla flera platsfält som vanligtvis är oregelbundna. Platsceller kan också visa riktning, vilket innebär att de bara kommer att avfyras på en viss plats när de färdas i en viss riktning.

Ett exempel på ommappning av platsceller, där platsen för platsfältet för cell 1 ändras mellan miljö och cell 2 förlorar sitt platsfält i miljö 2.

Ommappning

Ommappning avser förändringen i platsfältsegenskaperna som uppstår när ett subjekt upplever en ny miljö, eller samma miljö i ett nytt sammanhang. Detta fenomen rapporterades första gången 1987 och tros spela en roll i minnesfunktionen hos hippocampus. Det finns i stort sett två typer av ommappning: global ommappning och partiell ommappning. När global ommappning sker, mappar de flesta eller alla platscellerna om, vilket innebär att de förlorar eller vinner ett platsfält, eller så ändrar deras platsfält sin plats. Partiell ommappning innebär att de flesta platsfält är oförändrade och endast en liten del av platscellerna mappar om. Några av förändringarna i miljön som har visat sig inducera ommappning inkluderar att ändra formen eller storleken på miljön, färgen på väggarna, lukten i miljön eller relevansen av en plats för den aktuella uppgiften.

Fasprecession

Avfyrningen av platsceller tidsbestäms i förhållande till lokala thetavågor , en process som kallas fasprecession . När de går in i ett platsfält kommer platsceller att avfyras i skurar vid en viss punkt i fasen av de underliggande thetavågorna. Men när ett djur går vidare genom platsfältet kommer eldningen att ske gradvis tidigare i fasen. Man tror att detta fenomen ökar noggrannheten i platskodningen och hjälper till med plasticitet, vilket krävs för inlärning.

Riktningsförmåga

I vissa fall visar platsceller riktning, vilket betyder att de bara kommer att avfyras på en plats när motivet färdas i en viss riktning. Men de kan också vara rundstrålande, vilket innebär att de avfyrar oavsett i vilken riktning ämnet är. Bristen på riktningsförmåga på vissa ställen celler kan förekomma särskilt i fattiga miljöer, medan riktningen förbättras i mer komplicerade miljöer. Den radiella armlabyrinten är en sådan miljö där riktningsförmåga förekommer. I denna miljö kan celler till och med ha flera platsfält, varav ett är starkt riktat, medan de andra inte är det. I virtuell verklighetskorridorer är graden av riktadhet i populationen av platsceller särskilt hög. Riktningsförmågan hos platsceller har visat sig uppstå som ett resultat av djurets beteende. Till exempel blir de receptiva fälten skeva när råttor färdas ett linjärt spår i en enda riktning. Nyligen genomförda teoretiska studier tyder på att platsceller kodar för en efterföljarrepresentation som kartlägger det aktuella tillståndet till de förutsagda efterföljande tillstånden, och att riktningsförmågan uppstår ur denna formalism. Detta beräkningsramverk ger också en redogörelse för förvrängningen av platsfält runt hinder.

Sensorisk input

Platsceller ansågs ursprungligen skjuta i direkt relation till enkla sensoriska input, men studier har antytt att så kanske inte är fallet. Platsfält är vanligtvis opåverkade av stora sensoriska förändringar, som att ta bort ett landmärke från en miljö, men svarar på subtila förändringar, som en förändring i färg eller form på ett föremål. Detta tyder på att platsceller svarar på komplexa stimuli snarare än enkla individuella sensoriska signaler. Enligt den funktionella differentieringsmodellen bearbetas sensorisk information i olika kortikala strukturer uppströms hippocampus innan den faktiskt når strukturen, så att informationen som mottas av platsceller är en sammanställning, en funktionell derivata, av olika stimuli.

Anatomi av hippocampus formation , inklusive entorhinal cortex (EC), dentate gyrus (DG) och de olika hippocampus subfälten (CA1 och CA3). Insatsen visar kablarna mellan dessa olika områden.

Sensorisk information som tas emot av platsceller kan kategoriseras som antingen metrisk eller kontextuell information, där metrisk information motsvarar var platsceller ska avfyras och kontextuell inmatning motsvarar huruvida ett platsfält ska avfyras i en viss miljö. Metrisk sensorisk information är vilken typ av rumslig inmatning som helst som kan indikera ett avstånd mellan två punkter. Till exempel kan kanterna på en miljö signalera storleken på det övergripande platsfältet eller avståndet mellan två punkter inom ett platsfält. Metriska signaler kan vara antingen linjära eller riktade. Riktningsinmatningar ger information om orienteringen av ett platsfält, medan linjära inmatningar i huvudsak bildar ett representativt rutnät. Kontextuella ledtrådar gör det möjligt för etablerade platsfält att anpassa sig till mindre förändringar i miljön, till exempel en förändring i objektets färg eller form. Metriska och kontextuella indata bearbetas tillsammans i entorhinal cortex innan de når hippocampus platsceller. Visuospatiala och olfaktoriska input är exempel på sensoriska input som utnyttjas av platsceller. Dessa typer av sensoriska signaler kan inkludera både metrisk och kontextuell information.

Visuospatiala ingångar

Rumsliga ledtrådar som geometriska gränser eller orienterande landmärken är viktiga exempel på metrisk input. Ett exempel är väggarna i en miljö, som ger information om relativa avstånd och läge. Platsceller förlitar sig i allmänhet på fastställda distala ledtrådar snarare än ledtrådar i den omedelbara proximala miljön, även om lokala ledtrådar kan ha en djupgående inverkan på lokala platsfält. Visuella sensoriska input kan också ge viktig kontextuell information. En förändring i färg på ett specifikt objekt eller väggarna i miljön kan påverka huruvida en platscell eldar i ett visst fält. Sålunda är visuospatial sensorisk information avgörande för bildandet och minnet av platsfält.

Olfaktoriska ingångar

Även om platsceller i första hand förlitar sig på visuospatial input, tyder vissa studier på att olfaktorisk input också kan påverka bildandet och stabiliteten av platsfält. Lukt kan kompensera för förlust av visuell information, eller till och med vara ansvarig för bildandet av stabila platsfält i samma var visuospatiala ledtrådar är. Detta har bekräftats av en studie i en virtuell miljö som var sammansatt av luktgradienter. Förändring i luktstimulansen i en miljö kan också orsaka omkartläggning av platsceller.

Vestibulära ingångar

Stimuli från det vestibulära systemet , såsom rotationer, kan orsaka förändringar i cellavfyrning. Efter att ha mottagit vestibulär inmatning kan vissa platsceller mappa om för att anpassa sig till denna inmatning, även om inte alla celler kommer att mappas om och är mer beroende av visuella signaler. Bilaterala lesioner i det vestibulära systemet hos patienter kan orsaka onormal avfyring av hippocampus platsceller, vilket delvis framgår av svårigheter med rumsliga uppgifter som den radiella armlabyrinten och Morris vattennavigeringsuppgift .

Rörelseingångar

Rutnäts- och platsceller bidrar till vägintegration , en process som summerar vektorerna för avstånd och riktning från en startpunkt för att uppskatta aktuell position.

Rörelse kan också vara en viktig rumslig signal. Möss använder sin självrörelseinformation för att avgöra hur långt och i vilken riktning de har färdats, en process som kallas vägintegration . Detta är särskilt fallet i frånvaro av kontinuerliga sensoriska input. Till exempel, i en miljö med brist på visuospatial input, kan ett djur söka efter miljökanten med hjälp av beröring och urskilja plats baserat på avståndet av dess rörelse från den kanten. Banintegrering är till stor del hjälpt av rutnätsceller , som är en typ av neuron i den entorhinala cortex som vidarebefordrar information till att placera celler i hippocampus. Rutnätsceller upprättar en rutnätsrepresentation av en plats, så att under förflyttning kan platsceller avfyras enligt sin nya plats samtidigt som de orienterar sig enligt referensrutnätet för deras yttre miljö.

Episodiskt minne

Platsceller spelar en viktig roll i episodiskt minne . En viktig aspekt av episodiskt minne är det rumsliga sammanhang där händelsen inträffade. Hippocampus platsceller har stabila avfyrningsmönster även när signaler från en plats tas bort och specifika platsfält börjar avfyras när de utsätts för signaler eller en delmängd av signaler från en tidigare plats. Detta tyder på att platsceller tillhandahåller det rumsliga sammanhanget för ett minne genom att återkalla den neurala representationen av miljön där minnet inträffade. Genom att etablera rumslig kontext spelar platsceller en roll för att fullborda minnesmönster. Dessutom kan platsceller upprätthålla en rumslig representation av en plats samtidigt som de återkallar den neurala kartan över en separat plats, vilket effektivt skiljer mellan nuvarande erfarenhet och tidigare minne. Platsceller anses därför uppvisa både mönsterkompletterande och mönsterseparationsegenskaper.

Mönsterkomplettering

Mönsterkomplettering är förmågan att återkalla ett helt minne från en partiell eller degraderad sensorisk signal. Platsceller kan upprätthålla ett stabilt skjutfält även efter att betydande signaler har tagits bort från en plats, vilket tyder på att de kan återkalla ett mönster baserat på endast en del av den ursprungliga ingången. Dessutom är mönsterfullbordandet som uppvisas av platsceller symmetriskt, eftersom ett helt minne kan hämtas från vilken del som helst av det. Till exempel, i ett objekt-platsassocieringsminne, kan rumslig kontext användas för att återkalla ett objekt och objektet kan användas för att återkalla det rumsliga sammanhanget.

Mönster separation

Mönsterseparation är förmågan att skilja ett minne från andra lagrade minnen. Mönsterseparation börjar i dentate gyrus , en del av hippocampus som är involverad i minnesbildning och återhämtning. Granulceller i dentat gyrus bearbetar sensorisk information med hjälp av kompetitiv inlärning och vidarebefordrar en preliminär representation för att bilda platsfält. Platsfält är extremt specifika, eftersom de kan kartlägga om och justera avfyrningshastigheter som svar på subtila sensoriska signalförändringar. Denna specificitet är avgörande för mönsterseparation, eftersom den skiljer minnen från varandra.

Återaktivering, repris och preplay

Platsceller uppvisar ofta reaktivering utanför sina platsfält. Denna återaktivering har en mycket snabbare tidsskala än den faktiska upplevelsen, och den sker mestadels i samma ordning som den ursprungligen upplevdes, eller, mer sällan, i omvänd ordning. Replay tros ha en funktionell roll i minneshämtning och minneskonsolidering . Men när uppspelningen störs, påverkar det inte nödvändigtvis platskodningen, vilket betyder att den inte är väsentligen för konsolidering under alla omständigheter. Samma aktivitetssekvens kan inträffa före själva upplevelsen. Detta fenomen, kallat preplay, kan ha en roll i förutsägelse och lärande .

Modelldjur

Platsceller upptäcktes först hos råttor, men platsceller och platsliknande celler har sedan dess hittats i en rad olika djur, inklusive gnagare, fladdermöss och primater. Dessutom hittades bevis för platsceller hos människor 2003.

En råtta med en elektrod implanterad

Gnagare

Både råttor och möss används ofta som modelldjur för platscellsforskning. Råttor blev särskilt populära efter utvecklingen av multiarray-elektroder, vilket möjliggör samtidig inspelning av ett stort antal celler. Möss har dock fördelen att det finns ett större utbud av genetiska varianter. Dessutom kan möss fixeras med huvudet, vilket möjliggör användning av mikroskopitekniker för att titta direkt in i hjärnan. Även om råttor och möss har liknande platscelldynamik, har möss mindre platsceller och på samma storleksspår har antalet platsfält per cell ökat. Dessutom är deras repris svagare jämfört med reprisen hos råttor.

Förutom råttor och möss har platsceller också hittats i chinchillor .

Råttor har dessutom sociala platsceller, celler som kodar andra råttors position. Detta fynd publicerades i Science samtidigt som rapporten om sociala platsceller i fladdermöss.

Fladdermöss

Platsceller rapporterades i egyptiska fruktfladdermöss för första gången 2007 av Nachum Ulanovsky och hans labb. Platscellerna i fladdermöss har ett platsfält i 3D, vilket troligen beror på att fladdermössen flyger i tre dimensioner. Platscellerna i fladdermöss kan baseras på antingen syn eller ekolokalisering, vilken omkartläggning sker när fladdermöss byter mellan de två. Fladdermöss har också sociala platsceller; denna upptäckt publicerades i Science samtidigt som rapporten om sociala platsceller hos råttor.

primater

Platsrelaterade svar har hittats i celler av den japanska makaken och vanlig silkesapa , men om dessa är sanna platsceller eller rumsliga synceller diskuteras fortfarande. Rumsliga synceller reagerar på platser som visuellt utforskas av ögonrörelser, eller "vyn av ett utrymme", snarare än platsen för apans kropp. I makaken registrerades celler medan apan körde en motoriserad hytt runt experimentrummet. Dessutom har platsrelaterade svar hittats makaker medan de navigerade i en virtuell verklighet. På senare tid kan platsceller ha identifierats i hippocampus hos fritt rörliga makaker och silkesapa.

Störningar i platscellernas funktion

Effekter av alkohol

Platscellens brännhastighet minskar dramatiskt efter etanolexponering, vilket orsakar minskad rumslig känslighet, vilket har antagits vara orsaken till försämringar i rumslig procession efter alkoholexponering.

Alzheimers sjukdom

Problem med rumsligt minne och navigering tros vara en av de tidiga indikationerna på Alzheimers sjukdom . Platsceller har visat sig degenerera i Alzheimers musmodeller, vilket orsakar sådana problem med det rumsliga minnet hos dessa möss. Dessutom har platscellerna i dessa modeller instabila representationer av rymden och kan inte lära sig stabila representationer för nya miljöer såväl som platsceller i friska möss. Hippocampus theta-vågorna, liksom gammavågorna, som påverkar platscellsavfyrning, till exempel genom fasprecession, påverkas också.

Åldrande

Platsfältegenskaper, inklusive eldningshastigheten och spikegenskaper som spikarnas bredd och amplitud, är i stort sett lika mellan unga och åldrade råttor i CA1 hippocampusregionen. Men medan storleken på platsfälten i hippocampus CA3 -regionen förblir densamma mellan unga och åldrade råttor, är den genomsnittliga eldningshastigheten i denna region högre hos åldrade råttor. Unga råttor uppvisar platsfältsplasticitet: när de rör sig längs en rak bana, aktiveras platsfält efter varandra. När unga råttor upprepade gånger korsar samma raka väg, stärks kopplingen mellan platsfälten på grund av plasticitet, vilket gör att efterföljande platsfält eldas snabbare och orsakar platsfältsexpansion, vilket möjligen hjälper unga råttor i rumsligt minne och inlärning. Emellertid är denna observerade platsfältsexpansion och plasticitet minskad hos åldrade råttor, vilket möjligen minskar deras kapacitet för rumslig inlärning och minne.

Denna plasticitet kan räddas i åldrade råttor genom att ge dem memantin , en antagonist som blockerar NMDA-receptorerna som är känd för att förbättra det rumsliga minnet, och användes därför i ett försök att återställa platsfältets plasticitet hos åldrade försökspersoner. NMDA-receptorer, som är glutamatreceptorer , uppvisar minskad aktivitet hos åldrade försökspersoner. Appliceringen av memantin leder till ökad platsplasticitet hos äldre råttor. Även om memantin hjälper till vid kodningsprocessen för rumslig information hos äldre råttor, hjälper det inte med att hämta denna information senare i tiden.

Åldrade råttor visar vidare en hög instabilitet i sina platsceller i CA1-regionen. När den introducerades till samma miljö flera gånger förändrades hippocampus-kartan över miljön cirka 30 % av tiden, vilket tyder på att platscellerna kartläggs om som svar på exakt samma miljö. Däremot visar CA3-platscellerna ökad plasticitet hos åldrade försökspersoner. Samma platsfält i CA3-regionen för att aktiveras i liknande miljöer, medan olika platsfält hos unga råttor skulle skjuta i liknande miljöer eftersom de skulle fånga upp subtila skillnader i dessa miljöer. En möjlig orsak till dessa förändringar i plasticitet kan vara ökat beroende av självrörelsesignaler.

Se även

Rumsliga synceller , primat hippocampus motsvarighet för synfält.
Rutnätsceller
Huvudriktningsceller

externa länkar

Media relaterade till platsceller på Wikimedia Commons