Du er på vej til arbejde, når tankerne går videre til det foredrag, du er planlagt til at holde om eftermiddagen. Du øver din snak for dig selv, mens du trækker op på kontoret, og forbereder dig på de spørgsmål, dine kolleger måtte stille. Senere, mens du kasserer din e-mail-indbakke, overvejer du dine frokostmuligheder, mens du scroller uendeligt.

Dette er blot nogle få eksempler på, hvordan enhver handling, vi foretager i den virkelige verden, også bærer den skjulte, alternative handling med sig, vi kun havde forestillet os. En betydelig forskningsindsats er blevet investeret i at forstå hvordan og hvorfor vores aktive beslutningstagning, men nye beviser fortæller os, at den tid, vi bruger i alternative virkeligheder, også tjener et vigtigt neurologisk formål.

Mange dele af hjernen arbejder sammen om at bygge vores mentale kort, men de vigtigste aktører i rumlig navigation er hippocampus, sædet for hukommelsen i hjernen, og den entorhinale cortex, som hviler ved siden af hippocampus og videresender informationen der genereres til højere behandlingsområder.

Så tidligt som i 1948 blev det foreslået, at gnavere er afhængige af forskellige miljømæssige signaler til at generere kort til belønninger i labyrint-indlæringsopgaver. Imidlertid forblev arten af ​​dette kort og de celler, der genererede det, et mysterium. Tredive år senere observerede forskere, at specifikke hippocampale celler i rotter fyrer hyppigere, når de kommer ind på bestemte steder. Bemærkelsesværdigt er affyringsmønstrene for disse netværk af celler stabile over tid, selv i fravær af signaler, der var til stede ved deres første aktivering. Opdagelsen af ​​disse beskrivende navngivne "stedceller" banede vejen for en mere præcis undersøgelse af det neurobiologiske grundlag for pathfinding.

Da stedceller blev opdaget, var deres foreslåede funktion at skabe et en-til-en topografisk kort over et givet rum. På vej fra den fysiske verden til hjernen udviser de fleste af vores sanserepræsentationer, hvad der er kendt som topografisk organisation. Forestil dig at sætte dig ind i din bil og begive dig ud efter ukendte dele. Du kan stole på satellitnavigation, GPS eller et papirkort til at guide dig til din destination. Ligesom hvert punkt på dit kort svarer til et specifikt vartegn på din rejse, placerer cellerne forankring til specifikke vartegn i miljøet for at orientere dig i rummet.

Vores indre rumlige topografi er mere sofistikeret, med hippocampale celler, der koder for repræsentationer af bestemte stimuli, signaler eller belønninger i sammenhæng med, hvordan dyret opfører sig i disse rum. Forestil dig for eksempel at ankomme til lufthavnen i et ukendt land. Du har måske generel viden om konceptet med en lufthavn, sammen med velkendte visuelle vartegn, der forankrer dig i dette nye rum. Nogle af disse oplysninger er biografiske og trækker på dine unikke minder fra andre lufthavne.

Afhængigt af om disse oplevelser var positive eller negative, vil den følelsesmæssige betydning af disse rum også bidrage til dit personlige kort, og alle disse faktorer skaber sammen en oplevelse af rummet, der er meget rigere end en simpel samling af vartegn.

"placer celler forankre sig til specifikke vartegn i miljøet for at orientere dig i rummet."

Nyere undersøgelser af primater afslørede, at hippocampus-celler fungerer lidt anderledes i primats hjerner, end de gør i gnaverhjerner, idet de affyrer som reaktion på en række forskellige stimuli, der ikke er strengt lokationsbundne. Igangværende arbejde med mus, primater og mennesker har også fastslået, at hippocampus ikke er en ensom aktør. Gå ind i den entorhinale cortex, som videresender sensorisk information til hippocampus og fungerer som en bro til neocortex, hvor mange af vores mere sofistikerede kognitive og motoriske kommandoer udsendes.

Forskere har for nylig beskrevet en netværk af celler i entorhinal cortex kaldet "gitterceller", som koder din egen bevægelse i forhold til dit miljø, hvilket tilføjer en kritisk brik til stedcellepuslespillet, når det kommer til bredere navigationsstrategier. Gitternetværk kan mere præcist plotte retning og afstande mellem objekter i et rum, baseret på interne bevægelsessignaler snarere end sensoriske input fra selve rummet. Disse systemer arbejder sammen for dynamisk at repræsentere rum på måder, der kan modificeres af erfaring, fleksibelt inkorporerer ny information, men tillader også disse rum at blive velkendte over tid.

Men når vi først har en repræsentation af et rum i tankerne, hvordan beslutter vi så, hvordan vi skal interagere med det? Dette kræver aktiv beslutningstagning, og brændstoffet til beslutningen er belønning. Det er her, de ikke-rumlige egenskaber af neuronerne, der udgør vores navigationssystemer, bliver særligt vigtige. Forskere fandt på tværs af gnaverundersøgelser, at den opfattede belønningsværdi eller betydning af visse genstande i et miljø kan flytte cellernes affyringsmønstre mere tungt i deres retning. En højere forudsagt belønningsværdi forbundet med en given tur eller placering i en labyrint ville derfor forudsige bevægelse i den retning. Så hvad med de veje, der ikke er valgt?

For nylig har et hold af forskere ved UCSF målte hippocampus stedcellefyring hos rotter, da de gennemførte rumlige navigationsopgaver. Rotterne blev placeret i en labyrint, og deres neurale aktivitet blev afbildet i realtid, da de valgte mellem stier, der divergerede på et valgpunkt. På denne måde var forskerne i stand til at tildele unikke mønstre for stedcellefyring, der svarede til hver arm af labyrinten, efter at rotten havde truffet et valg og fortsatte med at rejse langs den.

Påfaldende nok, da rotten nærmede sig valgpunktet, affyrede hvert sæt af stedceller, der repræsenterede den ene af labyrintens arme, hurtigt på skift og kastede terningerne på en af ​​de mulige fremtider, før valget blev truffet. Hvad dette betyder er, at ikke kun den sti, som dyret i sidste ende rejser på i realtid, men den mulige alternative sti, er repræsenteret ligeligt i det neurale rum, hvilket giver en mekanistisk forklaring på mentale repræsentationer af fremtiden.

"den mulige alternative vej er repræsenteret ligeligt i neurale rum, hvilket giver en mekanistisk forklaring på mentale repræsentationer af fremtiden."

Hos gnavere foregår navigationsundersøgelser i simple bordpladesamlinger, der ikke kan fange kompleksiteten af ​​et virkeligt miljø. Virtual reality er blevet stadig mere populær som personlig underholdning, men den tilbyder også forskere hidtil usete niveauer af variation og kontrol inden for forskning i rumlig navigation. En gruppe i Storbritannien har brugt et mobilspil kaldet Sea Hero Quest til at fange et af de største datasæt om rumlig ræsonnement på tværs af aldersgrupper, der er registreret.

Gameplay data indikerer, at rumlig ræsonnement kan begynde at aftage, når vi er så unge som 19, og spillernes rutevalg var forskellige afhængigt af, om de bar e4-varianten af ​​APOE-genet, som længe har været brugt som en klinisk diagnostisk markør for Alzheimers sygdom. Nye strategier som disse, der gør simple mobilspil til værktøjer til klinisk dataindsamling, kunne i høj grad udvide vores forståelse af præcis, hvordan neurodegenerative sygdomme udvikler sig, og fremskynde udviklingen af ​​meget personlig tidlig diagnose.

Meget af vores forståelse af, hvordan vi tænker om fremtiden, er opstået ved at studere patienter, der ikke længere kan huske fortiden. Siden neurovidenskabens meget tidlige dage, hvor læsionsstudier ofte var de mest informative værktøjer til vores rådighed for at lære om funktionen af ​​forskellige dele af hjernen, har vi forstået, at hippocampus er påkrævet for at huske hukommelsen.

Hippocampus skade er forbundet med amnesi, såvel som svækket rumlig ræsonnement. Men flere skelsættende undersøgelser har vist, at hippocampusskade også forstyrrer evnen til at forestille sig hypotetiske begivenheder. Konsekvent har patienter med hukommelsestab ikke kun svært ved at huske nyere biografiske oplysninger, men når de bliver bedt om det, kan de kun give generelle udtalelser om kommende begivenheder i deres liv.

Hukommelsestab er almindeligt, når vi bliver ældre, men som mange undersøgelser viser, vores evne til at navigere i rummet falder også, når vi bliver ældre. Disse mangler optræder i tidligere aldre end andre generelle mål for kognitiv svækkelse, hvilket tyder på, at nogle af funktionerne i navigationssystemet er unikke og fungerer uafhængigt af andre former for hukommelse og informationsbehandling i hippocampus.

De mest sårbare strukturer i den aldrende hjerne er dem, der koder for bevægelse, såsom entorhinal cortex. Hippocampus stedcellefyring bliver også uberegnelig hos ældre rotter. Det er væsentligt, at de strukturer, der er ansvarlige for at orientere os i rummet, også er de mest sårbare over for Alzheimers sygdomspatologi, hvilket peger på navigationssvækkelse som et potentielt tidligt diagnostisk kriterium for denne og andre neurodegenerative tilstande såsom Parkinsons sygdom.

Vores hverdag er fyldt med beslutninger, både bevidste og ubevidste. Men som en voksende mængde af beviser afslører, er vores hjerner i stand til at rejse lige så meget ad de veje, vi vælger, som dem, vi giver afkald på.

Når vi fortsætter med at lære om de indviklede forhold mellem rumlig navigation, hukommelse og neurodegeneration, kan vi opdage, at den tid, vi bruger på at overveje, hvad der kunne have været, er lige så vigtig som den tid, vi bruger aktivt på at planlægge. Og selvom faldende kognitiv funktion accepteres som en normal del af at blive ældre, kan det hjælpe med at bevare disse nervebaner ved at holde disse funktioner engageret med simple mentale øvelser som puslespil, ordspil eller læsning. På samme måde kan vi træne vores navigationssystemer ved at kortlægge kurser langs de stier, vi endnu mangler at tage. Så næste gang du kæmper for at bringe dit sind tilbage til den aktuelle opgave, så eksperimenter med at lade det vandre en lille smule længere.

Denne artikel blev oprindeligt vist på Kendte neuroner

Referencer:

Buckner, RL (2010). Hippocampus' rolle i forudsigelse og fantasi. Årlig gennemgang af psykologi 61, 27-48.

Coughlan, G., Coutrot, A., Khondoker, M., Minihane, A., Spires, H., & Hornberger, M. (2019). Mod personlig kognitiv diagnostik af genetisk risiko for Alzheimers sygdom. PNAS 116(19), 9285-9292.

Diersch, N., & Wolbers, T. (2019). Potentialet af virtual reality til forskning i rumlig navigation på tværs af den voksne levetid. Journal of Experimental Biology 222, jeb187252 doi: 10.1242/jeb.187252

Eichenbaum, H., Dudchenko, P., Wood, E., Shapiro, M., & Tanila, H. (1999). Hippocampus, hukommelse og stedceller. NeuronDen funktionelle enhed i nervesystemet, en nervecelle, der..., 23(2), 209-226.

Giocomo, LM (2015). Rumlig repræsentation: Kort over fragmenteret rum. Nuværende biologi, 25(9), R362-R363.

Kay, K., Chung, JE, Sosa, M., Schor, JS, Karlsson, MP, Larkin, MC, Liu, DF, & Frank, LM (2020). Konstant sub-sekund cykling mellem repræsentationer af mulige fremtider i Hippocampus. Celle, 180(3), 552-567.

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

bøger_videnskab