Je bent onderweg naar je werk, als je gedachten afdwalen naar de lezing die je 's middags moet geven. U oefent uw gesprek met uzelf terwijl u naar kantoor komt en u voorbereidt op de vragen die uw collega's zouden kunnen stellen. Later, terwijl u uw e-mailinbox schoonmaakt, overweegt u uw lunchopties terwijl u eindeloos scrolt.
Dit zijn slechts een paar voorbeelden van hoe elke actie die we in de echte wereld ondernemen ook de verborgen, alternatieve actie met zich meebrengt die we ons alleen hadden voorgesteld. Aanzienlijke onderzoeksinspanning is geïnvesteerd in het begrijpen van het hoe en waarom van onze actieve besluitvorming, maar nieuwe bewijslijnen vertellen ons dat de tijd die we doorbrengen in alternatieve realiteiten ook een belangrijk neurologisch doel dient.
Veel delen van de hersenen werken samen om onze mentale kaarten op te bouwen, maar de belangrijkste spelers in ruimtelijke navigatie zijn de zeepaardje, de zetel van het geheugen in de hersenen en de entorhinale cortex, die naast de hippocampus en geeft de daar gegenereerde informatie door aan hogere verwerkingsgebieden.
Al in 1948 werd voorgesteld dat knaagdieren vertrouwen op verschillende omgevingsfactoren om kaarten te genereren voor beloningen bij doolhof-leertaken. De aard van deze kaart en de cellen die deze hebben gegenereerd, bleven echter een mysterie. Dertig jaar later merkten onderzoekers op dat specifieke hippocampale cellen bij ratten vaker vuren wanneer ze specifieke plaatsen binnenkomen. Het is opmerkelijk dat de schietpatronen van deze netwerken van cellen in de tijd stabiel zijn, zelfs in afwezigheid van aanwijzingen die aanwezig waren bij hun eerste activering. De ontdekking van deze beschrijvend genoemde 'plaatscellen' maakte de weg vrij voor een nauwkeuriger onderzoek van de neurobiologische basis van pathfinding.
Toen plaatscellen werden ontdekt, was hun voorgestelde functie het creëren van een één-op-één topografische kaart van een bepaalde ruimte. Onderweg van de fysieke wereld naar de hersenen, vertonen de meeste van onze sensorische representaties wat bekend staat als topografische organisatie. Stel je voor dat je in je auto stapt en op weg gaat naar onbekende onderdelen. U kunt vertrouwen op satellietnavigatie, GPS of een papieren kaart om u naar uw bestemming te leiden. Net zoals elk punt op je kaart overeenkomt met een specifiek herkenningspunt op je reis, plaats je cellen zichzelf aan specifieke herkenningspunten in de omgeving om je in de ruimte te oriënteren.
Onze interne ruimtelijke topografie is geavanceerder, met hippocampale cellen die representaties van bepaalde stimuli, signalen of beloningen coderen in de context van hoe het dier zich in die ruimtes gedraagt. Stel je bijvoorbeeld voor dat je op het vliegveld aankomt in een onbekend land. Je hebt misschien algemene kennis van het concept van een luchthaven, samen met bekende visuele herkenningspunten, die je verankeren in deze nieuwe ruimte. Een deel van deze informatie is biografisch en is gebaseerd op uw unieke herinneringen aan andere luchthavens.
Afhankelijk van het feit of deze ervaringen positief of negatief waren, zal de emotionele betekenis van deze ruimtes ook bijdragen aan je persoonlijke kaart, en al deze factoren combineren om de ervaring van de ruimte te creëren die veel rijker is dan een eenvoudige verzameling van oriëntatiepunten.
"Plaats cellen verankeren zich aan specifieke oriëntatiepunten in de omgeving om u in de ruimte te oriënteren."
Meer recente studies bij primaten lieten zien dat hippocampale cellen in primatenhersenen iets anders werken dan in knaagdierhersenen en schieten als reactie op een reeks verschillende stimuli die niet strikt locatiegebonden zijn. Lopend werk bij muizen, primaten en mensen hebben ook vastgesteld dat de hippocampus geen eenzame acteur is. Betreed de entorhinale cortex, die sensorische informatie doorgeeft aan de hippocampus en fungeert als een brug naar de neocortex, waar veel van onze meer geavanceerde cognitieve en motorische commando's worden afgegeven.
Onderzoekers hebben onlangs een netwerk van cellen binnen de entorhinale cortex genaamd "grid-cellen", die uw eigen beweging ten opzichte van uw omgeving coderen, en een cruciaal stuk toevoegen aan de plaatscelpuzzel als het gaat om bredere navigatiestrategieën. Rasternetwerken kunnen de richting en afstanden tussen objecten in een ruimte nauwkeuriger plotten, op basis van interne bewegingsaanwijzingen in plaats van sensorische input vanuit de ruimte zelf. Deze systemen werken samen om ruimtes dynamisch weer te geven op manieren die door ervaring kunnen worden aangepast, waarbij flexibel nieuwe informatie wordt opgenomen, maar ook om deze ruimtes in de loop van de tijd vertrouwd te maken.
Maar als we eenmaal een representatie van een ruimte in gedachten hebben, hoe beslissen we dan hoe we ermee omgaan? Dit vereist actieve besluitvorming en de brandstof voor besluitvorming is beloning. Dit is waar de niet-ruimtelijke kenmerken van de neuronen waaruit onze navigatiesystemen bestaan, bijzonder belangrijk worden. Onderzoekers ontdekten in knaagdierstudies dat de waargenomen beloningswaarde of betekenis van bepaalde objecten in een omgeving de schietpatronen van cellen sterker in hun richting kan verschuiven. Een hogere voorspelde beloningswaarde geassocieerd met een bepaalde beurt of locatie in een doolhof zou daarom beweging in die richting voorspellen. Dus hoe zit het met de paden die niet zijn gekozen?
Onlangs is een team van onderzoekers van UCSF gemeten hippocampus plaats cel schieten in ratten terwijl ze ruimtelijke navigatietaken voltooiden. De ratten werden in een doolhof geplaatst en hun neurale activiteit werd in realtime in beeld gebracht terwijl ze kozen tussen paden die op een keuzepunt uiteenliepen. Op deze manier konden de onderzoekers unieke patronen van het afvuren van plaatscellen toewijzen die overeenkwamen met elke arm van het doolhof nadat de rat een keuze had gemaakt en er vervolgens langs reisde.
Opvallend was dat toen de rat het keuzepunt naderde, elk van de sets plaatscellen die een van beide armen van het doolhof vertegenwoordigden, afwisselend snel vuurde en de dobbelstenen op een van beide mogelijke toekomst gooide voordat de keuze werd gemaakt. Dit betekent dat niet alleen het pad dat het dier uiteindelijk in realtime aflegt, maar ook het mogelijke alternatieve pad, evenredig worden weergegeven in de neurale ruimte, wat een mechanistische verklaring biedt voor mentale representaties van de toekomst.
"Het mogelijke alternatieve pad, zijn gelijk vertegenwoordigd in de neurale ruimte, wat een mechanistische verklaring biedt voor mentale representaties van de toekomst."
Bij knaagdieren vinden navigatiestudies plaats in eenvoudige tafelmodules die de complexiteit van een echte wereld niet kunnen bevatten. Virtuele realiteit is steeds populairder geworden als persoonlijk amusement, maar biedt onderzoekers ook ongekende variatie en controle in het ruimtelijk navigatieonderzoek. Een groep in het VK heeft een mobiele game genaamd Sea Hero Quest gebruikt om een van de grootste datasets over ruimtelijk redeneren in alle leeftijdsgroepen vast te leggen.
Gameplay-gegevens geeft aan dat het ruimtelijk redeneren kan beginnen te verminderen wanneer we nog maar 19 zijn, en de route-keuzes van spelers verschilden afhankelijk van het feit of ze de e4-variant van het APOE-gen droegen dat al lang wordt gebruikt als een klinische diagnostische marker voor de ziekte van Alzheimer. Nieuwe strategieën zoals deze, die eenvoudige mobiele games omzetten in hulpmiddelen voor het verzamelen van klinische gegevens, kunnen ons begrip van hoe neurodegeneratieve ziekten precies verlopen, aanzienlijk vergroten en de ontwikkeling van een zeer persoonlijke vroege diagnose versnellen.
Veel van ons begrip van hoe we over de toekomst denken, is voortgekomen uit het bestuderen van patiënten die zich het verleden niet meer kunnen herinneren. Sinds de allereerste dagen van de neurowetenschappen, toen laesiestudies vaak de meest informatieve hulpmiddelen waren die ons ter beschikking stonden om meer te weten te komen over de functie van verschillende delen van de hersenen, hebben we begrepen dat de hippocampus is vereist voor geheugenherinnering.
Hippocampusschade wordt geassocieerd met geheugenverlies, evenals verminderde ruimtelijke redenering. Maar verschillende historische onderzoeken hebben aangetoond dat hippocampusletsel ook het vermogen om hypothetische gebeurtenissen voor te stellen verstoort. Consistent hebben patiënten met geheugenverlies niet alleen moeite om recente biografische informatie op te roepen, maar kunnen desgevraagd alleen algemene uitspraken doen over aankomende gebeurtenissen in hun leven.
Geheugenverlies komt vaak voor naarmate we ouder worden, maar zoals uit veel onderzoeken blijkt, ons vermogen om in de ruimte te navigeren neemt ook af naarmate we ouder worden. Deze tekortkomingen treden eerder op dan andere algemene maten van cognitieve stoornissen, wat suggereert dat sommige functies van het navigatiesysteem uniek zijn en onafhankelijk werken van andere soorten geheugen en informatieverwerking in de hippocampus.
De meest kwetsbare structuren in het verouderende brein zijn die welke voor beweging coderen, zoals de entorhinale cortex. Het afvuren van cellen in de hippocampus wordt ook grillig bij oudere ratten. Het is veelbetekenend dat de structuren die verantwoordelijk zijn voor de oriëntatie in de ruimte, ook het meest kwetsbaar zijn voor de pathologie van de ziekte van Alzheimer, wat wijst op een beperking van de navigatie als een potentieel vroeg diagnostisch criterium voor deze en andere neurodegeneratieve aandoeningen zoals de ziekte van Parkinson.
Ons dagelijks leven is gevuld met beslissingen, zowel bewust als onbewust. Maar zoals een groeiend aantal bewijzen onthult, zijn onze hersenen in staat om net zo goed te reizen langs de paden die we kiezen als die we afzien.
Terwijl we blijven leren over de ingewikkelde relaties tussen ruimtelijke navigatie, geheugen en neurodegeneratie, zullen we merken dat de tijd die we besteden aan het nadenken over wat er zou kunnen zijn, net zo belangrijk is als de tijd die we besteden aan actief plannen. En hoewel achteruitgang van de cognitieve functie wordt geaccepteerd als een normaal onderdeel van ouder worden, kan het helpen om deze neurale paden te behouden door deze functies bezig te houden met eenvoudige mentale oefeningen zoals puzzels, woordspelletjes of lezen. Op dezelfde manier kunnen we onze navigatiesystemen oefenen door cursussen in kaart te brengen langs de paden die we nog moeten volgen. Dus de volgende keer dat je merkt dat je moeite hebt om je gedachten terug te brengen naar de taak, experimenteer dan met het een beetje verder laten afdwalen.
Dit artikel verscheen oorspronkelijk op Neuronen kennen
Referenties:
Buckner, RL (2010). De rol van de hippocampus bij voorspelling en verbeelding. Jaaroverzicht van psychologie 61, 27-48.
Coughlan, G., Coutrot, A., Khondoker, M., Minihane, A., Spires, H., & Hornberger, M. (2019). Op weg naar gepersonaliseerde cognitieve diagnostiek van de ziekte van Alzheimer met een genetisch risico. PNAS 116(19), 9285-9292.
Diersch, N., & Wolbers, T. (2019). Het potentieel van virtual reality voor ruimtelijk navigatieonderzoek gedurende de levensduur van volwassenen. Journal of Experimental Biology 222, jeb187252 doi: 10.1242 / jeb.187252
Eichenbaum, H., Dudchenko, P., Wood, E., Shapiro, M., & Tanila, H. (1999). De hippocampus-, geheugen- en plaatscellen. NeuronDe functionele eenheid van het zenuwstelsel, een zenuwcel die ..., 23(2), 209-226.
Giocomo, LM (2015). Ruimtelijke weergave: kaarten van gefragmenteerde ruimte. Huidige biologie, 25(9), R362-R363.
Kay, K., Chung, JE, Sosa, M., Schor, JS, Karlsson, MP, Larkin, MC, Liu, DF, & Frank, LM (2020). Constante sub-seconde cyclus tussen representaties van mogelijke toekomsten in de hippocampus. Cel, 180(3), 552-567.
Lester, AW, Moffat, SD, Wiener, JM, Barnes, CA, & Wolbers, T. (2017). Het verouderende navigatiesysteem. Neuron 95(5), 1019-1035.
books_science
