SiNAPSA, sobota, 29. april 2017

eSiNAPSA

Spletna revija za znanstvenike, strokovnjake
in nevroznanstvene navdušence

Kako deluje navigacijski sistem v naših možganih

Simon Brezovar

Zamislite si, da ste na Prešernovem trgu, od koder se želite odpraviti na Železniško postajo. Predstavljate si lahko, v katero smer se morate obrniti in po kateri poti kreniti, da boste prišli čim hitreje do cilja. Hkrati se boste znali ustrezno odzvati, če bo del Miklošičeve ceste zaprt in boste morali izbrati nekoliko drugačno pot. V mislih lahko potujete mimo hotela Union, vrhovnega sodišča in Slovenske kinoteke. Na koncu Miklošičeve boste prečkali Masarykovo in prispeli ste na cilj.

Simon BrezovarKako naši možgani vedo, kje se nahajamo? Kako lahko najdemo pot iz ene lokacije na drugo? Kako nam uspe ohranjati dobro navigacijo, četudi pride na poti do prepreke? Lanskoletna Nobelova nagrada za medicino ali fiziologijo je bila podeljena ameriško-angleškemu nevrobiologu Johnu O’Keefu ter norveškima psihologoma, zakoncema May-Britt in Edvardu Moserju. Priznanje so dobili prav za delo na področju živčnih celic, ki predstavljajo navigacijski sistem v naših možganih.

Več stoletij so se filozofi in znanstveniki ukvarjali z vprašanjem položaja in navigacije. Idealistični nemški filozof Immanuel Kant je verjel, da so določene miselne sposobnosti že od rojstva vgrajene v naš mentalni sistem in koncept prostora naj bi bila ena izmed njih. Prve eksperimentalne podatke o obstoju kognitivnih zemljevidov je objavil ameriški psiholog Edward Tolman, ki je proučeval sposobnost učenja poti v labirintih pri podganah. V sedemdesetih letih je bilo merjenje aktivnosti posameznih celic z mikroelektrodami že dobro uveljavljeno in vse več znanstvenikov je želelo razumeti, kako delujejo možganski procesi na ravni delovanja posameznih živčnih celic.

John O’Keefe je v sedemdesetih letih vedel, da igra hipokampus pomembno vlogo pri orientaciji v prostoru. Še bolj natančno pa ga je zanimalo, kakšna je aktivnost posameznih živčnih celic glede na to, kje v prostoru se podgana nahaja. Ugotovil je, da postanejo posamezne živčne celice aktivne, kadar se nahaja žival v točno določenem delu prostora. Ker naj bi celice v hipkampusu kodirale točno določen prostor v okolju, jih je O’Keefe poimenoval prostorske celice (angl. place cells). Spomini za specifična okolja naj bi bili torej shranjeni v hipokampusu kot specifične kombinacije aktivnosti prostorskih celic.

Mrežne in pozicijske celice
Slika 1. Mrežne (modra barva) in pozicijske (oranžna barva) celice se nahajajo v hipokampusu in entorhinalnem korteksu. Skupaj z nekaterimi drugimi celicami tvorijo pozicijski sistem v možganih.

Dobra tri desetletja pozneje sta se zakonca Moser posvečala vprašanju, kako pravzaprav prostorski signali, ki jih je opisal O’Keefe, sploh nastanejo. V zgodnejših študijah sta najprej pokazala, da je aktivnost prostorskih celic ohranjena, če se podgani s kemično lezijo prekine dotok informacij iz lateralnega entorhinalnega korteksa. Hkrati pa sta Moserja vedela, da je s hipokampusom po drugi poti povezan medialni entorhinalni korteks. Sklepala sta, da prav iz tega področja prihajajo signali (ukazi) za aktivacijo prostorskih celic. Ugotovila sta, da imajo celice v medialnem entorhinalnem korteksu podobne značilnosti kot prostorske celice. Ko pa sta se osredotočila na nekoliko večji prostor, sta ugotovila presenetljiv vzorec aktivnosti živčnih celic. Vzorci aktivacije so spominjali na nekakšno mrežo v obliki šesterokotnikov, zaradi česar sta Moserja te celice poimenovala mrežne celice (angl. grid cells).

Prostorske in mrežne celice tvorijo skupaj še z nekaterimi drugimi celicami pozicijski sistem v možganih. Poznejše študije so pokazale, da je pozicijski sistem v človeških možganih organiziran na zelo podoben način kot pri podganah. Ker sta entorhinalni korteks in hipokampus najzgodnejši tarči pri bolnikih z Alzheimerjevo boleznijo, je razumevanje delovanja teh celic še toliko bolj pomembno. Po eni strani bi lahko nekoč v prihodnosti, ko bomo znali meriti aktivnost teh celic, odkrili Alzheimerjevo bolezen še bolj zgodaj kot danes in jo začeli prej zdraviti. Po drugi strani pa bi nam lahko vpogled v mehanizem delovanja teh celic omogočil tudi nove načine zdravljenja Alzheimerjeve bolezni. Trenutni raziskovalni napor je usmerjen prav v to smer, tj. k razumevanju, kako mrežni vzorec sploh nastane in kako so različne skupine celic, ki so udeležene v procesu orientacije v prostoru, med seboj povezane.

Zanimivo, dve novejši študiji sta pokazali, da je mrežni vzorec zelo odvisen od (i) aktivnosti celic za premikanje glave (angl. head direction cells), ki se nahajajo v talamusu in od (ii) konfiguracije prostora. Očitno torej mrežni vzorec ni tako zelo univerzalen, kot so sklepali kmalu po odkritju mrežnih celic, ampak odvisen tudi od nekaterih drugih dejavnikov. Vsekakor lahko pričakujemo tudi v bodoče pestro raziskovalno dejavnost na tem področju.

Temeljna literatura

  • Hafting, T., Fyhn, M., Molden, S., Moser, M-B in Moser, E. I. (2005). Microstructure of a spatial map inthe entorhinal cortex. Nature, 436, 801–8066.
  • Krupic, J., Bauza, M., Burton, S., Barry, C. in O’Keefe, J. (2015). Grid cell symmetry is shaped by environmental geometry. Nature, 518, 232–235.
  • O’Keefe, J. in Dostrovsky, J. (1971). The hippocampus as a spatial map. Preliminary evidence from unit activity in the freely-moving rat. Brain Res., 34, 71–75.
  • Moser, E. I., Kropff, E. in Moser, M-B (2008). Place Cells, Grid Cells, and the Brain’s Spatial Representation System. Annu. Rev. Neurosci., 31, 69–89.
  • Winter, S. S., Clark, B. J. in Taube, J. S. (2015). Disruption of the head direction cell network impairs the parahippocampal grid cell signal. Science, 347, 870–874.

dr. Simon Brezovar, univ. dipl. psih.
Nevrološka klinika,
Univerzitetni klinični center Ljubljana