diederik artikel

Een Manifold van Ruimtelijke Kaarten in de Hersenen

• Twee neurale systemen coderen de zelflocatie in de hersenen.
  • Plaats cellen in de hippocampus coderen unieke locaties in unieke omgevingen.
  • Grid cellen, rand cellen en hoofdrichting cellen in de parahippocampale cortex bieden een universele metriek voor het in kaart brengen van posities en richtingen in alle omgevingen.
• Deze systemen zijn traditioneel bestudeerd in zeer eenvoudige omgevingen; natuurlijke omgevingen kennen echter compartimenten, nesten en variabiliteit in de tijd.
• Recente studies suggereren dat hippocampus en entorhinale ruimtelijke kaarten deze complexiteit weerspiegelen.
  • De kaarten fragmenteren in onderling verbonden, snel veranderende en nauw gecoördineerde subkaarten.
• Pluraliteit, snelle dynamiek en dynamische groepering zijn optimaal voor een hersensysteem dat grote hoeveelheden opgeslagen informatie exploiteert om gedrag te sturen op een seconde-tot-seconde tijdsbestek in de natuurlijke habitat van het dier.

Ruimtelijke Kaarten in de Hersenen

• Meer dan 60 jaar geleden stelde Tolman voor dat dieren interne cognitieve kaarten vormen van hun ruimtelijke omgeving.
  • Cognitieve kaarten zouden een mentale kennisbasis vertegenwoordigen, waarin informatie wordt opgeslagen op basis van de relatie tot locaties in de omgeving.
• Na de ontdekking van plaats cellen twee decennia later, veronderstelden O'Keefe en Nadel dat de locatie van de Tolmanische cognitieve kaart van de ruimte zich in de hippocampus bevond.
  • Hippocampus cellen vertegenwoordigen de locatie van het dier in een interne kaart van de lokale omgeving, met entiteit- en gebeurtenisinformatie gekoppeld aan locaties op de kaart, vergelijkbaar met het model van Tolman.
• Het idee dat dieren interne kaarten vormen van de ruimtelijke omgeving wordt nog steeds ondersteund, maar nieuw onderzoek suggereert dat de ruimte wordt gerepresenteerd in verschillende hersensystemen, die elk een verscheidenheid aan representaties herbergen met functioneel gespecialiseerde celtypen.
  • Deze systemen omvatten brede delen van de cortex, waaronder niet alleen de hippocampus, maar ook de aangrenzende entorhinale cortex, pre- en parasubiculum, retrospleniale cortex, pariëtale cortex, frontale cortex en andere gebieden.
• Dit overzicht benadrukt hoe recent experimenteel werk in de hippocampus en entorhinale cortex van het rattenbrein het concept van ruimtelijke kaarten herzien.
  • Ruimte wordt gerepresenteerd door een verzameling snel interagerende kaarten, gegenereerd in combinatie door functioneel specifieke celtypen zoals plaats cellen en grid cellen.

Hippocampale Kaarten

• Plaats cellen zijn hippocampus piramidale cellen die vuren wanneer het dier zich op specifieke posities in de omgeving bevindt.
  • Plaats cellen zijn zowel actief in licht als in donker, wat suggereert dat één enkele modaliteit, zoals zicht, niet verantwoordelijk is voor hun positionele vuring.
  • Verschillende plaats cellen vuren op verschillende posities; er is geen duidelijke topografie tussen hun vuurvelden.
• De hersenen kunnen de activiteit van een lokale populatie plaats cellen uitlezen om de positie van de rat in de doos te bepalen.
  • In experimenten waarin activiteit van een groot aantal cellen wordt geregistreerd, kan de positie van de rat met aanzienlijke nauwkeurigheid worden gereconstrueerd, wat aangeeft dat de populatie plaats cellen een ruimtelijke kaart van de omgeving vormt.
  • Deze kaart kan aangeboren zijn, zoals gesuggereerd door het feit dat plaats cellen al aanwezig zijn vanaf postnatale dag 15 (P15), kort nadat jonge ratten (jongen) hun ogen openen.
• Dezelfde populatie plaats cellen kan verschillende kaarten coderen of ophalen in verschillende omgevingen of verschillende configuraties van dezelfde omgeving.
• Het proces van overschakelen naar een andere kaart wordt remapping genoemd.
• Plaats cellen geven niet alleen ruimtelijke informatie door.
  • Plaats cellen kunnen bijvoorbeeld conjuncties coderen tussen ruimtelijke en olfactorische informatie wanneer dit relevant is voor de taak.
  • Wanneer ratten worden beloond in een reukdiscriminatietaak, waarin ze geuren moeten herkennen die niet overeenkomen met een eerder gepresenteerde geur, kunnen hippocampus neuronen niet alleen positie coderen, maar ook geur en trainingsregel.
• In sommige situaties coderen de cellen eerder tijdsintervallen dan posities, zoals wanneer het dier tijd gebruikt om zijn gedrag te sturen.
  • Deze voorbeelden suggereren dat plaats cellen plaats kunnen koppelen aan een verscheidenheid aan kenmerken in de omgeving.
• Het vermogen om locaties te associëren met specifieke ervaringen kan nuttig zijn voor episodisch geheugencodering in de hippocampus.

Entorhinale Kaarten

• De hersenen bevatten een andere klasse van positie-selectieve neuronen: grid cellen.
  • Deze cellen zijn recentelijk ontdekt in de mediale entorhinale cortex (MEC), maar komen ook veel voor in het presubiculum en het parasubiculum.
• Grid cellen worden gekenmerkt door meerdere vuurlocaties die, in een openveldarena, samen een zeshoekig raster vormen over de gehele ruimte die beschikbaar is voor het dier.
  • Grid cellen kunnen van elkaar verschillen in hun rasterafstand, rasterfase en rasteroriëntatie.
  • Het is bekend dat de afstand van grid cellen toeneemt langs de dorsaal-ventrale as van de entorhinale cortex.
• Net als plaats cellen kunnen grid cellen worden gebruikt om de positie van de rat in de omgeving te reconstrueren en zo functioneren als een kaart van de positie van het dier.
• Dezelfde parahippocampale hersengebieden die grid cellen herbergen, bevatten ook twee extra celtypen die potentieel relevant zijn voor ruimtelijke mapping: hoofdrichtingcellen en randcellen.
  • Hoofdrichtingcellen zijn cellen die alleen reageren wanneer het dier naar een specifieke azimut wijst; verschillende hoofdrichtingcellen zijn afgestemd op verschillende allocentrische oriëntaties.
    • Alle richtingen zijn gelijk vertegenwoordigd in de celpopulatie.
    • Hoofdrichtingcellen werden ontdekt in het presubiculum, maar werden later ook gevonden in MEC, evenals in verschillende andere hersengebieden.
  • Randcellen reageren wanneer het dier zich in de buurt van een grens van de lokale omgeving bevindt.
    • Grensgerelateerde cellen zijn ook opgenomen in het subiculum (Sub), dat indirect de feedback van CA1 naar de MEC, het presubiculum en het parasubiculum verbindt.
• Grid, hoofdrichting en randcellen kunnen sterke aangeboren componenten hebben, gezien het feit dat rudimenten van alle drie celtypen aanwezig zijn wanneer rattenpups voor het eerst open ruimtes verkennen tussen P15 en P20.
  • Samen kunnen deze celtypen deel uitmaken van een metrisch navigatiesysteem dat in staat is afstanden in kaart te brengen (grid cellen), richtingen (hoofdrichtingcellen) en de nabijheid van grenzen (randcellen).

Remapping

• Veranderingen in de omgeving veroorzaken consistente veranderingen in spatial maps in de hippocampus en entorhinal cortex. Deze transformaties worden remapping genoemd.
• Drie belangrijke soorten transformaties kunnen worden overwogen:
• Plaats celvervormingen: Door de omgeving te verkleinen of uit te rekken kan een systematische beweging van de positie van de plaatsvelden ten opzichte van de omliggende grenzen optreden.
• Tariefremapping: In sommige gevallen veroorzaken omgevingstransformaties een drastische verandering in de verdeling van de vuursnelheden tussen plaats cellen zonder een begeleidende verandering in de vuurposities.
  • Een voorbeeld van een manipulatie van de omgeving die een tariefremapping induceert, is het veranderen van de wandkleur van de doos waarin de rat zich bevindt van zwart naar wit.
  • Wanneer plaats cellen een tariefremapping ondergaan, veranderen tegelijkertijd opgenomen grid cellen hun vuring niet op een consistente manier.
• Wereldwijde (plaats) remapping: In sommige gevallen kunnen veranderingen in de omgeving de positie van de plaatsvelden op een onvoorspelbare manier veranderen.
  • Wanneer de rat bijvoorbeeld in een doos in de ene kamer (kamer A) loopt en vervolgens in een vergelijkbare doos in een andere kamer (kamer B), zijn de posities en vuursnelheden van de verschillende plaats cellen blijkbaar niet gerelateerd.
  • Wereldwijde remapping kan ook optreden op dezelfde locatie wanneer de geometrie of andere opvallende eigenschappen van de omgeving radicaal veranderen.
  • Wanneer plaats cellen een wereldwijde remapping ondergaan, ondergaan de vuurhoeken van grid cellen veranderingen zoals verschuivingen in gridfase, gridoriëntatie of gridschaal.
  • Plaats cellen behouden geen afstandsinformatie tijdens wereldwijde remapping, terwijl grid cellen dat wel doen; dat wil zeggen, twee plaats cellen die aangrenzende plaatsvelden hadden in de ene omgeving, kunnen zeer verre plaatsvelden hebben in de tweede omgeving, terwijl twee rasters met vergelijkbare tussenruimte samen verschuiven, zodat de ruimtelijke faserelaties tussen de rastervelden behouden blijven.

Relatie tussen Entorhinale en Hippocampale Kaarten

• Wat zijn de relaties tussen plaats cellen en de verschillende celtypen van de entorhinale cortex?
  • Plaats cellen in CA3 worden rechtstreeks gecontacteerd door axonen van laag II cellen in MEC.
  • Plaats cellen in CA1 ontvangen directe projecties van laag III neuronen in MEC.
  • Beide lagen bevatten grid cellen.
• Omgekeerd ontvangen grid cellen in laag V output van plaats cellen in CA1.
  • Het lijkt er dus op dat grid cellen en plaats cellen slechts één synaps van elkaar verwijderd zijn, wat suggereert dat er een simpele transformatie bestaat tussen raster- en plaatsrepresentaties.
• Verschillende modellen hebben voorgesteld dat plaats cellen, door middel van een Fourier-achtige transformatie, kunnen ontstaan als een som van inputs van vele grid cellen met verschillende ruimtelijke fasen en oriëntaties.
  • Plaats cellen kunnen ook afhankelijk zijn van input van andere entorhinale celtypen, zoals randcellen.
• Laesies van ventrale MEC, waar gridvelden groter zijn, leiden tot een afname van de grootte van plaatsvelden in de hippocampus.
  • Dit is consistent met de voorgestelde grid-to-plaats celtransformatie.
• De opvatting dat plaats cellen voortkomen uit grid cel output wordt betwist door de bevinding dat plaats cellen eerder volwassen zijn dan grid cellen tijdens postnatale ontwikkeling van het zenuwstelsel.
  • De vertraging sluit op zichzelf geen rol uit voor grid cellen bij de vorming van plaats cellen, omdat rudimentaire gridvelden voldoende kunnen zijn om plaatsvelden te genereren.
  • Echter, als plaats cellen kunnen worden geconstrueerd uit een Fourier-achtige som van grid cellen, dan moet het ook mogelijk zijn om de inverse transformatie te verkrijgen: de constructie van gridcellen als een Fourier-achtige som van plaats cellen.
• Plaats-naar-grid transformatiemodellen kunnen mogelijk niet verklaren dat de rasterstructuur minutenlang aanhoudt na inactivatie van de dorsale hippocampus; het geleidelijke verlies van stabiliteit en uiteindelijk alle structuur in gridvelden van hippocampus geïnactiveerde ratten wijst echter op een rol voor hippocampus output bij het verankeren van de gridvelden aan de lokale geometrie en oriëntatiepunten van de specifieke omgeving.
• De wederzijdse invloeden tussen grid cellen en plaats cellen zullen zeker een belangrijk doelwit van onderzoek blijven in de komende jaren.

De Manifold van Entorhinale en Hippocampale Kaarten

• De meeste omgevingen zijn complexer dan de normale doos- en lineaire trackomgevingen waarin de meeste experimenten met plaats cellen en grid cellen zijn uitgevoerd.
  • Omgevingen zoals een huis met veel kamers of een landschap met barrières zoals rivieren en hekken zijn moeilijk puur in tweedimensionale coördinaten te beschrijven.
• Een alternatieve manier om dergelijke omgevingen weer te geven, is door een stapel kaarten te gebruiken waarbij elke onderverdeling van de omgeving zijn eigen weergave heeft.
• Verschillende modellen hebben voorgesteld dat ruimtelijke omgevingen worden opgeslagen als grote aantallen onafhankelijke fragmenten of referentiekaders.
  • Worden stelde voor dat zoogdieren herinneringen aan hun geografische omgeving opslaan als een verzameling fragmenten die elk bestaan uit een klein aantal oriëntatiepunten, hun geometrische relatie en aanvullende niet-geometrische eigenschappen.
  • In dit model werden fragmenten geroteerd en in elkaar gezet om een lokale kaart te vormen tijdens de navigatie, op dezelfde manier als stukken worden samengevoegd in een legpuzzel.
  • Worden stelde voor dat deze geometrische operatie plaatsvond in de hippocampus en aanverwante structuren.
• Het concept van meerdere kaarten werd verder ontwikkeld toen McNaughton en collega's continue aantrekkernetwerken introduceerden om translocatie in hippocampuskaarten te begrijpen.
  • In hun model waren unieke sets plaats cellen actief op verschillende positiecoördinaten in een virtuele tweedimensionale ruimte die een kaart wordt genoemd.
  • Toen de rat naar een andere positie in de omgeving bewoog, veroorzaakte zijn zelfbeweging een beweging van de plaats celactiviteitsbobbel naar een andere positie op de kaart, wat een neuronale implementatie van padintegratie manifesteert.
  • Verschillende ruimtelijke omgevingen werden geassocieerd met verschillende, onderling exclusieve kaarten.
• Redish en Touretzky boden aanvullende theoretische ondersteuning voor een sleutelrol van padintegratie bij de vorming van hippocampus kaarten.

Dynamische Kaarten

• De hippocampus herbergt verschillende kaarten, elk verankerd aan een ander referentiekader of constellatie van oriëntatiepunten.
• Gothard en collega's registreerden plaats cellen in een openveldtaak waarin de rat van een kleine startdoos naar een kleine einddoos rende, op zo'n manier dat de relatieve posities van de startdoos, de einddoos en het doel in de arena bij elke poging werden veranderd.
  • Sommige plaats cellen leken zich te verankeren aan de coördinaten van de arena, andere plaats cellen veranderden hun positie wanneer het doel of de start-/einddozen bewogen werden, wat blijkbaar aangeeft dat verschillende cellen verankerd waren aan verschillende referentiekaders (arena, startdoos, einddoos en doel).
  • Plaats cellen met verschillende referentiekaders werden nooit gelijktijdig waargenomen; verschillende kaders konden eerder actief zijn in de populatie op verschillende tijdstippen, dat wil zeggen, dat op een bepaald moment de actieve kaart mogelijk uitgelijnd is met het ene kader en niet met het andere.
• Vergelijkbare resultaten werden gereproduceerd in een recentere studie, waarin een subset van de hippocampus cellen verankerd was aan het referentiekader van een lokale barrière, waar andere cellen vergrendeld waren aan het externe kamerkader.
• Uit vervolgonderzoek is gebleken dat de hippocampus zeer snel, vaak binnen enkele seconden of minder, een remapping kan ondergaan.
  • In een tweede studie demonstreerden Gothard en collega's, dat wanneer de rat over een rechtlijnig spoor liep van een startdoos naar een einddoos, dat zich bevond op verschillende afstanden van de startbox, plaatsvelden vastgepind zaten aan de startbox aan het begin van het spoor en aan de einddoos aan het einde er van.
  • Toen de einddoos werd verplaatst naar een nieuwe afstand van de startbox, verplaatste de positie van de plaatsvelden dichter bij de einddoos naargelang, terwijl de positie van de velden nabij de startdoos constant bleef.
  • Dit betekende dat er een relatief scherpe verschuiving plaatsvond in het midden van het spoor van het startboxkader naar het eindboxkader.
• Derdikman en collega's demonstreerden een vergelijkbare snelle overgang tussen entorhinale kaarten toen ratten van het ene steegje naar het volgende draaiden in de haarspeldbocht doolhof.
  • Dergelijke verschuivingen lijken coherent te zijn over de gehele populatie plaats cellen, grid cellen, hoofdrichtingcellen en grens cellen, zowel binnen elke populatie als tussen de populaties.
• Rotaties van sleuteloriëntatiepunten veroorzaken coherente rotatie van vuurvelden.
• Remapping in plaats cellen gaat gepaard met coherente veranderingen in de fase en oriëntatie van gelokaliseerde gridvelden en oriëntatie van richtingvelden en grensvelden.
• De exacte tijdschaal of mechanismen van deze globale ensemble overgangen zijn niet vastgesteld.
  • Het is bijvoorbeeld niet duidelijk of de overgangen alles-of-niets zijn of soepel verlopen door continua van tussenliggende netwerkstatussen.
• Opnamen van hoofdrichtingcellen hebben aangetoond dat lokale ensembles hun vuervoorkeuren bijna ogenblikkelijk kunnen resetten, op een tijdschaal van ongeveer 80 ms, en lopend werk in plaats cellen, specifiek gericht op het overgangsmoment, geeft aan dat hippocampus ensembles tussen de kaarten kunnen schakelen, tussen minder dan één enkele thetacyclus.