Кіріспе
Кейбір сүтқоректілерде кездесетін орындық белсендірілген гиппокамп жасушалары. Орындық жасуша – гиппокамптағы пирамидалық нейронның бір түрі, жануар өзінің ортасындағы нақты бір орынға кіргенде белсенді болады, бұл орындық өріс деп аталады. Орындық жасушалар кеңістіктегі нақты бір орынның танымдық бейнесі ретінде бірлесіп жұмыс істейді, бұл танымдық карта деп аталады. Орындық жасушалар гиппокамп пен оны қоршаған аймақтардағы басқа нейрондармен бірге осы типтегі кеңістіктік өңдеуді жүзеге асырады. Олар кеміргіштер, жартарқанаттар, маймылдар және адамдардың арасында табылған. Орындық жасушалардың ату үлгілері көбінесе қоршаған ортадағы стимулдармен, мысалы, көру белгілерімен, иіс және вестибулярлық стимулдармен анықталады. Орындық жасушалары бір үлгіден екінші үлгіге кенеттен ату үлгісін өзгерте алады, бұл құбылыс қайта карталау деп аталады. Бұл қайта карталау кейбір орындық жасушаларда немесе бірден барлық орындық жасушаларда болуы мүмкін. Оның себебі қоршаған ортаның иісі сияқты түрлі өзгерістер болуы мүмкін. Орындық жасушалар эпизодтық жадта маңызды рөл атқарады деп саналады. Олар естелік болған кеңістіктік контекст туралы ақпаратты қамтиды. Сондай-ақ, олар қайталану арқылы консолидацияны жүзеге асырады – белгілі бір тәжірибеге қатысқан орындық жасушалардың әлдеқайда жылдам уақыт шкаласында қайта белсендірілуі. Орындық жасушалар жасқа және Альцгеймер ауруы сияқты ауруларға байланысты өзгерістерге ұшырайды, бұл есте сақтау қабілетінің төмендеуіне әкелуі мүмкін. 2014 жылғы физиология немесе медицина саласындағы Нобель сыйлығы орындық жасушаларды ашқан Джон О’Кифке және тор жасушаларды ашқан Эдвард пен Мэй Бритт Мозерге берілді.
A place cell is a kind of pyramidal neuron in the hippocampus that becomes active when an animal enters a particular place in its environment, which is known as the place field. Place cells are thought to act collectively as a cognitive representation of a specific location in space, known as a cognitive map. Place cells work with other types of neurons in the hippocampus and surrounding regions to perform this kind of spatial processing. They have been found in a variety of animals, including rodents, bats, monkeys and humans. Place cell firing patterns are often determined by stimuli in the environment such as visual landmarks, and olfactory and vestibular stimuli. Place cells have the ability to suddenly change their firing pattern from one pattern to another, a phenomenon known as remapping. This remapping may occur in either some of the place cells or in all place cells at once. It may be caused by a number of changes, such as in the odor of the environment. Place cells are thought to play an important role in episodic memory. They contain information about the spatial context a memory took place in. And they seem to perform consolidation by exhibiting replay – the reactivation of the place cells involved in a certain experience at a much faster timescale. Place cells show alterations with age and disease, such as Alzheimer's disease, which may be involved in a decrease of memory function. The 2014 Nobel Prize in Physiology or Medicine was awarded to John O'Keefe for the discovery of place cells, and to Edvard and May Britt Moser for the discovery of grid cells.
Өмірбаян
Орындық жасушалар алғаш рет 1971 жылы Джон О’Киф және Джонатан Достровский егеуқырлардың гиппокамптарында табылды. Олар гиппокампы зақымдалған егеуқырлардың кеңістіктік тапсырмаларды нашар орындағанын байқады, сондықтан бұл аймақта қоршаған ортаның кеңістіктік бейнесі болуы керек деп болжады. Бұл гипотезаны тексеру үшін олар созылмалы электрод имплантаттарын жасады, олардың көмегімен гиппокамптағы жеке жасушалардың сыртқы белсенділігін тіркеуге мүмкіндік алды. Олар кейбір жасушалардың егеуқыр «тест платформасының белгілі бір бөлігінде, белгілі бір бағытқа қарап тұрғанда» белсенділік көрсеткенін анықтады. Бұл жасушалар қоршаған ортаның белгілі бір жерінде, яғни «жер өрісінде» оқшауланатын жасушалар еді. Олар егеуқыр өз жер өрісінде болмағанда төменгі демалыс жиілігіне (<1 Гц) ие болады, бірақ жер өрісінде кейбір жағдайларда, тіпті 100 Гц-тан асып кететін, айқын жоғары жиілікте оқшауланады. Сонымен қатар, О’Киф алты арнайы жасушаны сипаттады, оларды «орны ауысқан жасушалар» деп атады, олар да тек белгілі бір жерде ғана оқшауланады, бірақ егеуқыр иіскеу сияқты қосымша әрекеттер жасағанда ғана, жаңа стимулдың болуымен немесе күтілген стимулдың болмауымен байланысты оқшауланады. Гиппокамптың орындық жасушаларының функциясы қоршаған ортадағы бағдарламаларға, қоршаған ортаның шекараларына немесе екеуінің өзара әрекеттесуіне байланысты ма, жоқ па, деген мәселеде көп пікірталас болып өтеді. Сонымен қатар, барлық орындық жасушалар бірдей сыртқы сигналдарға сүйенбейді. Сигналдардың маңызды айырмашылығы – жергілікті және алыс сигналдар, мұнда жергілікті сигналдар субъектінің жақын маңында пайда болады, ал алыс сигналдар қашықта орналасқан және көбінесе бағдарламалар сияқты әрекет етеді. Жеке орындық жасушалардың біреуіне немесе екеуіне де сүйенетіні көрсетілді. Сонымен қатар, орындық жасушалардың сүйенетін сигналдары субъектінің бұрынғы тәжірибесіне және сигналдың айқындығына байланысты болуы мүмкін. Жақындағы зерттеулер, мысалы, орындық жасушалардың дыбыс жиілігі сияқты кеңістік емес өлшемдерге жауап беретінін көрсеткен зерттеулер, когнитивтік карта теориясымен келіспейді. Керісінше, олар гиппокамптың үздіксіз айнымалыларды кодтаудың жалпы функциясына ие екенін, ал орналасу осы айнымалылардың бірі ғана екенін айтатын жаңа теорияны қолдайды.
Тор торларымен байланыс
Орындық жасушалар энторинальды қабықтағы пирамидалық жасушалар – тор жасушаларының туындылары деп ұсынылған. Бұл теория бойынша, орындық жасушалардың орындық өрістері бірнеше тор жасушалардың комбинациясы болып табылады, олардың белсенділік үлгілері алтыбұрышты тор тәрізді құрылымға ие. Теория есептеу модельдерімен расталған. Бұл қатынас Хеббтік үйрену арқылы қалыптасуы мүмкін. Алайда, тор жасушалары жол интеграциясы сияқты кірістер арқылы орындық өрістердің қалыптасуында көбірек қолдаушы рөл атқаруы мүмкін. Гиппокамптың функциясын түсіндірудің кеңістіктік емес бір жолы – гиппокамптың ағымдағы контекстінің (кеңістіктік немесе кеңістіктік емес) бейнесін жасау үшін кірістерді кластерлеуді жүзеге асыратыны болжалады.
Орналасу өрістері
Урындық жасушалар қоршаған ортаның белгілі бір аймағында, яғни орын өрісінде белсенді болады. Орын өрістері сезімдік нейрондардың қабылдау өрістерімен салыстыруға болады, себебі олардың белсенділік аймағы қоршаған ортадағы сезімдік ақпараттың аймағына сәйкес келеді. Дегенмен, қабылдау өрістерінен айырмашылығы, урындық жасушалар топографиялық реттелмеген, яғни екі жақын жасушаның орын өрістері міндетті түрде жақын орналасқан болуы керек емес. Урындық жасушалар орын өрісінің ішінде жоғары жиілікте импульстарды тізбектеп жібереді, ал орын өрісінен тыс жерде салыстырмалы түрде жайсыз болып қалады. Орын өрістері аллоцентрлік болып табылады, яғни олар денеге емес, сыртқы әлемге қатысты анықталады. Қоршаған ортаға, емес, жеке тұлғаға бағдарлану арқылы, орын өрістері қоршаған ортаның нейрондық картасы ретінде тиімді жұмыс істей алады. Типик урындық жасуша кішкентай зертханалық ортада тек бір немесе бірнеше орын өрісіне ие болады. Алайда, үлкен орталарда урындық жасушалар әдетте біркелкі емес, бірнеше орын өрісін қамтитыны көрсетілген. Урындық жасушалар бағыттылықты да көрсетуі мүмкін, яғни олар белгілі бір бағытта қозғалғанда ғана белгілі бір жерде белсенді болады.
Қайта карталау
Қайта карталау – бұл субъект жаңа ортамен кездескенде немесе сол ортаны жаңа жағдайда сезінгенде орындық өрістің қасиеттерінің өзгеруі. Бұл құбылыс алғаш рет 1987 жылы хабарланған және гиппокамптың есте сақтау функциясында маңызды рөл атқарады деп саналады. Толық қайта карталау кезінде орындық жасушалардың көпшілігі немесе барлығы қайта карталанады, яғни олар орындық өрісті жоғалтады немесе жаңасын алады, немесе олардың орындық өрісі орнын өзгертеді. Жарым-жартылай қайта карталау дегеніміз, көптеген орындық өрістер өзгеріссіз қалады және тек орындық жасушалардың шағын бөлігі ғана қайта карталанады. Ортаның пішіні мен мөлшері, ортадағы иіс сияқты факторлар ортадағы өзгерістерге байланысты қайта карталауды туындатуы мүмкін.
Фазалық прецессия
Орындық жасушалардың қоздырылуы жергілікті тета толқындарымен синхронды болады, бұл процесс фазалық алдын жылжу деп аталады. Орындық өрісқа кірген кезде, орындық жасушалар тета толқынының фазасының белгілі бір нүктесінде импульстіқ оқшаулар түзеді. Алайда, жануар орындық өріс арқылы қозғалғанда, оқшаулар фазада прогрессивті түрде ертерек пайда болады. Радиалды қол сақинасы – бағыттылықтың байқалатын ортаның бір мысалы. Бұл ортада жасушалардың бірнеше орындық өрісі болуы мүмкін, олардың біреуі күшті бағытталған, ал қалғандары бағытталмаған. Орындық жасушалардың бағыттылығы жануардың мінез-құлқының нәтижесінде пайда болатыны көрсетілген. Мысалы, егеуқұйлар бір бағыттағы түзу жолмен жүргенде, қабылдағыш өрістер қисайяды. Жақындағы теориялық зерттеулер орындық жасушалардың ағымдағы күйді күтілетін келесі күйлерге бейнелейтін, «кейіннен келетін бейнелеуді» кодтайтынын және осы формализмнен бағыттылық туындайтынын көрсетеді.
Сенсорлық дерек
Орын жасушалары бастапқыда қарапайым сенсорлық сигналдармен тікелей байланыста деп есептелген, бірақ зерттеулер бұл осылай болмауы мүмкін екенін көрсетті. Метрикалық сенсорлық ақпарат – екі нүкте арасындағы қашықтықты көрсете алатын кез келген кеңістіктік сигнал. Мысалы, ортаның жиектері жалпы орын өрісінің мөлшерін немесе орын өрісі ішіндегі екі нүкте арасындағы қашықтықты көрсетуі мүмкін. Метрикалық сигналдар сызықтық немесе бағытталған болуы мүмкін. Бағытталған сигналдар орын өрісінің бағыты туралы ақпаратты ұсынады, ал сызықтық сигналдар негізінен ұсыныс торын құрайды. Контексттік белгілер орын жасушаларына қоршаған ортаның шағын өзгерістеріне, мысалы, нысанның түсі мен пішінінің өзгеруіне бейімделуге мүмкіндік береді. Метрикалық және контексттік сигналдар энторинальды қабықта бірге өңделіп, гиппокамптың орын жасушаларына жетеді. Визуокеңістіктік және иіс сезу сигналдары – орын жасушалары пайдаланатын сенсорлық сигналдардың мысалдары. Бұл типтегі сенсорлық белгілер метрикалық және контексттік ақпаратты қамтуы мүмкін. Көрнекі сенсорлық сигналдар маңызды контексттік ақпаратты да жеткізе алады. Белгілі бір нысанның немесе ортаның қабырғаларының түсінің өзгеруі орын жасушасының белгілі бір өрісте оқшаулануына әсер етуі мүмкін. Иіс сезу көру ақпаратының жоғалуын толықтыруы мүмкін, бұл иіс градиенттерінен тұратын виртуалды ортадағы зерттеуде расталды. Ортадағы иіс сезу стимулының өзгеруі орын жасушаларының қайта карталануына да себеп болуы мүмкін. Вестибулярлық сигналды алғаннан кейін кейбір орын жасушалары осы сигналға сәйкес қайта карталануы мүмкін, бірақ барлық жасушалар қайта карталанбайды және көру сигналдарына көбірек тәуелді. Пациенттерде вестибулярлық жүйенің екі жақты зақымдануы гиппокамптың орын жасушаларының бұрыс оқшаулануына әкелуі мүмкін, бұл радиалдық қол лабиринті және Моррис су навигациясы сияқты кеңістіктік тапсырмалардағы қиындықтармен дәлелденген. Гиппокамптың орын жасушалары бір орыннан сигналдар алынып тасталғанда да тұрақты оқшаулану үлгілерін сақтайды және бұрынғы орыннан сигналдар немесе сигналдардың бір бөлігі түскен кезде белгілі бір орын өрістері оқшаулана бастайды. Бұл орын жасушалары естелік пайда болған ортаның нейрондық бейнесін еске түсіру арқылы естелік үшін кеңістіктік контекстті қамтамасыз етеді. Сонымен қатар, орын жасушалары бір орынның кеңістіктік бейнесін сақтай алады, ал бөлек орынның нейрондық картасын еске түсіреді, осылайша қазіргі тәжірибе мен өткен естеліктерді ажыратады. Дентатты гирустағы түйіршік жасушалары сенсорлық ақпаратты бәсекелестік оқыту арқылы өңдейді және орын өрістерін құру үшін алдын ала бейнелеуді жібереді. Алайда, қайта ойнату бұзылғанда, бұл міндетті түрде орын кодтауға әсер етпейді, яғни ол барлық жағдайларда консолидация үшін қажет емес. Әрекеттің дәл осындай тізбегі нақты тәжірибеден бұрын да пайда болуы мүмкін. Бұл құбылыс алдын ала ойнату деп аталады және ол болжау мен оқуда рөл атқарады.
Үлгі жануарлар
Урындық жасушалары алғаш рет егешқұйрықтарда (тышқандарда) ашылған, бірақ одан кейін орындық жасушалар мен оларға ұқсас жасушалар кеміргіштер, жарықанаттар және приматтар сияқты көптеген түрлерде де табылды. Сонымен қатар, 2003 жылы адамдарда урындық жасушалардың бар екенін көрсететін деректер анықталды.
Кеміргіштер
Сыңарлар мен тышқандар жиі орындық жасушаларды зерттеу үшін үлгі жануарлар ретінде қолданылады. Дегенмен, тышқандардың артықшылығы – генетикалық варианттардың кең ауқымы бар. Сонымен қатар, тышқандарды басына бекітуге болады, бұл микроскопиялық техникаларды қолданып миды тікелей қарауға мүмкіндік береді. Сыңарлар мен тышқандардың орындық жасушаларының динамикасы ұқсас болғанымен, тышқандардың орындық жасушалары кішірек, ал бірдей өлшемдегі жолда әр жасушаға шаққанда орындық өрістердің саны артады. Аталған тышқандардың қайта ойнатуы (replay) сыңарлардағыдан әлсіз. Бұдан өзге, сыңарларда басқа сыңарлардың орнын кодтайтын әлеуметтік орындық жасушалары бар. Бұл жайт "Science" журналында, сондай-ақ жарғанаттардағы әлеуметтік орындық жасушалар туралы хабарламамен бірдей уақытта жарияланды.
Шошқалар
Египет жеміс-қоңыз жабықтарында орындық жасушалар алғаш рет 2007 жылы Нахум Улановский және оның зертханасы тарапынан хабарланды. Жабықтардағы орындық жасушалардың орындық өрісі 3D кеңістікте орналасқан, бұл жабықтың үш өлшемде ұшуына байланысты болуы мүмкін. Жабықтарда әлеуметтік орындық жасушалар да бар; бұл жаңалықтар егеуқырлардағы әлеуметтік орындық жасушалар туралы хабарламамен бірдей уақытта Science журналында жарияланды.
Бастапқылар
Жапон макакасы мен жалпы мармосеттердің жасушаларында орынға қатысты жауаптар табылды, бірақ бұл нағыз орын жасушалары ма, әлде кеңістіктік көрініс жасушалары ма деген мәселе әлі де талқыланып жатыр. Макакада жасушалар маймыл эксперименттік бөлмеде моторлық таксимен жүрген кезде тіркелді. Сонымен қатар, макакалар виртуалды шындықта бағытталған кезде орынға қатысты жауаптар анықталды.
Алкогольдің әсері
Этанол әсерінен кейін орын жасушаларының оттану жиілігі күрт төмендейді, кеңістіктік сезімталдық төмендеуіне алып келеді, және алкоголь әсерінен кейін кеңістіктік процессияның бұзылуына осы себеп болады деп жорамалданады.
Альцгеймер ауруы
Аумақтық жады және бағдарлаудағы қиындықтар Альцгеймер ауруының ерте көріністерінің бірі саналады. Альцгеймер ауруының егеуқыр моделіндегі орындық жасушалардың дегенерацияға ұшырағаны анықталды, бұл осы егеуқырларда кеңістіктік жадпен байланысты проблемаларды тудырады. Бұдан әрі, осы модельдердегі орындық жасушалар кеңістікті тұрақсыз бейнелейді және сау егеуқырлардағы орындық жасушалар сияқты жаңа орта үшін тұрақты бейнелерді үйрене алмайды. Гиппокамптың тета және гамма толқындары, мысалы, фазалық алдын жылжу арқылы, орындық жасушалардың белсенділігіне әсер етеді. Бұл пластикалық қасиеттерді қарт егеуқырларға мемантин беріп, қалпына келтіруге болады – мемантин кеңістіктік жадты жақсартатыны белгілі NMDA рецепторларын бұзатын қарсы агент. NMDA рецепторлары, яғни глутамат рецепторлары, қарт жаста белсенділігінің төмендеуін көрсетеді. Мемантин қолдану қарт егеуқырларда орындық өрістің пластикалық қасиеттерін арттырады. Мемантин қарт егеуқырларда кеңістіктік ақпаратты кодтау процесіне көмектессе де, бұл ақпаратты кейіннен еске түсіруге көмектеспейді. Қарт егеуқырлар CA1 аймағындағы орындық жасушаларының жоғары тұрақсыздығын көрсетеді. Бір ортаға бірнеше рет енгізілгенде, гиппокамптың картасы шамамен 30% жағдайда өзгереді, бұл жасушалардың дәл сол ортаға жауап ретінде қайта картаға түсірілетінін көрсетеді. Керісінше, CA3 жасушалары қарт жаста пластикалық қасиеттерінің жоғарылауын көрсетеді. CA3 аймағындағы бірдей орындық өрістер ұқсас ортада белсендіріледі, ал жас егеуқырларда ұқсас ортада әртүрлі өрістер белсендіріледі, себебі олар осы ортадағы ұсақ айырмашылықтарды сезеді. Бұл пластикалық қасиеттердегі өзгерістердің себебі – өзіндік қозғалыс сигналдарына көбірек тәуелділік болуы мүмкін.