Клетки решетки: нейронное представление пространства

Введение

концепция в топологии

Сетевая клетка – это тип нейрона в энторинальной коре, который генерирует импульсы через регулярные интервалы времени, когда животное перемещается по открытой местности, позволяя ему определять свое положение в пространстве путем сохранения и интеграции информации о местоположении, расстоянии и направлении. Наблюдается у летучих мышей, обезьян и людей. Сетевые клетки были открыты в 2005 году Эдвардом Мозером, Мэй-Бритт Мозер и их студентами Торкелем Хафтингом, Марианной Файн и Стурлой Молден в Центре биологии памяти (CBM) в Норвегии. В 2014 году они были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине совместно с Джоном О’Кифом за открытие клеток, составляющих систему позиционирования в мозге. Расположение пространственных полей активности, все на одинаковом расстоянии друг от друга, привело к гипотезе о том, что эти клетки кодируют нейронное представление евклидова пространства. Это открытие также позволило предположить механизм динамического вычисления собственного положения на основе постоянно обновляемой информации о местоположении и направлении. Для регистрации активности сетевых клеток в типичном эксперименте на крысах в дорсомедиальную энторинальную кору имплантируют электрод, способный регистрировать активность отдельных нейронов, и собирают данные во время свободного перемещения крысы по открытой арене. Полученные данные визуализируются путем нанесения на карту арены положения крысы каждый раз, когда нейрон генерирует потенциал действия. Эти отметки со временем накапливаются, формируя небольшие скопления, которые, в свою очередь, образуют вершины сетки равносторонних треугольников. Регулярный треугольный рисунок отличает сетевые клетки от других типов клеток, проявляющих пространственную активность. В отличие от этого, при исследовании клетки места из гиппокампа крысы тем же способом, отметки часто формируют только одно скопление (одно "поле места") в данной среде, и даже при наличии нескольких скоплений в их расположении не наблюдается заметной регулярности.

История открытия

В 1971 году Джон О’Киф и Джонатон Достровский сообщили об открытии клеток местоположения в гиппокампе крысы — клеток, генерирующих потенциалы действия, когда животное пересекает определенную небольшую область пространства, называемую полем местоположения клетки. Это открытие, хотя и вызывавшее споры поначалу, привело к серии исследований, кульминацией которых в 1978 году стала публикация книги О’Кифа и его коллеги Линн Надел под названием «Гиппокамп как когнитивная карта» (фраза, которая также появилась в заголовке статьи 1971 года). В книге утверждалось, что нейронная сеть гиппокампа реализует когнитивные карты, как это было предложено психологом Эдвардом С. Толманом. Эта теория вызвала большой интерес и стимулировала сотни экспериментальных исследований, направленных на выяснение роли гиппокампа в пространственной памяти и пространственной навигации. Поскольку энторинальная кора обеспечивает подавляющее большинство входящих сигналов в гиппокамп, было важно понять пространственные характеристики активности энторинальных нейронов. Самые ранние исследования, такие как Quirk et al. (1992), описывали нейроны в энторинальной коре как обладающие относительно большими и размытыми полями местоположения. Однако Мозеры предположили, что можно получить другие результаты, если проводить записи из другой части энторинальной коры. Энторинальная кора — это полоса ткани, проходящая вдоль заднего края мозга крысы от вентрального к дорсальному полюсу. Анатомические исследования показали, что различные секторы энторинальной коры проецируются на разные уровни гиппокампа: дорсальный конец ЭК проецируется на дорсальный гиппокамп, вентральный конец — на вентральный гиппокамп. Это было важно, поскольку несколько исследований показали, что клетки местоположения в дорсальном гиппокампе имеют значительно более четкие поля местоположения, чем клетки более вентральных уровней. Но все исследования энторинальной пространственной активности до 2004 года использовали электроды, имплантированные вблизи вентрального конца ЭК. Соответственно, вместе с Марианной Файн, Стурлой Молден и Менно Виттером, Мозеры приступили к изучению пространственной активности с разных дорсальных и вентральных уровней энторинальной коры. Они обнаружили, что в дорсальной части медиальной энторинальной коры (MEC) клетки имеют четко определенные поля местоположения, как и в гиппокампе, но клетки активируются в нескольких местах. Расположение полей активации демонстрировало признаки регулярности, но размер среды был слишком мал, чтобы пространственная периодичность была заметна в этом исследовании. Следующий набор экспериментов, о котором сообщалось в 2005 году, использовал более крупную среду, что привело к осознанию того, что клетки на самом деле активируются в гексагональной сетке. Клетки сетки, расположенные рядом друг с другом (то есть клетки, записанные с одного и того же электрода), обычно демонстрируют одинаковое расстояние между сетками и ориентацию, но их вершины сетки смещены друг относительно друга, по-видимому, случайным образом. Однако клетки, записанные с отдельных электродов на расстоянии друг от друга, обычно демонстрируют разные расстояния между сетками. Клетки, расположенные более вентрально (дальше от дорсальной границы MEC), как правило, имеют более крупные поля активации на каждой вершине сетки и, соответственно, большее расстояние между вершинами сетки. Эти записи простирались только на 3/4 пути к вентральному концу, поэтому возможно, что существуют даже более крупные сетки. Такие многомасштабные представления оказались теоретически желательными с точки зрения информатики. Активность клеток сетки не требует зрительной информации, поскольку схемы сетки остаются неизменными, когда все огни в среде выключены. Если особенности среды изменяются менее радикально, то паттерн поля местоположения может демонстрировать меньшую степень изменения, называемую «перенастройкой частоты», при которой многие клетки изменяют частоту своей активации, но большинство клеток сохраняют поля местоположения в тех же местах, что и раньше. Это было изучено с использованием одновременных записей гиппокампальных и энторинальных клеток, и было обнаружено, что в ситуациях, когда гиппокамп демонстрирует перенастройку частоты, клетки сетки демонстрируют неизменные паттерны активации, в то время как когда гиппокамп демонстрирует полную перенастройку, паттерны активации клеток сетки демонстрируют непредсказуемые сдвиги и вращения.

In 1971 John O'Keefe and Jonathon Dostrovsky reported the discovery of place cells in the rat hippocampus—cells that fire action potentials when an animal passes through a specific small region of space, which is called the place field of the cell. This discovery, although controversial at first, led to a series of investigations that culminated in the 1978 publication of a book by O'Keefe and his colleague Lynn Nadel called The Hippocampus as a Cognitive Map (a phrase that also appeared in the title of the 1971 paper)—the book argued that the hippocampal neural network instantiates cognitive maps as hypothesized by the psychologist Edward C. Tolman. This theory aroused a great deal of interest, and motivated hundreds of experimental studies aimed at clarifying the role of the hippocampus in spatial memory and spatial navigation. Because the entorhinal cortex provides by far the largest input to the hippocampus, it was clearly important to understand the spatial firing properties of entorhinal neurons. The earliest studies, such as Quirk et al. (1992), described neurons in the entorhinal cortex as having relatively large and fuzzy place fields. But the Mosers thought it was possible that a different result would be obtained if recordings were made from a different part of the entorhinal cortex. The entorhinal cortex is a strip of tissue running along the back edge of the rat brain from the ventral to the dorsal sides. Anatomical studies had shown that different sectors of the entorhinal cortex project to different levels of the hippocampus: the dorsal end of the EC projects to the dorsal hippocampus, the ventral end to the ventral hippocampus. This was relevant because several studies had shown that place cells in the dorsal hippocampus have considerably sharper place fields than cells from more ventral levels. But every study of entorhinal spatial activity before 2004 had made use of electrodes implanted near the ventral end of the EC. Accordingly, together with Marianne Fyhn, Sturla Molden, and Menno Witter, the Mosers set out to examine spatial firing from the different dorsal to ventral levels of the entorhinal cortex. They found that in the dorsal part of medial entorhinal cortex (MEC), cells had sharply defined place fields like in the hippocampus but the cells fired at multiple locations. The arrangement of the firing fields showed hints of regularity, but the size of the environment was too small for spatial periodicity to be visible in this study. The next set of experiments, reported in 2005, made use of a larger environment, which led to the recognition that the cells were actually firing in a hexagonal grid pattern. Grid cells that lie next to one another (i. e., cells recorded from the same electrode) usually show the same grid spacing and orientation, but their grid vertices are displaced from one another by apparently random offsets. But cells recorded from separate electrodes at a distance from one another typically show different grid spacings. Cells located more ventrally (farther from the dorsal border of the MEC) generally have larger firing fields at each grid vertex, and correspondingly greater spacing between the grid vertices. These recordings only extended 3/4 of the way to the ventral tip, so it is possible that even larger grids exist. Such multi scale representations have been shown to be information theoretically desirable. Grid cell activity does not require visual input, since grid patterns remain unchanged when all the lights in an environment are turned off. If the features of an environment are altered less radically, however, the place field pattern may show a lesser degree of change, referred to as "rate remapping", in which many cells alter their firing rates but the majority of cells retain place fields in the same locations as before. This was examined using simultaneous recordings of hippocampal and entorhinal cells, and found that in situations where the hippocampus shows rate remapping, grid cells show unaltered firing patterns, whereas when the hippocampus shows complete remapping, grid cell firing patterns show unpredictable shifts and rotations.

Тета-ритмичность

Нейронная активность почти во всех областях гиппокампальной системы модулируется гиппокампальным тета-ритмом, частотный диапазон которого у крыс составляет примерно 6–9 Гц. Энторинальная кора не является исключением: как и гиппокамп, она получает холинергические и ГАМКергические входы из медиальной септальной области, центрального регулятора тета-ритма. Сеточные клетки, подобно клеткам места в гиппокампе, демонстрируют выраженную тета-модуляцию. Большинство сеточных клеток из III слоя не проявляют прецессию, однако их пиковая активность в основном ограничена половиной тета-цикла. Прецессия фазы сеточных клеток не зависит от гиппокампа, поскольку она сохраняется у животных, гиппокамп которых был инактивирован агонистом ГАМК.