Zajrzenie do mózgu latającego nietoperza odkrywa wskazówki dotyczące nawigacji ssaków

Zajrzenie do mózgu latającego nietoperza odkrywa wskazówki dotyczące nawigacji ssaków

Jadąc do ruchliwego skrzyżowania, prawdopodobnie zwracasz większą uwagę na to, gdzie będziesz w najbliższej przyszłości, niż na to, gdzie jesteś w tej chwili. W końcu wiedza o tym, kiedy dotrzesz do skrzyżowania – i czy musisz się zatrzymać, czy zwolnić, aby uniknąć kolizji z przejeżdżającym samochodem, pieszym lub rowerzystą – jest zwykle o wiele ważniejsza niż znajomość aktualnej lokalizacji. Ta zdolność do skupienia się na tym, gdzie będziemy w najbliższej przyszłości – a nie na tym, gdzie jesteśmy w teraźniejszości – może być kluczową cechą wbudowanego systemu nawigacji mózgu ssaków, sugeruje nowe badanie, które pojawi się w Internecie w czwartek, 8 lipca. , w czasopiśmie Science. Neuronaukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley bezprzewodowo śledzili aktywność mózgu egipskich nietoperzy owocożernych, gdy przelatywały one przez specjalną salę lotów. Kiedy naukowcy porównali tory lotu nietoperzy z ich odczytami neuronalnymi, odkryli, że aktywność „komórek umieszczających” nietoperzy – specjalnego rodzaju neuronów odpowiedzialnych za kodowanie przestrzennej pozycji zwierzęcia – była często ściślej skorelowana z miejscem, w którym nietoperze będą w najbliższej przyszłości, a nie w miejscu, w którym były w tej chwili. „Chcieliśmy się dowiedzieć: czy aktywność neuronowa w chwili obecnej lepiej radzi sobie z reprezentowaniem przeszłej lub przyszłej pozycji niż rzeczywista obecna pozycja? Odkryliśmy, że w przypadku niektórych neuronów aktywność neuronowa w rzeczywistości ma duży wpływ na lepsze zadanie reprezentowania przyszłego stanowiska” – powiedział główny autor Nicholas Dotson, który prowadził badania jako stypendysta podoktorancki na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley. „Odkrycie pokazuje, że aktywność neuronowa w tym regionie reprezentuje coś więcej niż obecną pozycję nietoperza – wstępnie reprezentuje pełną trajektorię lotu”. Komórki umiejscowione w obszarze mózgu zwanym hipokampem współpracują ze sobą, tworząc wrodzony „system GPS” dla różnych zwierząt lądowych, w tym ludzi. Gdy zwierzę eksploruje nowe środowisko, różne komórki miejsca aktywują się w różnych pozycjach, tworząc wewnętrzną mapę terytorium, którą można zapisać i przechowywać. „Gdybyś miał dostęp do aktywności neuronowej w moim hipokampie, gdy chodziłem po pokoju, byłbyś w stanie rozszyfrować, gdzie byłem w pokoju na podstawie tej aktywności neuronowej” – powiedział Dotson. Odkrycie komórek miejscowych u gryzoni zostało nagrodzone w 2014 roku Nagrodą Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny, a wiele fundamentalnych eksperymentów przeprowadzono w latach 70. i 80. XX wieku. Jednak wciąż pozostaje wiele pytań dotyczących tego, jak ten obszar mózgu działa podczas szybkiego ruchu i jak działa, reprezentując pozycje „nielokalne”. „Ponieważ hipokamp jest zaangażowany w nawigację, przeprowadzono kilka badań dotyczących kodowania w tym regionie mózgu i pytano: w jaki sposób aktywność neuronowa reprezentuje rzeczy, które wydarzą się w przyszłości lub które wydarzyły się w przeszłości? region wykazuje aktywność, która nie odzwierciedla miejsca, w którym się obecnie znajdujemy, ale w rzeczywistości reprezentuje pozycję, która jest daleko?” powiedział starszy autor badania Michael Yartsev, adiunkt neurobiologii i bioinżynierii na UC Berkeley. Wcześniejsze eksperymenty nie były w stanie jednoznacznie odpowiedzieć na to pytanie, powiedział Jarcew. Jest tak prawdopodobnie dlatego, że przeprowadzono je przy użyciu stosunkowo wolno poruszających się zwierząt, takich jak szczury, które w eksperymentalnych wybiegach poruszają się tylko o cal lub dwa na sekundę – a także dlatego, że porównując aktywność pojedynczych neuronów z pozycją zwierzęcia z biegiem czasu przesunięcie o ułamek cala nie zrobi wielkiej różnicy. Jednak nietoperze są niezwykle szybkie w locie. „Nietoperze poruszają się naprawdę, bardzo szybko. Latają z prędkością około 30 do 50 kilometrów na godzinę w laboratorium, co jest ogromną zaletą, ponieważ w tym samym ułamku sekundy szczur może poruszyć się o kilka centymetrów, podczas gdy nietoperz przesunąłby się o kilka metrów” – powiedział Jarcew. Aby przeprowadzić eksperymenty, Yartsev i Dotson wykorzystali bezprzewodowe, neuronowe urządzenia rejestrujące do monitorowania aktywności mózgu nietoperzy podczas swobodnego lotu po specjalnie zbudowanym pokoju, który został wyposażony w kamery do śledzenia dokładnych torów lotu nietoperzy. W jednym zestawie eksperymentów zarejestrowali pozycję nietoperzy i aktywność mózgu, podczas gdy ludzie zachęcali zwierzęta do eksploracji pełnej objętości 3D pomieszczenia. W innym zestawie eksperymentów nietoperze zostały same z zestawem automatycznych karmników, rozmieszczonych w różnych miejscach w pomieszczeniu, aby zachęcić nietoperze do latania. Kiedy Yartsev i Dotson porównali czas aktywności neuronów z trasami lotu nietoperzy, odkryli, że przesuwając pozycje nietoperzy do przodu w czasie – porównując aktywność neuronów z miejscami, w których nietoperze będą znajdować się w ciągu kilkuset milisekund, lub w sekundę – nagle aktywność neuronalna korelowała znacznie silniej z położeniem przestrzennym. „Na podstawie danych można założyć, że niektóre neurony w ogóle nie kodują informacji przestrzennych, ponieważ nie ma korelacji z pozycją w czasie zero lub w chwili obecnej” – powiedział Yartsev. „Ale jeśli porównasz ich aktywność z pozycją w przyszłości, nagle korelacja jest niewiarygodnie ostra”. Odkrycia sugerują, że aktywność komórek miejsca nie reprezentuje tylko jednej aktualnej pozycji, ale w rzeczywistości trajektorię, która rozciąga się w najbliższą przyszłość, a także w przeszłość. „Możemy sobie wyobrazić chodzenie korytarzem i wyobrażanie sobie, gdzie właśnie byliśmy i gdzie wkrótce będziemy. Jak ta aktywność wygląda w mózgu?” powiedział Dotson. „Nasze odkrycia sugerują, że gdy nietoperze latają, reprezentują w swoim umyśle nie tylko to, gdzie się znajdują, ale także gdzie znajdują się na ścieżce”. Chociaż komórki miejsca i podstawowe elementy tego systemu nawigacyjnego zostały zidentyfikowane u wielu różnych ssaków, nie jest jeszcze jasne, czy ta zdolność do rzutowania ścieżki do sekundy w przyszłość jest unikalna dla nietoperzy i ich szybkiego schematu lotu, czy też jest dzielony przez szerszą gamę zwierząt. Jednak odkrycie otwiera szereg interesujących pytań o to, jak my, ludzie, przetwarzamy nasz ruch w czasie i przestrzeni, powiedział Yartsev. Ponieważ hipokamp jest również miejscem występowania wielu chorób, takich jak choroba Alzheimera, w której zmysł lokalizacji i pamięć osoby jest często zaburzony, odkrycie tych podstawowych obliczeń neuronalnych może również dać naukowcom lepsze zrozumienie upośledzenia związanego z chorobą i pomóc w opracowaniu skuteczniejszych zabiegi. „Stworzenia ziemskie mogą nie potrzebować tak daleko w przyszłości jak nietoperz, ale nawet w przypadku ludzi może się to różnić w zależności od sytuacji. Jeśli idziesz, prawdopodobnie jesteś zadowolony z tego, że wiesz, co wydarzy się tuż przed tobą. Ale kiedy jedziesz, chcesz wiedzieć, co wydarzy się trzy metry lub więcej od ciebie, ponieważ jedziesz z bardzo dużą prędkością” – powiedział Jarcew. „Teraz, gdy wiemy, że istnieje pewna neuronalna reprezentacja przyszłej pozycji nietoperzy, możemy zapytać: jakie są wspólne składniki między różnymi zwierzętami? W jaki sposób i w jakim stopniu ludzie wykazują tę zdolność?” Praca ta była wspierana przez Nowojorską Fundację Komórek Macierzystych (NYSCF-RNI40), Biuro Badań Naukowych Sił Powietrznych (FA9550-17-1-0412), Biuro Badań Marynarki Wojennej (N00014-21-1-2063), Packard Fellowship (2017-66825), National Institute of Neurological Disorders and Stroke (R01NS118422-01), Valle Foundation (VS-2020-34) oraz Searle Scholars Program (SSP-2016-1412).

science