Πώς ένας εγκεφαλικός κύκλος κωδικοποιεί μνήμες τόπων και γεγονότων

Η ανακάλυψη της μνήμης στον ιππόκαμπο

Πριν από σχεδόν 50 χρόνια, οι νευροεπιστήμονες ανακάλυψαν κύτταρα στον ιππόκαμπο του εγκεφάλου που αποθηκεύουν μνήμες συγκεκριμένων τοποθεσιών. Αυτά τα κύτταρα, γνωστά ως place cells, παίζουν επίσης σημαντικό ρόλο στην αποθήκευση μνημών γεγονότων, γνωστών ως επεισοδιακές μνήμες. Ενώ ο μηχανισμός με τον οποίο τα place cells κωδικοποιούν τη χωρική μνήμη έχει μελετηθεί εκτενώς, η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο κωδικοποιούν τις επεισοδιακές μνήμες παρέμενε αινιγματική.

Το νέο μοντέλο του MIT

Ένα νέο μοντέλο που ανέπτυξαν ερευνητές του MIT εξηγεί πώς τα place cells μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία επεισοδιακών μνημών, ακόμη και όταν δεν υπάρχει χωρικό στοιχείο. Σύμφωνα με αυτό το μοντέλο, τα place cells, μαζί με τα grid cells που βρίσκονται στον ενδορρινικό φλοιό, λειτουργούν ως σκαλωσιά που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αγκύρωση των μνημών ως συνδεδεμένη σειρά.

Η σκαλωσιά της μνήμης

«Αυτό το μοντέλο είναι μια πρώτη προσπάθεια κατανόησης του ενδορρινικού-ιπποκαμπικού κυκλώματος επεισοδιακής μνήμης. Είναι μια βάση για την κατανόηση της φύσης της επεισοδιακής μνήμης. Αυτό είναι που με ενθουσιάζει πραγματικά», δηλώνει η Ila Fiete, καθηγήτρια εγκεφαλικών και γνωστικών επιστημών στο MIT και μέλος του Ινστιτούτου McGovern για Έρευνα Εγκεφάλου.

Η λειτουργία της μνήμης

Το μοντέλο αναπαράγει με ακρίβεια διάφορα χαρακτηριστικά των βιολογικών συστημάτων μνήμης, όπως η μεγάλη αποθηκευτική ικανότητα, η σταδιακή αποδυνάμωση των παλαιότερων μνημών και η ικανότητα των ανθρώπων που συμμετέχουν σε διαγωνισμούς μνήμης να αποθηκεύουν τεράστιες ποσότητες πληροφοριών σε «παλάτια μνήμης».

Η συνεργασία των grid cells και place cells

Για την κωδικοποίηση της χωρικής μνήμης, τα place cells στον ιππόκαμπο συνεργάζονται στενά με τα grid cells — έναν ειδικό τύπο νευρώνα που ενεργοποιείται σε πολλές διαφορετικές τοποθεσίες, διατεταγμένες γεωμετρικά σε ένα κανονικό μοτίβο επαναλαμβανόμενων τριγώνων. Μαζί, ένας πληθυσμός grid cells σχηματίζει ένα πλέγμα τριγώνων που αντιπροσωπεύει έναν φυσικό χώρο.

Η σημασία των επεισοδιακών μνημών

Εκτός από το να μας βοηθούν να θυμόμαστε μέρη που έχουμε επισκεφθεί, αυτά τα ιπποκαμπικά-ενδορρινικά κυκλώματα μας βοηθούν επίσης να πλοηγηθούμε σε νέες τοποθεσίες. Από ανθρώπινους ασθενείς, είναι γνωστό ότι αυτά τα κυκλώματα είναι επίσης κρίσιμα για τη δημιουργία επεισοδιακών μνημών, οι οποίες μπορεί να έχουν χωρικό στοιχείο αλλά κυρίως αποτελούνται από γεγονότα, όπως το πώς γιορτάσατε τα τελευταία σας γενέθλια ή τι φάγατε για μεσημεριανό χθες.

Προτάσεις και υποθέσεις

Δύο υποθέσεις έχουν προταθεί για να εξηγήσουν αυτή την επικάλυψη στη λειτουργία. Η μία είναι ότι το κύκλωμα είναι εξειδικευμένο για την αποθήκευση χωρικών μνημών επειδή αυτού του είδους οι μνήμες — όπως το να θυμάσαι πού βρισκόταν η τροφή ή πού εντοπίστηκαν θηρευτές — είναι σημαντικές για την επιβίωση. Σύμφωνα με αυτήν την υπόθεση, το κύκλωμα κωδικοποιεί επεισοδιακές μνήμες ως παραπροϊόν της χωρικής μνήμης.

Η νέα προσέγγιση του MIT

Σε αυτή τη δουλειά, η Fiete και οι συνεργάτες της πρότειναν μια τρίτη επιλογή: ότι η ιδιόμορφη δομή των grid cells και οι αλληλεπιδράσεις τους με τον ιππόκαμπο είναι εξίσου σημαντικές και για τους δύο τύπους μνήμης — επεισοδιακή και χωρική. Για να αναπτύξουν το νέο τους μοντέλο, βασίστηκαν σε υπολογιστικά μοντέλα που το εργαστήριό της αναπτύσσει την τελευταία δεκαετία, τα οποία μιμούνται τον τρόπο με τον οποίο τα grid cells κωδικοποιούν χωρικές πληροφορίες.

Η λειτουργία του νέου μοντέλου

Στο νέο μοντέλο, οι ερευνητές υπέθεσαν ότι τα grid cells που αλληλεπιδρούν με τα κύτταρα του ιπποκάμπου μπορούν να λειτουργήσουν ως σκαλωσιά για την αποθήκευση είτε χωρικής είτε επεισοδιακής μνήμης. Κάθε μοτίβο ενεργοποίησης μέσα στο πλέγμα ορίζει ένα «πηγάδι», και αυτά τα πηγάδια είναι τοποθετημένα σε τακτά διαστήματα. Τα πηγάδια δεν αποθηκεύουν το περιεχόμενο μιας συγκεκριμένης μνήμης, αλλά το καθένα λειτουργεί ως δείκτης προς μια συγκεκριμένη μνήμη, η οποία αποθηκεύεται στις συνάψεις μεταξύ του ιπποκάμπου και του αισθητηριακού φλοιού.

Η ανάκληση μνημών

Όταν η μνήμη ενεργοποιείται αργότερα από αποσπασματικά κομμάτια, οι αλληλεπιδράσεις των grid και hippocampal cells οδηγούν την κατάσταση του κυκλώματος στο πλησιέστερο πηγάδι, και η κατάσταση στο κάτω μέρος του πηγαδιού συνδέεται με το κατάλληλο μέρος του αισθητηριακού φλοιού για να συμπληρώσει τις λεπτομέρειες της μνήμης. Ο αισθητηριακός φλοιός είναι πολύ μεγαλύτερος από τον ιππόκαμπο και μπορεί να αποθηκεύσει τεράστιες ποσότητες μνήμης.

Η έννοια του δείκτη

«Εννοιολογικά, μπορούμε να σκεφτούμε τον ιππόκαμπο ως ένα δίκτυο δεικτών. Είναι σαν ένας δείκτης που μπορεί να ολοκληρωθεί από ένα μερικό εισόδημα, και αυτός ο δείκτης στη συνέχεια δείχνει προς τον αισθητηριακό φλοιό, όπου αυτές οι εισόδοι βιώθηκαν αρχικά», λέει η Fiete. «Η σκαλωσιά δεν περιέχει το περιεχόμενο, περιέχει μόνο αυτόν τον δείκτη των αφηρημένων καταστάσεων σκαλωσιάς.»

Η σειρά των γεγονότων

Επιπλέον, τα γεγονότα που συμβαίνουν σε σειρά μπορούν να συνδεθούν μεταξύ τους: Κάθε πηγάδι στο δ