Du är på väg till jobbet, när ditt sinne går framåt till föreläsningen du planerar att hålla på eftermiddagen. Du repeterar ditt samtal med dig själv när du drar till kontoret och förbereder dig för de frågor som dina kollegor kan ställa. Senare, när du släpper din e-postbrevlåda, mullar du dina lunchalternativ när du rullar oändligt.

Det här är bara några exempel på hur varje handling vi gör i den verkliga världen också medför den dolda, alternativa handling vi bara föreställde oss att vidta. En betydande forskningsinsats har investerats för att förstå hur och varför våra aktiva beslut fattas, men nya bevislinjer säger att tiden vi tillbringar i alternativa verkligheter också tjänar ett viktigt neurologiskt syfte.

Många delar av hjärnan arbetar tillsammans för att bygga våra mentala kartor, men de viktigaste aktörerna i rumslig navigering är flodhäst, minnets säte i hjärnan och hjärnbarken, som vilar intill hippocampus och vidarebefordrar informationen som genereras där till högre behandlingsområden.

Redan 1948 föreslogs gnagare att förlita sig på olika miljökoder för att generera kartor till belöningar i labyrintuppgifter. Karaktären på denna karta och cellerna som genererade den förblev emellertid ett mysterium. Trettio år senare observerade forskare att specifika hippocampalceller hos råttor skjuter ofta när de kommer in på specifika platser. Det är anmärkningsvärt att skottmönstren för dessa nätverk av celler är stabila över tid, även i frånvaro av ledtrådar som var närvarande vid deras första aktivering. Upptäckten av dessa beskrivande benämnda "platsceller" banade väg för en mer exakt förhör av den neurobiologiska grunden för sökväg.

När platsceller upptäcktes var deras föreslagna funktion att skapa en en-till-en topografisk karta över ett givet utrymme. På väg från den fysiska världen till hjärnan, de flesta av våra sensoriska representationer visar vad som kallas topografisk organisation. Föreställ dig att komma in i din bil och ställa in för okända delar. Du kan lita på satellitnavigering, GPS eller en papperskarta för att vägleda dig till din destination. Precis som varje punkt på din karta motsvarar ett specifikt landmärke på din resa, förankrar celler sig till specifika landmärken i miljön för att orientera dig i rymden.

Vår interna rumsliga topografi är mer sofistikerad, med hippocampala celler som kodar för representationer av speciella stimuli, ledtrådar eller belöningar i samband med hur djuret beter sig i dessa utrymmen. Föreställ dig till exempel att du anländer till flygplatsen i ett okänt land. Du kanske har allmän kunskap om begreppet flygplats, tillsammans med bekanta visuella landmärken, som förankrar dig i detta nya utrymme. En del av den här informationen är biografisk och bygger på dina unika minnen från andra flygplatser.

Beroende på om dessa upplevelser var positiva eller negativa, kommer den emotionella betydelsen av dessa utrymmen också att bidra till din personliga karta, och alla dessa faktorer kombineras för att skapa upplevelsen av utrymmet som är mycket rikare än en enkel samling av landmärken.

"Placera celler förankra sig vid specifika landmärken i miljön för att orientera dig i rymden."

Nyare studier på primater avslöjade att hippocampalceller fungerar något annorlunda i primathjärnor än de gör i gnagarehjärnor, avfyrande som svar på en rad olika stimuli som inte är strikt platsbundna. Pågående arbete med möss, primater och människor har också visat att hippocampus inte är en ensam skådespelare. Gå in i entorhinal cortex, som vidarebefordrar sensorisk information till hippocampus och fungerar som en bro till neocortex, där många av våra mer sofistikerade kognitiva och motoriska kommandon utfärdas.

Forskare har nyligen beskrivit a nätverk av celler i entorhinal cortex som kallas "rutnätceller", som kodar för din egen rörelse i förhållande till din miljö och lägger till en kritisk bit i platscellpusslet när det gäller bredare navigationsstrategier. Rutnätverk kan mer exakt plotta riktning och avstånd mellan objekt i ett utrymme, baserat på interna rörelsetecken snarare än sensorisk inmatning från själva rymden. Dessa system arbetar tillsammans för att dynamiskt representera utrymmen på sätt som kan modifieras av erfarenhet, med flexibel införlivande av ny information men som också gör att dessa utrymmen blir bekanta över tid.

Men när vi väl har en representation av ett utrymme i åtanke, hur bestämmer vi hur vi ska interagera med det? Detta kräver aktivt beslutsfattande, och bränslet för beslut är belöning. Det är här de icke-rumsliga attributen hos nervceller som utgör våra navigationssystem blir särskilt viktiga. Forskare fann över gnagareundersökningar att det upplevda belöningsvärdet eller betydelsen av vissa föremål i en miljö kan förflytta cellernas skjutningsmönster tyngre i deras riktning. Ett högre förutsagt belöningsvärde associerat med en given vändning eller plats i en labyrint skulle därför förutse rörelse i den riktningen. Så hur är det med vägar som inte valt?

Nyligen ett team av forskare vid UCSF uppmätt hippocampal placering av celler i råttor när de slutförde rumsliga navigationsuppgifter. Råttorna placerades i en labyrint och deras neurala aktivitet avbildades i realtid när de valde mellan vägar som divergerade vid en valpunkt. På detta sätt kunde forskarna tilldela unika mönster av platscellskydd som motsvarade varje arm i labyrinten efter att råttan hade gjort ett val och fortsatte att resa längs den.

Påfallande, när råttan närmade sig valpunkten, sköt var och en av uppsättningarna platsceller som representerade vardera armens labyrint snabbt i växel och rullade tärningarna på någon möjlig framtid innan valet gjordes. Vad detta innebär är att inte bara den väg som djuret slutligen går i realtid, utan den möjliga alternativa vägen, representeras lika i neurala rymden, vilket ger en mekanistisk förklaring till mentala framställningar av framtiden.

"Den möjliga alternativa vägen representeras lika i neurala rymden, vilket ger en mekanistisk förklaring för mentala framställningar av framtiden."

I gnagare utförs navigationsstudier i enkla bordsskivor som inte kan fånga komplexiteten i en verklig miljö. Virtual reality har blivit alltmer populär som personlig underhållning, men det erbjuder också forskare enastående nivåer av variation och kontroll inom rumslig navigationsforskning. En grupp i Storbritannien har använt ett mobilspel som heter Sea Hero Quest för att fånga en av de största datasätten för rumsliga resonemang över åldersgrupper.

Speluppgifter indikerar att rumsligt resonemang kan börja minska när vi är så unga som 19, och spelarnas ruttval skilde sig åt beroende på om de bar e4-varianten av APOE-genen som länge har använts som en klinisk diagnostisk markör för Alzheimers sjukdom. Nya strategier som dessa som förvandlar enkla mobila spel till verktyg för klinisk datainsamling kan utöka vår förståelse för exakt hur neurodegenerativa sjukdomar utvecklas och påskynda utvecklingen av mycket personifierad tidig diagnos.

Mycket av vår förståelse för hur vi tänker om framtiden har framkommit genom att studera patienter som inte längre kan komma ihåg det förflutna. Sedan neurovetenskapens mycket tidiga dagar, då lesionsundersökningar ofta var de mest informativa verktygen vi har för att få veta om funktionen hos olika delar av hjärnan, har vi förstått att hippocampus krävs för minnesåterkallelse.

Hippocampal skada är förknippad med minnesförlust, liksom nedsatt rumslig resonemang. Men flera landmärkesstudier har visat att hippocampal skada också stör förmågan att föreställa sig hypotetiska händelser. Konsekvent har patienter med minnesförlust inte bara svårt att återkalla ny biografisk information, utan kan bara ge allmänna uttalanden om kommande händelser i deras liv när de uppmanas.

Minnesförlust är vanligt när vi åldras, men som många studier visar, vår förmåga att navigera i rymden minskar också när vi blir äldre. Dessa underskott förekommer vid tidigare åldrar än andra allmänna mått på kognitiv nedsättning, vilket antyder att vissa av navigeringssystemets funktioner är unika och fungerar oberoende av andra typer av minne och informationsbehandling i hippocampus.

De mest sårbara strukturerna i den åldrande hjärnan är de som kodar för rörelse, såsom den entorhinala cortex. Hippocampal placering av cellceller blir också oberoende i äldre råttor. De strukturer som är ansvariga för att orientera oss i rymden är också de mest sårbara för Alzheimers sjukdomspatologi, vilket pekar på funktionsnedsättning som ett potentiellt tidigt diagnostiskt kriterium för detta och andra neurodegenerativa tillstånd som Parkinsons sjukdom.

Våra dagliga liv är fyllda med beslut, både medvetna och omedvetna. Men som en växande mängd bevis visar, våra hjärnor kan resa lika mycket längs de vägar vi väljer som de vi har avstått från.

När vi fortsätter att lära oss om de intrikata förhållandena mellan rumslig navigering, minne och neurodegeneration, kan vi upptäcka att tiden vi spenderar på att fundera över vad som kan ha varit lika viktig som den tid vi aktivt planerar. Och medan minskande kognitiv funktion accepteras som en normal del av att bli äldre, kan hålla dessa funktioner engagerade med enkla mentala övningar som pussel, ordspel eller läsning kan hjälpa till att bevara dessa nervvägar. På samma sätt kan vi utöva våra navigationssystem genom att kartlägga kurser längs de banor vi ännu inte har tagit. Så nästa gång du befinner dig som kämpar för att få ditt sinne tillbaka till den uppgift som finns, experimentera med att låta den vandra bara lite längre.

Denna artikel publicerades ursprungligen på Att veta neuroner

Referenser:

Buckner, RL (2010). Hippocampus roll i förutsägelse och fantasi. Årlig översyn av psykologi 61, 27-48.

Coughlan, G., Coutrot, A., Khondoker, M., Minihane, A., Spires, H., & Hornberger, M. (2019). Mot personlig kognitiv diagnostik av Alzheimers sjukdom vid risk. PNAS 116(19), 9285-9292.

Diersch, N., & Wolbers, T. (2019). Potentialen i virtuell verklighet för rumslig navigationsforskning över vuxens livslängd. Journal of Experimental Biology 222, jeb187252 doi: 10.1242 / jeb.187252

Eichenbaum, H., Dudchenko, P., Wood, E., Shapiro, M., & Tanila, H. (1999). Hippocampus, minne och cellceller. NeuronNervsystemets funktionella enhet, en nervcell som ..., 23(2), 209-226.

Giocomo, LM (2015). Rumslig representation: Kartor över fragmenterad rymd. Aktuell biologi, 25(9), R362-R363.

Kay, K., Chung, JE, Sosa, M., Schor, JS, Karlsson, MP, Larkin, MC, Liu, DF, & Frank, LM (2020). Konstant cykel mellan sekunderna mellan representationer av möjlig framtid i Hippocampus. Cell, 180(3), 552-567.

Lester, AW, Moffat, SD, Wiener, JM, Barnes, CA, & Wolbers, T. (2017). Det åldrande navigationssystemet. Neuron 95(5), 1019-1035.

books_science