Soyut
Çevrede gezinme, bir yerden başka bir yere gitmek, hayvanlar aleminde ve insanlar için de en temel ve hayati becerilerden biridir. Başarılı bir şekilde gezinmek için bir hayvanın dış ortamın içsel bir “bilişsel haritasını” oluşturması gerekir. Bu, her biri navigasyondaki benzersiz rolü olan çeşitli beyin bölgeleri ve çeşitli hücre tiplerini içeren beyindeki belirli bir sistem tarafından gerçekleştirilir. Bu yazıda, beyinde bir koordinat sistemi oluşturan, keşfettiğimiz şaşırtıcı ve şaşırtıcı bir sinir hücresi grubu olan ızgara hücrelerine odaklanan bu dahili navigasyon sisteminin bazı ana bileşenlerini özetleyeceğim. Kendi yaşam deneyimlerime dayanarak size birkaç genel tavsiye ile bitireceğim.
May-Britt Moser, beyinde bir konumlandırma sistemi oluşturan hücrelerin keşfi nedeniyle 2014 yılında Nobel Fizyoloji veya Tıp Ödülü’nü kazandı.
Hayfa, İsrail, Technion, İsrail Teknoloji Enstitüsü, Grand Technion Enerji Programı mezunu Noa Segev tarafından röportaj yapıldı ve birlikte yazıldı.
Navigasyon deyince aklınıza ilk ne geliyor? Cep telefonunuzdaki iyi bilinen GPS sistemi mi? Bir denizaltının hedefine sualtı yolculuğu mu? Ya da belki gece kampa dönüş yolunu bulmak için izcilerde bir ekip görevi? Ya size beyninizin, çevredeki konumunuzu temsil etmekten ve bir yerden diğerine başarılı bir şekilde gidebilmeniz için sizi yönlendirmekten sorumlu yerleşik bir navigasyon sistemine sahip olduğunu söylesem? Çevrenin bu zihinsel temsiline genellikle bilişsel harita denir. Çevrede navigasyon kesintisiz ve otomatik görünse de, beynin navigasyon sistemi aslında oldukça karmaşıktır, birkaç beyin bölgesi ve çeşitli hücre tiplerinden oluşur. Bu makale, navigasyon hakkında bir bilmeceler yolculuğunda size yol gösterecek, ızgara hücreleri entorinal korteks adı verilen beyin bölgesindeki sinir hücreleri, beyinde çevrede navigasyon ve metrik (ne kadar ve hangi yönde) sağlayan bir “koordinat haritası” oluşturur., keşfettiğimiz ve 2014 yılında Nobel Ödülü aldığımız bir konumlandırma sistemi.
Adım 1: Şimdi Neredesiniz?
Ortamda gezinmeye başlamak için gerekli olan ilk adım nedir? Tahmin ettin! Şu anda nerede olduğunuzu bilmeniz gerekir. Beynin şu anda nerede olduğunuzu anlamasının bir yolunu düşünebiliyor musunuz? Size bir ipucu vereceğim; bu, cep telefonunuzdaki GPS’in konumunuzu belirleme biçiminden farklıdır. Bildiğiniz gibi GPS, dünyanın etrafında dönen en az dört farklı uydudan gönderilen sinyalleri kullanır. Gelişmiş fiziğe dayalı matematiksel hesaplamaları kullanan bu uydu sinyalleri, cep telefonunuz tarafından konumunuzu büyük bir doğrulukla belirlemek için kullanılır 1. Fakat beyin, konumunuzu belirlemek için bir dış kaynaktan sinyal alıyor mu? Cevap hayır. Peki, beyniniz nerede olduğunuzu belirlemek için ne yapar? Bir sonraki paragrafa geçmeden önce bu bilmecenin en az iki olası çözümünü düşünmeye çalışın.
Beyinde, konumunuzu temsil eden, yer hücreleri adı verilen sinir hücreleri olduğu ortaya çıktı. Bir hayvana uzayda nerede olduğunu söyleyen hipokampus adı verilen beyin bölgesindeki sinir hücreleri. Her yer hücresi, ortamdaki belirli bir yerde aktif hale gelir. Aktif olmamak veya yeni ortamda diğer ortamda beklenenden çok farklı bir yerde aktif olmak suretiyle ortamlar arasında ayrım yapar. 1971’de John O’Keefe ve John Dostrovsky adlı iki araştırmacı, sıçan beyinlerindeki elektriksel aktiviteyi inceliyorlardı. Hipokampus adı verilen beyin bölgesine baktıklarında, hayvan kendi ortamında belirli bir yerdeyken bazı sinir hücrelerinin aktif hale geldiğini ve yüksek oranda elektrik sinyalleri ateşlemeye başladığını gördüler (Şekil 1). Sıçan farklı yerlerdeyken diğer yer hücreleri aktive edildi. Başka bir deyişle, odanızda belirli bir yerde duruyorsanız, hipokampüsünüzde güçlü bir şekilde aktif olan belirli bir yer hücresi vardır ve bu hücre size nerede olduğunuzu söyler. Bu yer hücrelerinin elektriksel aktivitesi o kadar kesin ki, 100 tanesinin aktivitesini bir süreliğine aynı anda kaydedersek, 5 cm içindeki bir farenin yerini doğru bir şekilde tahmin edebiliriz! Bu oldukça sıra dışı, çünkü bu hücreler beynin derinliklerinde, duyulardan uzak; gözleri, kulakları ya da başka bir duyu organı yoktur, peki bu yer hücreleri çevreyle ilgili bilgileri nasıl alıyorlar?
Adım 2: Ne Kadar Gittiniz ve Nereye Vardınız?
Diyelim ki belirli bir yer hücresini kullanarak belirli bir yerde durduğunuzu anladınız. Daha sonra bir süre yürüdünüz ve başka bir yer hücresini kullanarak yeni yerinizi belirlediniz. Ancak bu iki konum arasındaki mesafeyi nasıl biliyorsunuz? Başka bir deyişle, iki yerin göreli konumunu nasıl biliyorsunuz? İlk önce, iki nokta arasındaki mesafeyi hesaplamak için bilmeniz gerekenleri düşünmeye çalışın. Size 2 dakika yürüdüğümü söyleseydim, ne kadar yürüdüğümü belirlemem için bana ne sorardınız? Bu doğru, yürüme hızımı bilmen gerekir. Beyin bu sorunu hız hücrelerinin yardımıyla çözer.
Hayvan daha hızlı hareket ettiğinde aktivitelerini artırarak hayvanın hareket hızını “raporlayan” sinir hücreleri. Bu hücreler entorinal kortekste bulunur ve hayvan tarafından hareketi sırasında geçtiği mesafeyi hesaplamak için kullanılır ve hangi hızda hareket ettiğinizi söyler. Bu hücreler hipokampusta değil, entorinal korteks adı verilen farklı, derin bir beyin bölgesinde bulunur. Beynin derinliklerinde, hipokampusun yakınında, kulak seviyesinin biraz altında bulunan bir alan. Bu alan, beynin navigasyon sisteminin (“bilişsel harita”) önemli bir parçasıdır ve diğerlerinin yanı sıra ızgara hücrelerini, baş yön hücrelerini ve hız hücrelerini içerir.
Başladığım yeri, yürüme hızımı ve ne kadar yürüdüğümü bilseydin, şimdi nerede olduğumu söyleyebilir misin? Yoksa ek bilgi gerekli mi? Örneğin, başlangıç noktası ile varış noktasının birbirinden 100 m uzakta olduğunu bilseydiniz, yarıçapı 100 m olan başlangıç noktamın etrafındaki çemberin neresinde olduğumu söyleyebilir misiniz? (Şekil 2). Cevap hayır. İhtiyacınız olan ek bilgi yöndür. Beyin ayrıca baş yön hücrelerine sahiptir.
Hayvana hangi yöne gittiğini bildiren çeşitli beyin bölgelerinde bulunan sinir hücreleri. Her bir baş yön hücresi, yalnızca hayvanın başı uzayda belirli bir yöne baktığında ateşlenir (örneğin, kuzey-batı, ancak bu özel/öznel bir haritadır ve manyetik kutupları takip etmez). Böylece bir ortamda baş kuzeyi gösterdiğinde aktif olan bir hücre, diğer ortamda güneye ateş edebilir. Ve hücreler birbirini takip eder: bir ortamda bir hücre 180° kaydırılırsa diğer tüm hücreler de aynı şeyi yapar.birkaç beyin bölgesinde bulunur. Bu hücreler aktif olduklarında hayvana hangi yönde hareket ettiğini bildirirler. İlk konumunuzu, yürüme hızınızı ve zamanınızı ve yürüyüşünüzün yönünü bilerek, başladığınız yere göre tam olarak nerede olduğunuzu bilebilirsiniz (Şekil 2).
Adım 3: Konumunuzu Bulmanın ve A’dan B’ye Gitmenin Başka Yolları Var mı? Izgara Hücreleri
İşte zor (ama ödüllendirici) bir bilmece. A konumundan B konumuna gitmek için ilk yeri, hızı, zamanı ve hareket yönünü bilmenin yeterli olduğunu gördük. Bununla birlikte, birçok beyin araştırmacısını şaşırtacak şekilde, beyin navigasyon sorununu çözmek için ek ve şaşırtıcı bir numara kullanır. Size bir ipucu vereceğim: haritadaki bir koordinat sistemi ile ilgilidir. Bu beyin sistemine ızgara hücre sistemi denir.
Izgara hücre sistemi, beynin ortasında, kulak seviyesinin biraz altında, hipokampüsün yakınında bulunan entorhinal korteks (Şekil 3, mor alan) olarak adlandırılan derin bir beyin bölgesinde bulunur. Hayvan belirli bir konumdan geçtiğinde aktif hale gelen hipokampal yer hücrelerinin aksine, ortamdaki birçok yerde bir ızgara hücresi aktif hale gelir (Şekil 3). En şaşırtıcı olanı, bu konumların, yakın konumların merkezlerini birbirine bağlayan eşkenar üçgenlerle karakterize edilen, simetrik ve son derece hassas kristal benzeri bir model oluşturmasıydı. Koordinat adı verilen bu konumlar altıgen (altı kenarlı çokgen) bir ızgara oluşturur ve bu nedenle bu hücrelere ızgara hücreleri adını vermeye karar verdik. Izgara hücrelerinin koordinat modellerinin beyinde üretildiğini, dış dünyada var olmadıklarını vurgulamak önemlidir.
Her ızgara hücresi, diğer yakındaki ızgara hücreleri tarafından oluşturulan koordinatlara göre kaydırılan benzersiz bir koordinat modeli oluşturur. Bu şekilde, tüm ortam ızgara desenleriyle “doldurulur” (Şekil 4A ). Yalnızca bir ızgara hücresi kullanarak hayvanın nerede olduğunu bilemezsiniz, çünkü her bir ızgara hücresi birden fazla yerde aktiftir ve bir ızgara oluşturur. Ancak, farklı ızgara hücreleri arasındaki konumdaki kayma ve ızgaraların değişen ölçekleri nedeniyle (Şekil 4C), birkaç hücrenin örtüşen ızgaralarını kullanarak hayvanın mevcut konumunu büyük bir doğrulukla tanımlamak mümkündür. Bu ızgara desenleri, beyinde dahili bir koordinat haritası görevi görür ve aynı zamanda, navigasyon için kritik bir gereklilik olan uzaydaki farklı noktalar arasındaki mesafeyi ölçmek için kullanılabilir (Şekil 4B).
Izgara Hücreleri Hakkında Daha Fazla Sürpriz
Bir hayvan karanlıkta yürüdüğünde bile ızgara hücrelerinin ızgara yapısının devam ettiğini bulduk. Izgarayı hayvanın içinde bulunduğu belirli ortama (büyük veya küçük bir oda mı?) sabitlemek için hayvanın duyusal bilgileri, özellikle duvarlardaki ipuçları ve duvarların konumu gibi görsel bilgileri kullandığını bulduk. odada. Izgara desenleri, duvarlardaki ipuçları döndürüldüğünde döner ve odayı büyütmek veya küçültmek için duvarlardan biri hareket ettirildiğinde ızgaralar genişleyebilir veya büzülebilir. İlginç bir şekilde, entorinal korteks boyunca farklı derinliklerde bulunan ızgara hücreleri, aynı ortamı farklı ölçeklerde temsil eder. Entorhinal korteksin dorsal (üst) kısmında yer alan ızgara hücreleri ~25 cm aralıklarla yakın fiziksel konumlarda ateşlenir (Şekil 4C, sağ üst)—çevreyi ince bir cetvelle temsil ederken, daha derin (ventral) ızgara hücreleri, 3 m’ye kadar daha uzak konumlarda ateş ederken kaba bir cetvel oluşturur (Şekil 4C). Değişken ölçeklere sahip ızgara hücrelerinin tümü, benzer bir simetrik ızgara desenini korur.
Size ızgara hücreleri hakkında bir başka sürpriz daha anlatayım. Görünüşe göre, başarılı ve verimli navigasyon için ızgara hücrelerini kullanan sadece beyin değil. İngiltere’nin Londra şehrinde bulunan DeepMind adlı yapay zeka şirketinde yakın zamanda gerçekleştirilen büyüleyici bir çalışmada araştırmacılar, bir öğrenme makinesine kafa yönü ve hızı hakkında bilgi verdi. Makinenin yeni ve zorlu bir ortamda gezinmeyi öğrenmesi gerekiyordu. Öğrendikten sonra, makine navigasyonda insanlardan daha iyi performans gösterdi. Şaşırtıcı bir şekilde, makine kendiliğinden, beyindeki ızgara hücrelerine çok benzeyen ızgara desenleri olan yapay birimler yarattı. Bu bize ne anlatıyor? Izgara hücresi modeli, evrim sırasında “az önce meydana gelen” bir şey olsa bile, navigasyon için son derece faydalı olmalıdır. Beynin çok verimli olduğunu biliyoruz ve neredeyse tesadüfen oluşan bir fenomen (grid hücreleri gibi) varsa, hayvanın işleyişi için faydalı olabilir. Bunu şu şekilde düşünün: Bir tornavida gibi bir alet aldığınızı ve ne için kullanıldığını bilmediğinizi hayal edin. Zaman geçtikçe, muhtemelen tornavidayı farklı durumlarda kullanmayı deneyeceksiniz ve sonunda faydalı olmasının yollarını bulacaksınız, değil mi? Aynı şey beyin için de geçerlidir: sahip olduğu tüm araçları kullanmanın yollarını araştırır ve bu araçların hayvanın hayatta kalması için faydalı olmasının yollarını bulur.
Izgara hücreleri birlikte, bir hayvanın bir konumdan diğerine gitmesine izin veren dahili koordinat haritaları üretir. Izgara hücreleri, yer hücreleriyle ve baş yön hücreleri ve hız hücreleri gibi diğer hücre türleri ile uyum içinde çalışır. Bu navigasyon sistemi aynı zamanda iç haritaları çevre ile kalibre etmek için duyulardan gelen bilgileri de bütünleştirir. Beyindeki tüm bu navigasyon sistemi, karmaşık navigasyon görevlerini sorunsuz ve sorunsuz bir şekilde gerçekleştirmemizi sağlar. Bu büyüleyici beyin sistemi hakkında çok şey öğrenmiş olsak da, pek çok yönü henüz bilinmiyor. Örneğin: Ortamdaki veya bellekteki ipuçlarına dikkat etmek navigasyon sistemini nasıl etkiler? Bir hayvanın vücudunun hacmi, hayvan gezinirken nasıl dikkate alınır? Ve hasta bir beyindeki navigasyon sistemine ne olur, entorinal korteksteki hücrelerin öldüğü ve gezinme yeteneğinin kaybolduğu Alzheimer hastalığında olduğu gibi? Bir başka heyecan verici soru, bir hayvan ve dış nesneler arasındaki mesafenin ve yönün entorinal kortekste nasıl kodlandığı ve hücrelerin bir futbol maçındaki top gibi hareket eden nesneleri de kodlayıp kodlamadığıdır [6]. Bunlar, beyin bilimcisi olmak isteyenler için büyüleyici bir bilimsel yolculuğun parçası olabilecek zorlu ve önemli sorular.
Genç Beyinlere Öneriler
Çocuklar ve gençler olarak, yetişkin olduğunuzda hayatın nasıl görüneceğini anlamanın çok zor olduğunu hatırlamalısınız. Hem şimdi hem de yetişkin olarak, bir şeyler hakkında merakınızı korumanın ve tutku duyduğunuz, sizi coşkulu ve canlı hissettiren bir şey bulmanın önemli olduğuna inanıyorum. Bence her şey tutkuyla ilgili – tutkunuz matematik ya da fizik, dans, yazı ya da başka bir şey olabilir. Her zaman bu içsel dürtüyü takip etmeli ve hayatınızı güçlü yanlarınız ve tutkunuz etrafında inşa etmelisiniz. O zaman hayatın, aksi halde olduğundan çok daha iyi olacak.
Birçok kişi size hangi kariyere sahip olmanız gerektiğini ve nedenini söyleyecektir; çünkü o zaman para kazanabilirsin, itibar kazanabilirsin ya da Nobel Ödülü alabilirsin… ama bu yola girme. Sizin için doğru olduğunu düşündüğünüz yoldan gidin. Sizi zenginleştiren, sevdiğiniz, ustalaşabileceğiniz herhangi bir şey olabilir. Kendi adıma bazı şeyleri çok merak ettiğimi ve bir şeyleri anlamanın benim için son derece önemli olduğunu söyleyebilirim. Daha önce anlamadığım bir şeyi anlamak bana çok zevk veriyor – bu benim başrol yıldızım.
Son olarak, Nobel Ödülü’nü kazanmış bir kadın olarak, tutkunuzu bulduğunuzda, erkek ya da kadın olmanızın önemli olmadığını vurgulamak benim için önemli. Kendimi her zaman bir insan olarak düşündüm ve bir bilim insanı olduğumda – bir bilim adamı olarak. Bir kadın olduğum gerçeği hakkında çok fazla düşünmedim. Kendimi çok şanslı, çok çalışan ve harika işbirlikçileri olan bir bilim insanı olarak görüyorum. Bu, sonunda, bir Nobel Ödülü kazanmamı sağladı. Ancak konu tutku olduğunda kadın ya da erkek olmak önemsiz olsa da, insanların kadınları bir kenara itmeye çalıştıkları belirli ortamlar olduğunu hepimiz bilmeliyiz. Bu ortamlarda hepimiz – hem erkekler hem de kadınlar – kadınları veya diğer azınlıkları güçlü bir şekilde desteklemeliyiz.
Sözlük
Izgara Hücreleri : ↑ Entorhinal korteks adı verilen ve beyinde, çevrede navigasyon ve metrik (ne kadar ve hangi yönde) sağlayan bir “koordinat haritası” oluşturan beyin bölgesindeki sinir hücreleri.
Yer Hücreleri : ↑ Hayvana uzayda nerede olduğunu söyleyen, hipokampus adı verilen beyin bölgesindeki sinir hücreleri. Her yer hücresi, ortamdaki belirli bir yerde aktif hale gelir. Aktif olmamak veya yeni ortamda diğer ortamda beklenenden çok farklı bir yerde aktif olmak suretiyle ortamlar arasında ayrım yapar [ 1 ].
Hız Hücreleri : ↑ Aktivitesi, hayvan daha hızlı hareket ettiğinde aktivitelerini artırarak hayvanın hareket hızı hakkında “rapor” veren sinir hücreleri. Bu hücreler entorinal kortekste bulunur ve hayvan tarafından hareketi sırasında geçtiği mesafeyi hesaplamak için kullanılır.
Entorhinal Korteks : ↑ Beynin derinlerinde, hipokampusun yakınında, kulak seviyesinin biraz altında bulunan bir alan. Bu alan, beynin navigasyon sisteminin (“bilişsel harita”) önemli bir parçasıdır ve diğerlerinin yanı sıra ızgara hücrelerini, baş yön hücrelerini ve hız hücrelerini içerir.
Baş Yön Hücreleri : ↑ Hayvana hangi yöne gittiğini bildiren çeşitli beyin bölgelerinde bulunan sinir hücreleri. Her bir baş yön hücresi, yalnızca hayvanın başı uzayda belirli bir yöne baktığında ateşlenir (örneğin, kuzey-batı, ancak bu özel/öznel bir haritadır ve manyetik kutupları takip etmez). Böylece bir ortamda baş kuzeyi gösterdiğinde aktif olan bir hücre, diğer ortamda güneye ateş edebilir. Ve hücreler birbirini takip eder: bir ortamda bir hücre 180° kaydırılırsa diğer tüm hücreler de aynı şeyi yapar.
Çıkar çatışması
Yazar, araştırmanın potansiyel bir çıkar çatışması olarak yorumlanabilecek herhangi bir ticari veya finansal ilişki olmaksızın yürütüldüğünü beyan eder.
Teşekkür
Yoram Burak’a yorumları için teşekkür ederiz.
Ana kaynak: How Do We Find Our Way? Grid Cells in the Brain
Dipnotlar
1. GPS navigasyon sistemi hakkında daha fazla bilgi edinmek istiyorsanız, buraya tıklayın.
2. Görmek için bu videoyu izleyin.
3. Bu üst üste binen ızgara hücre desenlerini ve hayvanın yerini nasıl sağladığını bu videoda izleyebilirsiniz .
Referanslar
[1] Alme, CB, Miao, C., Jezek, K., Treves, A., Moser, EI ve Moser, MB (2014). Hipokampustaki yer haritalarının ortogonalliği: on bir oda için on bir harita. Proc. Natl. Acad. bilim ABD 111:18428–35. doi: 10.1073/pnas.1421056111
[2] O’Keefe, J. ve Dostrovsky, J. 1971. Uzaysal bir harita olarak hipokampus: serbestçe hareket eden sıçandaki birim aktiviteden ön kanıt. Beyin Araş. 34:171–5. doi: 10.1016/0006-8993(71)90358-1
[3] Kropff, E., Carmichael, JE, Moser, MB ve Moser, E. 2015. Medial entorhinal korteksteki hız hücreleri. Doğa 523:419–24. doi: 10.1038/nature14622
[4] Taube, JS, Muller, RU ve Ranck, JB 1990. Serbest hareket eden sıçanlarda postsubiculum’dan kaydedilen baş-yönü hücreleri. I. Tanım ve nicel analiz. J. Neurosci. 10:420–35.
[5] Hafting, T., Fyhn, M., Molden, S., Moser, MB ve Moser, EI 2005. Entorhinal kortekste bir uzaysal haritanın mikro yapısı. Doğa 436:801–6. doi: 10.1038/nature03721
[6] Banino, A., Barry, C., Uria, B., Blundell, C., Lillicrap, T., Mirowski, P., et al. 2018. Yapay ajanlarda ızgara benzeri temsiller kullanan vektör tabanlı navigasyon. Doğa 557:429–33. doi: 10.1038/s41586-018-0102-6
[7] Høydal, Ø. A., Skytøen, ER, Andersson, SO, Moser, MB ve Moser, EI (2019). Medial entorinal kortekste nesne-vektör kodlaması. Doğa 568:400–4. doi: 10.1038/s41586-019-1077-7
Makale bilgileri
Alıntı
Moser M (2021) Yolumuzu Nasıl Buluruz? Beyindeki Izgara Hücreleri. Ön. Genç Akıllar. 9:678725. doi: 10.3389/frym.2021.678725
Editör
Bilim Mentorları
Yayınlanma tarihleri
Gönderildi: 10 Mart 2021; Kabul: 7 Nisan 2021; Çevrimiçi yayın tarihi: 7 Eylül 2021.Telif hakkı © 2021 Moser
Bu makeleyi, Creative Commons Atıf Lisansı (CC BY) koşulları altında dağıtılan açık erişimli bir makaledir . Orijinal yazar(lar)a ve telif hakkı sahibine/sahiplerine atıfta bulunulması ve kabul edilen akademik uygulamaya uygun olarak bu dergideki orijinal yayına atıfta bulunulması koşuluyla diğer forumlarda kullanım, dağıtım veya çoğaltmaya izin verilir. Bu şartlara uymayan hiçbir kullanım, dağıtım veya çoğaltmaya izin verilmez.
Bilim Blogu: Zor Olanı Sormak! 