Colocar célula - Place cell

Padrões de disparo espacial de células de 8 locais registrados a partir da camada CA1 de um rato. O rato correu para frente e para trás ao longo de uma trilha elevada, parando em cada extremidade para comer uma pequena recompensa em comida. Os pontos indicam as posições onde os potenciais de ação foram registrados, com a cor indicando qual neurônio emitiu esse potencial de ação.

Uma célula local é um tipo de neurônio piramidal dentro do hipocampo que se torna ativo quando um animal entra em um determinado local em seu ambiente, conhecido como campo local . As células de lugar são pensadas, coletivamente, para atuar como uma representação cognitiva de um local específico no espaço, conhecido como mapa cognitivo . As células de localização trabalham com outros tipos de neurônios no hipocampo e nas regiões vizinhas para realizar esse tipo de processamento espacial. Eles foram encontrados em uma variedade de animais, incluindo roedores, morcegos, macacos e humanos.

Os padrões de disparo das células locais são frequentemente determinados por estímulos no ambiente, incluindo pontos de referência visuais , estímulos olfativos e vestibulares. As células locais têm a capacidade de mudar repentinamente seu padrão de disparo de um padrão para outro, um fenômeno conhecido como remapeamento. Esse remapeamento pode ocorrer em algumas das células locais ou em todas as células locais de uma só vez. Isso pode ser causado por uma série de mudanças, como uma mudança no odor do ambiente.

Acredita-se que as células locais desempenhem um papel importante na memória episódica . Eles contêm informações sobre o contexto espacial em que uma memória ocorreu. Além disso, eles parecem realizar a consolidação por meio da exibição de replay , a reativação das células de lugar envolvidas em uma determinada experiência em uma escala de tempo muito mais rápida. As células locais apresentam alterações com a idade e doenças, como a doença de Alzheimer, que pode estar envolvida na diminuição da função de memória.

O Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina de 2014 foi concedido a John O'Keefe pela descoberta de células de lugar, e a Edvard e May-Britt Moser pela descoberta de células de grade .

Fundo

As células de lugar foram descobertas pela primeira vez por John O'Keefe e Jonathan Dostrovsky em 1971 no hipocampo de ratos. Eles notaram que ratos com deficiências no hipocampo tiveram um desempenho ruim em tarefas espaciais e, portanto, hipotetizaram que essa área deve conter algum tipo de representação espacial do ambiente. Para testar essa hipótese, eles desenvolveram implantes de eletrodos crônicos , com os quais podiam registrar a atividade de células individuais extracelularmente no hipocampo. Eles observaram que algumas das células mostraram atividade quando um rato estava " situado em uma parte específica da plataforma de teste voltada para uma direção específica ". Essas células seriam mais tarde chamadas de células de lugar.

Tocar mídia

Este vídeo mostra um rato correndo em um ambiente circular (linha preta) e sempre que uma determinada célula está ativa (pontos vermelhos). Os pontos vermelhos se agrupam em torno de um local, que é o campo local da célula.

Em 1976, O'Keefe realizou um estudo de acompanhamento, demonstrando a presença do que eles chamaram de unidades de lugar. Essas unidades eram células que disparavam em um determinado local do ambiente, o campo local. Eles são descritos como tendo uma baixa taxa de tiro em repouso (<1 Hz) quando um rato não está em seu campo de lugar, mas uma taxa de tiro particularmente alta, que pode ser superior a 100 Hz em alguns casos, dentro do campo de lugar. Além disso, O'Keefe descreveu 6 células especiais, que ele chamou de unidades de lugar errado , que também disparam apenas em um determinado lugar, mas apenas quando o rato desempenhava um comportamento adicional, como cheirar, que muitas vezes estava relacionado com a presença de um novo estímulo , ou a ausência de um estímulo esperado. As descobertas, em última análise, apoiaram a teoria do mapa cognitivo, a ideia de que o hipocampo possui uma representação espacial, um mapa cognitivo do ambiente.

Tem havido muito debate sobre se a função das células locais do hipocampo depende de pontos de referência no ambiente, de limites ambientais ou de uma interação entre os dois. Além disso, nem todas as células de local contam com as mesmas pistas externas. Uma distinção importante nas pistas é local e distal, onde as pistas locais aparecem na vizinhança imediata de um assunto, enquanto as pistas distais estão distantes e agem mais como marcos. Demonstrou-se que células de lugares individuais seguem um ou outro ou dependem de ambos. Além disso, as pistas nas quais as células se baseiam podem depender da experiência anterior do sujeito e da importância da pista.

Também tem havido muito debate se as células piramidais do hipocampo realmente codificam informações não espaciais, bem como informações espaciais. De acordo com a teoria do mapa cognitivo, o papel principal do hipocampo é armazenar informações espaciais por meio de células de lugar e o hipocampo foi biologicamente projetado para fornecer informações espaciais a um sujeito. Descobertas recentes, como um estudo que mostra que as células de lugar respondem a dimensões não espaciais, como a frequência do som, discordam da teoria do mapa cognitivo. Em vez disso, eles apóiam uma nova teoria dizendo que o hipocampo tem uma função mais geral que codifica variáveis ​​contínuas, e a localização simplesmente passa a ser uma dessas variáveis. Isso se encaixa na ideia de que o hipocampo tem uma função preditiva.

Células de grade e células posicionadas trabalham juntas para determinar a posição do animal

Relação com células da grade

Foi proposto que as células de lugar são derivados de células da grade , células piramidais no córtex entorrinal. Esta teoria sugere que os campos de lugar das células de lugar são uma combinação de várias células de grade, que têm padrões de atividade semelhantes a grades hexagonais. A teoria foi apoiada por modelos computacionais. A relação pode surgir por meio do aprendizado Hebbian . Mas as células da grade podem desempenhar um papel mais de apoio na formação de campos de lugar, como entrada de integração de caminho. Outra explicação não espacial da função hipocampal sugere que o hipocampo realiza agrupamento de entradas para produzir representações do contexto atual - espacial ou não espacial.

As células locais são encontradas no hipocampo, uma estrutura no lobo temporal medial do cérebro.

Propriedades

Campos de lugar

Coloque as células de fogo em uma região específica de um ambiente, conhecida como campo de lugar. Os campos de lugar são aproximadamente análogos aos campos receptivos dos neurônios sensoriais, em que a região de disparo corresponde a uma região de informação sensorial no ambiente. No entanto, ao contrário dos campos receptivos, as células de local não mostram topografia, o que significa que duas células vizinhas não têm necessariamente campos de local vizinhos. As células do local disparam picos em rajadas em alta frequência dentro do campo local, mas fora do campo local elas permanecem relativamente inativas. Os campos de lugar são alocêntricos , o que significa que são definidos em relação ao mundo externo e não ao corpo. Orientando-se com base no ambiente, e não no indivíduo, os campos de local podem funcionar efetivamente como mapas neurais do ambiente. Uma célula de local típica terá apenas um ou alguns campos de local em um pequeno ambiente de laboratório. No entanto, em ambientes maiores, foi demonstrado que as células de local contêm vários campos de local que geralmente são irregulares. As células de local também podem mostrar direcionalidade, o que significa que só dispararão em um determinado local ao viajar em uma direção específica.

Um exemplo de remapeamento de célula de local, com a localização do campo de local da célula 1 mudando entre o ambiente e a célula 2 perdendo seu campo de local no ambiente 2.

Remapeamento

Remapeamento refere-se à mudança nas características do campo de lugar que ocorre quando um sujeito experimenta um novo ambiente, ou o mesmo ambiente em um novo contexto. Este fenômeno foi relatado pela primeira vez em 1987 e acredita-se que desempenhe um papel na função de memória do hipocampo. Existem basicamente dois tipos de remapeamento: remapeamento global e remapeamento parcial . Quando ocorre o remapeamento global, a maioria ou todas as células de local são remapeadas, significando que elas perdem ou ganham um campo de local, ou seu campo de local muda de localização. O remapeamento parcial significa que a maioria dos campos de local permanecem inalterados e apenas uma pequena parte das células de local é remapeada. Algumas das mudanças no ambiente que mostraram induzir o remapeamento incluem a alteração da forma ou tamanho do ambiente, a cor das paredes, o cheiro do ambiente ou a relevância de um local para a tarefa em questão.

Precessão de fase

O disparo das células locais é cronometrado em relação às ondas teta locais , um processo denominado precessão de fase . Ao entrar em um campo de local, as células de local serão disparadas em rajadas em um ponto específico na fase das ondas teta subjacentes. No entanto, à medida que um animal avança no campo local, o disparo acontecerá progressivamente no início da fase. Pensa-se que este fenômeno aumenta a precisão da codificação de lugar e auxilia na plasticidade, que é necessária para o aprendizado.

Direcionalidade

Em alguns casos, as células de lugar mostram direcionalidade, o que significa que só dispararão em um local quando o assunto estiver viajando em uma direção específica. No entanto, eles também podem ser omnidirecionais, o que significa que eles disparam independentemente da direção do alvo. A falta de direcionalidade em algumas células de lugar pode ocorrer particularmente em ambientes empobrecidos, enquanto em ambientes mais complicados a direcionalidade é aumentada. O labirinto de braço radial é um desses ambientes em que ocorre a direcionalidade. Nesse ambiente, as células podem até ter campos de vários locais, dos quais um é fortemente direcional, enquanto os outros não. Em corredores de realidade virtual, o grau de direcionalidade na população de células locais é particularmente alto. A direcionalidade das células locais mostrou emergir como resultado do comportamento do animal. Por exemplo, os campos receptivos tornam-se distorcidos quando os ratos percorrem uma trilha linear em uma única direção. Estudos teóricos recentes sugerem que as células de lugar codificam uma representação sucessora que mapeia o estado atual para os estados sucessores previstos, e que a direcionalidade emerge desse formalismo. Esta estrutura computacional também fornece uma explicação para a distorção dos campos de lugar em torno de obstáculos.

Entrada sensorial

Inicialmente, acreditava-se que as células de lugar disparavam em relação direta a entradas sensoriais simples, mas estudos sugeriram que esse pode não ser o caso. Os campos de lugar geralmente não são afetados por grandes mudanças sensoriais, como a remoção de um ponto de referência de um ambiente, mas respondem a mudanças sutis, como uma mudança na cor ou na forma de um objeto. Isso sugere que as células locais respondem a estímulos complexos, em vez de simples pistas sensoriais individuais. De acordo com o modelo de diferenciação funcional, a informação sensorial é processada em várias estruturas corticais a montante do hipocampo antes de realmente chegar à estrutura, de modo que a informação recebida pelas células locais é uma compilação, um derivado funcional, de diferentes estímulos.

Anatomia da formação do hipocampo , incluindo o córtex entorrinal (CE), o giro denteado (DG) e os diferentes subcampos do hipocampo (CA1 e CA3). A inserção mostra a fiação entre essas diferentes áreas.

As informações sensoriais recebidas por células de local podem ser categorizadas como informações métricas ou contextuais, em que as informações métricas correspondem a onde as células de local devem ser disparadas e a entrada contextual corresponde a se um campo de local deve ou não disparar em um determinado ambiente. A informação sensorial métrica é qualquer tipo de entrada espacial que possa indicar uma distância entre dois pontos. Por exemplo, as bordas de um ambiente podem sinalizar o tamanho do campo geral ou a distância entre dois pontos dentro de um campo local. Os sinais métricos podem ser lineares ou direcionais. As entradas direcionais fornecem informações sobre a orientação de um campo de lugar, enquanto as entradas lineares formam essencialmente uma grade representacional. As dicas contextuais permitem que os campos de locais estabelecidos se adaptem a pequenas mudanças no ambiente, como uma mudança na cor ou forma do objeto. As entradas métricas e contextuais são processadas juntas no córtex entorrinal antes de chegar às células locais do hipocampo. As entradas visuoespaciais e olfativas são exemplos de entradas sensoriais que são utilizadas por células locais. Esses tipos de dicas sensoriais podem incluir informações métricas e contextuais.

Entradas visuoespaciais

Sinais espaciais, como limites geométricos ou marcos de orientação, são exemplos importantes de dados métricos . Um exemplo são as paredes de um ambiente, que fornecem informações sobre a distância relativa e a localização. As células de localização geralmente dependem de pistas distais definidas, em vez de pistas no ambiente proximal imediato, embora as pistas locais possam ter um impacto profundo nos campos de lugar locais. As entradas sensoriais visuais também podem fornecer informações contextuais importantes . Uma mudança na cor de um objeto específico ou nas paredes do ambiente pode afetar se uma célula de local dispara ou não em um determinado campo. Assim, a informação sensorial visuoespacial é crítica para a formação e rememoração do campo local.

Insumos olfativos

Embora as células de lugar dependam principalmente da entrada visuoespacial, alguns estudos sugerem que a entrada olfativa também pode afetar a formação e estabilidade dos campos de lugar. O olfato pode compensar a perda de informação visual, ou mesmo ser responsável pela formação de campos de lugares estáveis ​​nos mesmos locais onde são as pistas visuoespaciais. Isso foi confirmado por um estudo em um ambiente virtual composto por gradientes de odor. Mudança no estímulo olfatório em um ambiente também pode causar o remapeamento de células locais.

Entradas vestibulares

Estímulos do sistema vestibular , como rotações, podem causar alterações no local de disparo das células. Depois de receber a entrada vestibular, algumas células de lugar podem remapear para se alinhar com essa entrada, embora nem todas as células sejam remapeadas e sejam mais dependentes de pistas visuais. Lesões bilaterais do sistema vestibular em pacientes podem causar disparo anormal de células locais do hipocampo, conforme evidenciado, em parte, por dificuldades com tarefas espaciais como o labirinto de braço radial e a tarefa de navegação aquática de Morris .

Entradas de movimento

As células de grade e local contribuem para a integração do caminho , um processo que soma os vetores de distância e direção percorridos de um ponto inicial para estimar a posição atual.

O movimento também pode ser uma pista espacial importante. Os camundongos usam suas informações de movimento automático para determinar a distância e em que direção viajaram, um processo chamado integração de caminho . Este é especialmente o caso na ausência de entradas sensoriais contínuas. Por exemplo, em um ambiente com falta de entradas visuoespaciais, um animal pode procurar a borda do ambiente usando o toque e discernir a localização com base na distância de seu movimento a partir dessa borda. A integração do caminho é amplamente auxiliada pelas células da grade , que são um tipo de neurônio no córtex entorrinal que retransmite informações para colocar as células no hipocampo. As células de grade estabelecem uma representação de grade de um local, de modo que durante o movimento as células do local possam disparar de acordo com sua nova localização enquanto se orientam de acordo com a grade de referência de seu ambiente externo.

Memória episódica

As células de localização desempenham um papel importante na memória episódica . Um aspecto importante da memória episódica é o contexto espacial em que o evento ocorreu. As células do local do hipocampo têm padrões de disparo estáveis, mesmo quando os sinais de um local são removidos e os campos do local específico começam a disparar quando expostos a sinais ou um subconjunto de sinais de um local anterior. Isso sugere que as células de lugar fornecem o contexto espacial para uma memória ao relembrar a representação neural do ambiente em que a memória ocorreu. Ao estabelecer o contexto espacial, as células locais desempenham um papel na conclusão dos padrões de memória. Além disso, as células de localização são capazes de manter uma representação espacial de um local enquanto relembram o mapa neural de um local separado, diferenciando efetivamente entre a experiência presente e a memória passada. Portanto, considera-se que as células de local demonstram as qualidades de conclusão de padrão e separação de padrão.

Completação de padrão

A conclusão do padrão é a capacidade de relembrar uma memória inteira a partir de uma pista sensorial parcial ou degradada. As células de local são capazes de manter um campo de disparo estável mesmo depois que sinais significativos são removidos de um local, sugerindo que eles podem recuperar um padrão baseado em apenas parte da entrada original. Além disso, a conclusão do padrão exibida pelas células de lugar é simétrica, porque uma memória inteira pode ser recuperada de qualquer parte dela. Por exemplo, em uma memória de associação de objeto-lugar, o contexto espacial pode ser usado para recuperar um objeto e o objeto pode ser usado para recuperar o contexto espacial.

Separação de padrões

A separação de padrões é a capacidade de diferenciar uma memória de outras memórias armazenadas. A separação do padrão começa no giro denteado , uma seção do hipocampo envolvida na formação e recuperação da memória. As células granulares no giro dentado processam informações sensoriais usando aprendizado competitivo e transmitem uma representação preliminar para formar campos de lugar. Os campos de lugar são extremamente específicos, pois são capazes de remapear e ajustar as taxas de disparo em resposta a mudanças sutis de sinal sensorial. Essa especificidade é crítica para a separação de padrões, pois distingue as memórias umas das outras.

Reativação, repetição e pré-reprodução

As células de local geralmente exibem reativação fora de seus campos de local. Essa reativação tem uma escala de tempo muito mais rápida do que a experiência real e ocorre principalmente na mesma ordem em que foi originalmente experimentada ou, mais raramente, ao contrário. Acredita-se que o replay tenha um papel funcional na recuperação e consolidação da memória . No entanto, quando a reprodução é interrompida, ela não afeta necessariamente a codificação de local, o que significa que não é essencialmente para consolidação em todas as circunstâncias. A mesma sequência de atividades pode ocorrer antes da experiência real. Esse fenômeno, denominado preplay, pode ter um papel na previsão e no aprendizado .

Animais modelo

As células de lugar foram descobertas pela primeira vez em ratos, mas células de lugar e células semelhantes a lugares já foram encontradas em vários animais diferentes, incluindo roedores, morcegos e primatas. Além disso, evidências de células locais em humanos foram encontradas em 2003.

Um rato com um eletrodo implantado

Roedores

Ratos e camundongos são freqüentemente usados ​​como animais modelo para pesquisa de células de lugar. Os ratos se tornaram especialmente populares após o desenvolvimento de eletrodos multiarray, que permitem o registro simultâneo de um grande número de células. No entanto, os ratos têm a vantagem de que uma gama maior de variantes genéticas está disponível. Além disso, os ratos podem ser fixados na cabeça, permitindo o uso de técnicas de microscopia para olhar diretamente para o cérebro. Embora ratos e camundongos tenham uma dinâmica de células de posição semelhante, os ratos têm células de posição menores e na mesma faixa de tamanho têm um aumento no número de campos de posição por célula. Além disso, seu replay é mais fraco em comparação com o replay em ratos.

Além de ratos e camundongos, células de lugar também foram encontradas em chinchilas .

Além disso, os ratos têm células de posição social, células que codificam a posição de outros ratos. Esta descoberta foi publicada na Science ao mesmo tempo que o relatório sobre células de lugares sociais em morcegos.

Morcegos

Células locais foram relatadas em morcegos frugívoros egípcios pela primeira vez em 2007 por Nachum Ulanovsky e seu laboratório. As células de lugar nos morcegos têm um campo de lugar em 3D, o que provavelmente se deve ao fato de o morcego voar em três dimensões. A localização das células nos morcegos pode ser baseada na visão ou na ecolocalização, cujo remapeamento ocorre quando os morcegos alternam entre as duas. Os morcegos também têm células de lugar social; essa descoberta foi publicada na Science ao mesmo tempo que o relatório sobre células de lugares sociais em ratos.

Primatas

Respostas relacionadas a lugares foram encontradas em células de macacos japoneses e sagüis comuns , no entanto, se essas são células de lugares verdadeiros ou células de visão espacial ainda é um debate. As células de visão espacial respondem a locais que são explorados visualmente pelo movimento dos olhos, ou a "visão de um espaço", em vez da localização do corpo do macaco. No macaco, as células foram gravadas enquanto o macaco dirigia um táxi motorizado pela sala experimental. Além disso, respostas relacionadas ao local foram encontradas em macacos enquanto navegavam em uma realidade virtual. Mais recentemente, células locais podem ter sido identificadas no hipocampo de macacos e saguis que se movem livremente.

Perturbações para colocar a função da célula

Efeitos do álcool

A taxa de disparo da célula local diminui drasticamente após a exposição ao etanol, causando sensibilidade espacial reduzida, que foi considerada a causa de deficiências na procissão espacial após a exposição ao álcool.

doença de Alzheimer

Acredita-se que os problemas de memória espacial e navegação sejam uma das primeiras indicações da doença de Alzheimer . Foi demonstrado que células locais degeneram em modelos de camundongos com Alzheimer, o que causa problemas de memória espacial nesses camundongos. Além disso, as células de lugar nesses modelos têm representações instáveis ​​do espaço e não podem aprender representações estáveis ​​para novos ambientes, bem como células de lugar em camundongos saudáveis. As ondas teta do hipocampo, assim como as ondas gama, que influenciam o local de disparo das células, por exemplo, por meio da precessão de fase, também são afetadas.

Envelhecimento

As propriedades do campo de localização, incluindo a taxa de disparo e as características das pontas, como largura e amplitude das pontas, são muito semelhantes entre ratos jovens e idosos na região do hipocampo CA1. No entanto, embora o tamanho dos campos de lugar na região CA3 do hipocampo permaneça o mesmo entre ratos jovens e idosos, a taxa média de disparo nesta região é maior em ratos idosos. Ratos jovens exibem plasticidade de campo de lugar: quando eles estão se movendo ao longo de um caminho reto, os campos de lugar são ativados um após o outro. Quando os ratos jovens repetidamente atravessam o mesmo caminho reto, a conexão entre os campos de lugar é fortalecida devido à plasticidade, fazendo com que os campos de lugar subsequentes disparem mais rapidamente e causando a expansão do campo de lugar, possivelmente ajudando os ratos jovens na memória espacial e no aprendizado. No entanto, a expansão e a plasticidade do campo de lugar observada são diminuídas em ratos idosos, possivelmente reduzindo sua capacidade de aprendizagem espacial e memória.

Esta plasticidade pode ser resgatada em ratos idosos dando-lhes memantina , um antagonista que bloqueia os receptores NMDA que é conhecido por melhorar a memória espacial e, portanto, foi usado na tentativa de restaurar a plasticidade do campo de lugar em indivíduos idosos. Receptores NMDA, que são receptores de glutamato , exibem atividade diminuída em indivíduos idosos. A aplicação de memantina leva a um aumento da plasticidade do campo local em ratos idosos. Embora a memantina ajude no processo de codificação da informação espacial em ratos idosos, ela não ajuda na recuperação dessa informação mais tarde.

Ratos idosos mostram ainda uma alta instabilidade em suas células de lugar na região CA1. Quando apresentado ao mesmo ambiente várias vezes, o mapa do ambiente do hipocampo mudou cerca de 30% das vezes, sugerindo que as células do local estão remapeando em resposta exatamente ao mesmo ambiente. Ao contrário, as células de lugar CA3 apresentam maior plasticidade em indivíduos idosos. Os mesmos campos de lugar na região CA3 para ativar em ambientes semelhantes, enquanto campos de lugar diferentes em ratos jovens disparariam em ambientes semelhantes porque pegariam diferenças sutis nesses ambientes. Uma possível causa dessas mudanças na plasticidade pode ser o aumento da confiança nas pistas de automovimento.

Veja também

• Células de visão espacial , contrapartida do hipocampo de primatas para o campo visual.
• Células de grade
• Células de direção da cabeça

Referências

links externos

• Mídia relacionada a células Place no Wikimedia Commons