Нервные клетки мозга, известные как клетки места и клетки сетки, соответственно, играют решающую роль в пространственной навигации у млекопитающих. Отдельные клетки места в гиппокампе реагируют только на несколько пространственных положений. С другой стороны, ячейки сетки в энторинальном комплексе стреляют в нескольких местах в окружающей среде, так что определенные наборы последовательно активируются, когда животное пересекает свою среду обитания.
Эти шаблоны активации создают виртуальную карту, состоящую из гексагонального расположения ячеек сетки, которые отражают относительные расстояния между конкретными ориентирами в реальном мире. Таким образом, мозг способен создавать виртуальную карту, которая кодирует его собственное положение в пространстве. Нобелевская премия по медицине и физиологии 2015 г. досталась первооткрывателям этой системы, получившей название GPS мозга.
Однако отношения развития между ячейками места и ячейками сетки, а также механизм происхождения ячеек сетки и их расположение в гексагональных решетках остаются неясными. Теперь нейробиологи из LMU профессор Кристиан Лейбольд и его коллега Мауро Мигель Монсальве Меркадо предложили новую теоретическую модель, которая впервые обеспечивает правдоподобную модель, основанную на известных биологических процессах. Модель подразумевает, что развитие ячеек сетки и их полей ответа зависит от синаптического ввода от ячеек места.
Новые результаты описаны в журнале Physical Review Letters.
Авторы новой статьи отводят центральную роль в своей модели корреляциям во времени последовательности нейронального ответа, генерируемой различными клетками места.
Члены этих групп становятся активными, когда животное достигает определенных мест в пространстве, и они передают нервные импульсы в точно согласованных временных последовательностях, которые следуют определенным ритмическим паттернам и, таким образом, кодируют относительные пространственные расстояния. Лейбольд и Монсальве Меркадо использовали классическое правило нейронного обучения, известное как правило Хебба, для анализа временных корреляций между паттернами активации ячеек места и организацией ячеек сетки.
Правило Хебба гласит, что повторная активация двух функционально связанных нейронов в быстрой последовательности постепенно увеличивает эффективность синаптической передачи между ними. Применяя эту концепцию зависимой от активности синаптической пластичности к коррелированным временным паттернам срабатывания ячеек места, авторы могут объяснить формирование гексагонального расположения ячеек сетки, наблюдаемого у свободно перемещающихся млекопитающих.
"Модели, предложенные до сих пор для объяснения развития ячеек сетки на основе данных, поступающих от ячеек места, не касались точных характеристик, лежащих в основе биологических механизмов. «Сейчас мы впервые смогли построить согласованную модель происхождения ячеек сетки, которая использует известные биологические механизмы», – говорит Кристиан Лейбольд. Новая модель предполагает, что ячейки сетки генерируются в процессе обучения нейронов.
Этот процесс использует синаптическую пластичность для преобразования временной скоординированной передачи сигналов между ячейками места в гексагональные паттерны ответов ячеек сетки, наблюдаемых в энторинальном комплексе. Таким образом, модель предсказывает, что клетки сетки должны сначала возникнуть в глубоких слоях энторинальной коры.