Πώς τα ζώα χαρτογραφούν τρισδιάστατους χώρους εκπλήσσουν τους ερευνητές του εγκεφάλου

Πηδώντας, τρέχοντας, πετώντας και κολυμπώντας στους φυσικούς τους βιότοπους, τα ζώα συντάσσουν έναν νοητικό χάρτη του κόσμου γύρω τους — έναν χάρτη που χρησιμοποιούν για να πλοηγηθούν στο σπίτι, να βρουν τροφή και να εντοπίσουν άλλα σημεία ζωτικής σημασίας. Οι νευροεπιστήμονες έχουν καταργήσει το πρόβλημα του πώς τα ζώα το κάνουν αυτό για δεκαετίες. Ένα κρίσιμο κομμάτι της λύσης είναι ένας κομψός νευρωνικός κώδικας που οι ερευνητές αποκάλυψαν παρακολουθώντας τους εγκεφάλους των αρουραίων σε εργαστηριακά περιβάλλοντα. Αυτή η ανακάλυψη ορόσημο τιμήθηκε με το βραβείο Νόμπελ το 2014 και πολλοί επιστήμονες πιστεύουν ότι ο κώδικας θα μπορούσε να είναι βασικό συστατικό του τρόπου με τον οποίο ο εγκέφαλος χειρίζεται άλλες αφηρημένες μορφές πληροφοριών.

Ωστόσο, τα ζώα εργαστηρίου σε ένα κουτί με επίπεδο δάπεδο χρειάζεται μόνο να πλοηγηθούν σε δύο διαστάσεις και οι ερευνητές ανακαλύπτουν τώρα ότι η επέκταση των μαθημάτων αυτής της κατάστασης στον πραγματικό κόσμο είναι γεμάτη προκλήσεις και παγίδες. Σε ένα ζευγάρι μελετών που δημοσιεύθηκαν πρόσφατα στο Nature και Nature Neuroscience , οι επιστήμονες που εργάζονταν με νυχτερίδες και αρουραίους έδειξαν —προς έκπληξή τους— ότι ο εγκέφαλος κωδικοποιεί τρισδιάστατους χώρους πολύ διαφορετικά από τους 2D, χρησιμοποιώντας έναν μηχανισμό που ακόμα δυσκολεύονται να περιγράψουν και να κατανοήσουν.

«Περιμέναμε κάτι εντελώς άλλο», είπε ο Nachum Ulanovsky, νευροβιολόγος στο Ινστιτούτο Επιστημών Weizmann στο Ισραήλ που ηγήθηκε της εργασίας στο Nature και έχει μελετήσει νευρωνικές αναπαραστάσεις τρισδιάστατων χώρων για περισσότερα από 10 χρόνια. "Έπρεπε να επανεκκινήσουμε τη σκέψη μας."

Τα ευρήματα υποδεικνύουν ότι οι νευροεπιστήμονες ίσως χρειαστεί να επανεξετάσουν αυτό που νόμιζαν ότι γνώριζαν για το πώς ο εγκέφαλος κωδικοποιεί τα φυσικά περιβάλλοντα και πώς τα ζώα περιηγούνται σε αυτούς τους χώρους. Η εργασία υποδηλώνει επίσης την πιθανότητα άλλες γνωστικές διαδικασίες, συμπεριλαμβανομένης της μνήμης, να λειτουργούν πολύ διαφορετικά από ό,τι πιστεύουν οι ερευνητές.

Όταν τα κελιά πλέγματος γίνονται 3D

Δεκαετίες εργασίας έχουν αποδείξει ότι το σύστημα πλοήγησης του εγκεφάλου αποτελείται από διάφορους τύπους νευρώνων. Τοποθετήστε κύτταρα στη φωτιά του ιππόκαμπου όταν ένα ζώο διέρχεται από μια γνωστή τοποθεσία στο περιβάλλον του. Τα κύτταρα κατεύθυνσης κεφαλιού πυροδοτούνται όταν το κεφάλι του ζώου δείχνει προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση, όπως βόρεια ή νότια. Τα συνοριακά κύτταρα πυροβολούν σε συγκεκριμένες αποστάσεις από ένα όριο.

Αλλά το πιο ενδιαφέρον είναι τα κύτταρα πλέγματος, τα οποία βρίσκονται σε μια περιοχή του εγκεφάλου κοντά στον ιππόκαμπο, που ονομάζεται ενδορινικός φλοιός, που παίζει σημαντικό ρόλο τόσο στη χωρική πλοήγηση όσο και στη μνήμη. Όταν ένα ζώο περιηγείται σε έναν δισδιάστατο χώρο - ένα επίπεδο δωμάτιο ή λαβύρινθο, για παράδειγμα - αυτοί οι νευρώνες πυροδοτούνται καθώς κινείται σε διαφορετικές τοποθεσίες. Οι θέσεις που πυροδοτούν ένα πλέγμα κυψέλης είναι διατεταγμένες όπως οι κορυφές ενός περιοδικού εξαγωνικού πλέγματος που πλακώνει το πάτωμα. Διαφορετικές κυψέλες πλέγματος έχουν εξαγωνικά μοτίβα πυροδότησης με διαφορετικές χωρικές κλίμακες και μετατοπίσεις, που τους επιτρέπουν να καλύπτουν ολόκληρο το δισδιάστατο επίπεδο.

Λόγω της εντυπωσιακής συμμετρίας, κανονικότητας και συνέπειας της δραστηριότητάς τους, τα κελιά πλέγματος θεωρούνται συχνά ως ένα κομψό, σταθερό και φαινομενικά απεριόριστο σύστημα συντεταγμένων που επιτρέπει σε ένα ζώο να παρακολουθεί ακριβείς αποστάσεις και κατευθύνσεις καθώς κινείται. Τα τελευταία χρόνια, οι ερευνητές ανέφεραν στοιχεία ότι τα κύτταρα μπορεί να χρησιμοποιούν αυτόν τον εξαγωνικό κώδικα για να αναπαραστήσουν όχι μόνο φυσικούς χώρους, αλλά και αφηρημένους γνωστικούς χώρους.

Ωστόσο, δεδομένου ότι όλα τα πειράματα διεξήχθησαν σε περιβάλλοντα 2D, δεν ήταν σαφές πώς τα κελιά πλέγματος θα μπορούσαν να αντιπροσωπεύουν περιβάλλοντα τριών διαστάσεων (ή υψηλότερες, στην περίπτωση των γνωστικών χώρων).

Η Kate Jeffery, νευροεπιστήμονας συμπεριφοράς στο University College του Λονδίνου, -όπως και ο Ulanovsky- προσπαθούσε να απαντήσει σε αυτό το ερώτημα για περισσότερο από μια δεκαετία. Για να κάνει τους αρουραίους της να εξερευνήσουν την κάθετη διάσταση και να μετρήσουν τις νευρικές τους αναπαραστάσεις, αυτή και οι συνάδελφοί της έχτισαν μια πραγματική παιδική χαρά για αυτούς, προσθέτοντας σταδιακά ράμπες και σπειροειδείς σκάλες, τοίχους αναρρίχησης και γυμναστήρια στη ζούγκλα. Παρακολουθώντας τα ζώα να περιφέρονται μέσα σε αυτά τα μηχανήματα, ο Jeffery έχει αναζητήσει ενδείξεις σχετικά με το πώς τα κύτταρα πλέγματος θα μπορούσαν να επεκτείνουν τα κανονικά τους μοτίβα στον τρισδιάστατο χώρο.

Θεωρητικά, αν το σύστημα απλώς γενικεύσει τη δισδιάστατη βέλτιστη συσκευασία του στην τρίτη διάσταση, οι ερευνητές θα περίμεναν να δουν τα κύτταρα του πλέγματος να πυροδοτούνται σε σφαιρικά μπαλώματα, τακτοποιημένα σε μια εξαγωνική τρισδιάστατη δομή πλέγματος, σαν μια στοίβα πορτοκαλιών σε ένα μπακάλικο. Αλλά υπήρχαν ήδη υπαινιγμοί ότι κάτι πιο περίπλοκο συνέβαινε - ότι τα μοτίβα πλέγματος δεν ήταν πάντα τόσο τέλεια οργανωμένα και συμμετρικά ακόμη και σε δύο μόνο διαστάσεις. Οι ερευνητές είχαν δει, για παράδειγμα, ότι η αλλαγή της γεωμετρίας ενός δωματίου θα μπορούσε να ωθήσει και να τραβήξει τα εξαγωνικά πλέγματα, παραμορφώνοντας τη δραστηριότητα και την άκαμπτη περιοδικότητά τους. Τα πλέγματα φάνηκαν επίσης να παραμορφώνονται σε τοποθεσίες σημαντικές για τους αρουραίους ή σε μέρη όπου υπήρχαν ανταμοιβές.

Ωστόσο, φαινόταν πιθανό ότι αυτές οι παρατηρήσεις ήταν απλώς αποκλίσεις μέσα στο ίδιο εξαγωνικό πλαίσιο. Αλλά όταν οι ερευνητές μπόρεσαν τελικά να καταγράψουν από κελιά πλέγματος σε ζώα που περιηγούνται σε τρισδιάστατους χώρους, τα ευρήματα έγιναν «πολύ πιο δραματικά», είπε ο Ulanovsky — φαίνεται να δείχνουν όχι μόνο αποκλίσεις από το πλαίσιο, αλλά και αποκλίσεις από αυτό.

Μετά από χρόνια που ξόδεψαν για τη σωστή εγκατάσταση της τεχνολογίας και της πειραματικής ρύθμισης - που περιελάμβανε την κατασκευή ενός πλαισίου αναρρίχησης με πλέγμα για τους αρουραίους και τη ρύθμιση ασύρματων συστημάτων εγγραφής και τρισδιάστατης παρακολούθησης - η Jeffery και οι συνεργάτες της μπόρεσαν τελικά να ρίξουν μια ματιά στη δραστηριότητα των κυψελών πλέγματος στο ενδορινικός φλοιός ζώων κατά την τρισδιάστατη πλοήγηση.

Προς έκπληξή τους, τα εξαγωνικά μοτίβα που καθόριζαν τη συμπεριφορά των κυττάρων σε 2D είχαν εξαφανιστεί εντελώς:Οι ερευνητές δεν μπορούσαν να βρουν ούτε ίχνη αυτής της παγκόσμιας τάξης. Αντίθετα, οι συστάδες της δραστηριότητας των κυψελών πλέγματος φάνηκαν να κατανέμονται σε όλο τον τρισδιάστατο χώρο τυχαία. "Ορισμένες ιδιότητες διατηρήθηκαν", είπε ο Jeffery, "αλλά η πιο εντυπωσιακή οπτικά ιδιότητα των κυψελών πλέγματος δεν ήταν."

Εν τω μεταξύ, ο Ουλανόφσκι έβρισκε κάτι παρόμοιο σε αιγυπτιακές νυχτερίδες φρούτων καθώς πετούσαν γύρω από ένα μεγάλο δωμάτιο. Στην πραγματικότητα, όταν αυτός και η ομάδα του άρχισαν να ηχογραφούν από κελιά πλέγματος πριν από σχεδόν 10 χρόνια, ήταν δύσκολο για αυτούς να καταλάβουν αυτό που έβλεπαν. «Αυτό χρειάστηκε δύο ή τρία χρόνια, απλώς για να φτάσουμε σε αυτό το σημείο όπου αρχίσαμε να σκεφτόμαστε τον σωστό δρόμο», είπε ο Ulanovsky.

Όπως και στους αρουραίους του Jeffery, τα κελιά του πλέγματος των νυχτερίδων δεν φαινόταν να πυροδοτούν σε μια τρισδιάστατη εξαγωνική διάταξη. Στην πραγματικότητα, εξαντλητικές αναλύσεις έδειξαν ότι δεν υπήρχε καμία κανονική παγκόσμια δομή στην κυτταρική δραστηριότητα.

Αλλά η πυροδότηση των κυψελών πλέγματος δεν ήταν ούτε εντελώς τυχαία. Αντίθετα, υπήρχε τοπική τάξη:Για κάθε κελί πλέγματος, τα μέρη όπου εκτοξεύτηκε δεν ήταν διατεταγμένα σε ένα τέλειο περιοδικό πλέγμα, αλλά οι αποστάσεις μεταξύ τους ήταν πολύ κανονικές για να είναι απλώς θέμα τύχης. Αντί για την τακτοποιημένη στοίβα των πορτοκαλιών, οι ερευνητές έβλεπαν κάτι παρόμοιο αλλά λιγότερο τακτοποιημένο, περισσότερο σαν μάρμαρα που γεμίζουν ένα κουτί. «Πάντα κολλάνε σε κάποιο τοπικό ελάχιστο, έτσι ώστε να μην υπάρχει πλέγμα», είπε ο Ουλανόφσκι. «Από την άλλη πλευρά, οι τοπικές αποστάσεις εκεί είναι σταθερές, γιατί όλα τα [μάρμαρα] αγγίζουν τους γείτονές τους».

"Αυτό το μοτίβο που αρέσει σε όλους να βλέπουν και έχει προκαλέσει πολλές θεωρητικές εξετάσεις απλά δεν υπήρχε", είπε ο Jeffery. "Ίσως η κανονικότητα του μοτίβου να μην είναι το σημαντικό για τα κελιά πλέγματος, παρόλο που είναι το πιο ενδιαφέρον πράγμα για εμάς."

Σαγηνευμένοι από την κομψότητα

Η εξαγωνική περιοδικότητα των κυψελών πλέγματος σε δύο διαστάσεις «ήταν ένα πραγματικά όμορφο πράγμα για εξερεύνηση», είπε η Λόρεν Φρανκ, νευροεπιστήμονας στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Σαν Φρανσίσκο που δεν συμμετείχε σε καμία από τις δύο μελέτες. "Και αυτό συμβαίνει συνήθως στην επιστήμη:Όταν έχεις κάτι όμορφο, οι άνθρωποι του αποδίδουν μεγάλη σημασία και κεντρική θέση."

Αλλά η έλλειψη μιας κρυσταλλικής δομής πυροδότησης κυψελών πλέγματος σε τρεις διαστάσεις «σας αναγκάζει να κάνετε λίγο πίσω και να πείτε, εντάξει, έχω εμποτίσει αυτό το συγκεκριμένο δίκτυο με πάρα πολλές δυνατότητες;» είπε.

Πρώτον, τα αποτελέσματα υποδηλώνουν ότι ο εγγενής χάρτης του εγκεφάλου του διαστήματος δεν είναι τόσο ακριβής μετρικός όσο θα τον έλεγαν ορισμένα μοντέλα — τουλάχιστον όχι σε φυσικά περιβάλλοντα, όπου εμπόδια, ορόσημα και άλλες πολυπλοκότητες επηρεάζουν το τοπίο. Αντί να σχεδιάσει ακριβείς γεωμετρικές σχέσεις μεταξύ σημείων αναφοράς, ο νοητικός χάρτης μπορεί να δημιουργήσει ευρύτερες συνδέσεις - «ένα χαλαρό είδος μέτρησης που πρέπει να επιβληθεί στον κόσμο», είπε ο Jeffery. Από αυτό, «μπορούμε να δημιουργήσουμε τοπολογικές σχέσεις και σχέσεις γειτνίασης και ούτω καθεξής». Ο Frank το παρομοιάζει με έναν χάρτη του μετρό μιας πόλης, ο οποίος δίνει μια αίσθηση συνδεσιμότητας και μια ιδέα σχετικών, αλλά όχι απολύτως ακριβών αποστάσεων, αντί να έχει ένα πραγματικό GPS.

Αυτό είναι βέβαιο ότι θα επηρεάσει τον τρόπο με τον οποίο σκέφτονται οι επιστήμονες για την ολοκλήρωση της διαδρομής, την ικανότητα ενός ζώου να λέει ακριβώς πού βρίσκεται στο διάστημα σε σχέση με την αρχική του θέση χωρίς τη βοήθεια εξωτερικών ενδείξεων - μια ικανότητα που συχνά αποδίδεται σε κύτταρα πλέγματος. Η ενσωμάτωση διαδρομής θεωρείται επίσης ότι επιτρέπει στα ζώα να υπολογίζουν νέες συντομεύσεις, να βρίσκουν το δρόμο για το σπίτι τους σε μεγάλες αποστάσεις και πολλά άλλα. Αλλά όλες αυτές οι υποθέσεις υποθέτουν ότι τα κύτταρα πλέγματος χαρτογραφούν τοπία με τέλεια περιοδικότητα, σημειώνει ο Ulanovsky. "Αν δεν είναι τέλειο, τότε όλη αυτή η ιδέα καταρρέει ... και δεν μπορείτε πλέον να κωδικοποιήσετε τη θέση σας με δυναμισμό χρησιμοποιώντας τα τρέχοντα μοντέλα κυψελών πλέγματος", είπε.

Τουλάχιστον, λοιπόν, τα νέα αποτελέσματα εγείρουν ερωτήματα σχετικά με τους προτεινόμενους μηχανισμούς εκτίμησης απόστασης και ολοκλήρωσης διαδρομής βάσει πλέγματος. «Πρέπει να εξετάσουμε πώς λειτουργεί αυτό χωρίς αυστηρή εξαγωνική περιοδικότητα ή να ξανασκεφτούμε τι λειτουργία εκτελούν συνολικά τα κύτταρα του πλέγματος», είπε ο Roddy Grieves, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Dartmouth College που εργάστηκε στο παρελθόν στο εργαστήριο του Jeffery και ο πρώτος συγγραφέας της πρόσφατης εργασίας τους. /P>

Ορισμένα μοντέλα που απεικονίζουν τον τρόπο με τον οποίο τα ζώα πλοηγούνται προς στόχους και σε μεγάλες αποστάσεις ενδέχεται επίσης να χρειάζονται ενημέρωση. Η Ila Fiete, νευροβιολόγος στο McGovern Institute for Brain Research στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης, που έχει κάνει θεωρητικές εργασίες μοντελοποίησης σε κώδικες πλέγματος, εικάζει ότι η έλλειψη παγκόσμιας δομής στην τρισδιάστατη δραστηριότητα των κυττάρων πλέγματος θα μπορούσε να σημαίνει ότι ο εγκέφαλος αντιπροσωπεύει υψηλότερες διαστάσεις πολύ διαφορετικά από τις επίπεδες επιφάνειες. «Όταν είστε σε τρισδιάστατες και υψηλότερες διαστάσεις, ίσως δεν δημιουργούμε μια συνεχή, απρόσκοπτη αναπαράσταση ολόκληρου του χώρου», είπε. "Ίσως ο εγκέφαλος χρησιμοποιεί απλώς μια εντελώς διαφορετική στρατηγική."

Μετακίνηση πέρα ​​από το πλέγμα

Οι υποθέσεις σχετικά με τη δραστηριότητα των κυψελών πλέγματος και τις σχετικές λειτουργίες του περιλαμβάνουν γενικά μοντέλα «συνεχούς ελκυστήρα» στα οποία κάθε κύτταρο πλέγματος επιδιώκει να ενεργοποιηθεί ενώ καταστέλλει τους γείτονές του. Σε 2D, αυτό οδηγεί στο παρατηρούμενο εξαγωνικό μοτίβο τμημάτων τοπικής διέγερσης που περιβάλλονται από δίσκους αναστολής. Αλλά αυτά τα μοντέλα δεν προβλέπουν την κατανομή της περιοδικότητας σε τρεις διαστάσεις. «Είναι αρκετά άκαμπτοι ως προς τον τρόπο δικτύωσης των κυψελών πλέγματος και τις ρυθμίσεις που μπορούν να λάβουν τα πεδία πυροδότησης τους», είπε ο Grieves. "Τα τρισδιάστατα δεδομένα μας, σε συνδυασμό με τα δεδομένα από ιπτάμενες νυχτερίδες, θέτουν μεγάλες αμφιβολίες για αυτά τα μοντέλα."

Οι περισσότεροι επιστήμονες πιστεύουν ότι τα μοντέλα μπορούν ακόμα να λειτουργήσουν - αλλά ότι θα πρέπει να προσαρμοστούν για να ταιριάζουν στις νέες τρισδιάστατες παρατηρήσεις. Η ομάδα του Ulanovsky έχει προτείνει κάποιες πρόσθετες δυναμικές για να καθοδηγήσει αυτή την προσαρμογή και τώρα συνεργάζεται με θεωρητικούς σε ένα νέο μοντέλο στο οποίο η παγκόσμια εξαγωνική τάξη αναδύεται σε 2D αλλά όχι 3D.

Εν τω μεταξύ, για να σώσει το πλαίσιο του 2D ελκυστήρα, η Fiete, ο μεταδιδακτορικός της Mirko Klukas και οι συνάδελφοί τους έχουν προτείνει ένα νέο μοντέλο - ένα για το οποίο η Fiete βλέπει στοιχεία σε ορισμένα από τα ευρήματα του Ulanovsky και του Jeffery. Ακόμη και πριν από τη δημοσίευση των νέων αποτελεσμάτων, η Fiete ήταν δύσπιστη για τα μοντέλα που γενίκευαν τις καταστάσεις 2D ελκυστήρα σε τρεις διαστάσεις, επειδή ήταν τόσο βιολογικά δαπανηρές:Η λήψη ωραίων μοτίβων σε 3D, σύμφωνα με τους υπολογισμούς της, θα απαιτούσε πολύ περισσότερα κύτταρα πλέγματος από ό,τι διαθέτει ο ενδορινικός φλοιός. . Επιπλέον, η κατασκευή ενός τρισδιάστατου δικτύου θα απαιτούσε πολύ διαφορετική συνδεσιμότητα από ένα 2D.

Αυτή και ο Κλούκας σκέφτηκαν μια εναλλακτική ιδέα παρόμοια με την ανακατασκευή ενός τρισδιάστατου αγάλματος από ένα σωρό φωτογραφίες που τραβήχτηκαν από διαφορετικά πλεονεκτήματα. Ορισμένα σύνολα κυψελών πλέγματος λειτουργούν ως ένα δισδιάστατο κομμάτι του τρισδιάστατου χώρου. Άλλα σύνολα κελιών πλέγματος κάνουν το ίδιο πράγμα, αλλά σε διαφορετική γωνία. Μαζί, σχηματίζουν πολλές τεμνόμενες στήλες δραστηριότητας πλέγματος εντός του ενδορινικού φλοιού και άλλα κύτταρα συνδυάζουν αυτές τις αποκρίσεις — κάτι που αποδίδει τοπική αλλά όχι παγκόσμια δομή, όπως ακριβώς βρήκε η ομάδα του Ulanovsky.

Αυτό το μοντέλο έχει το πλεονέκτημα ότι συνεχίζει να βασίζεται σε κλασικές θεωρίες δικτύων ελκυστήρων, ολοκλήρωσης διαδρομής και ούτω καθεξής. «Απλώς επαναχρησιμοποιείτε το ίδιο ακριβώς δίκτυο, την ίδια συνδεσιμότητα, τα ίδια όλα», είπε ο Fiete. «Δεν ξανακάνεις τίποτα. Δεν υπάρχει κανένα γενικό κόστος και μπορείτε ακόμα να αναπαραστήσετε 3D" — ή, σύμφωνα με το μοντέλο, 4D ή 5D ή υψηλότερο.

Άλλοι επιστήμονες πιστεύουν ότι κάτι άλλο συμβαίνει εντελώς. Ανεξάρτητα από αυτό, "Είμαι ενθουσιασμένος που βλέπω την επόμενη γενιά μοντέλων να γεννιέται από αυτό", είπε ο Grieves.

Και το βασικό στοιχείο παραμένει αληθινό:ότι «στη φύση, πιθανώς, το μοτίβο δεν κρυσταλλώνεται πολύ τακτοποιημένα τις περισσότερες φορές», είπε ο Jeffery. "Δεν νομίζω ότι είναι μια φυσική κατάσταση για ένα κελί πλέγματος."

«Έχουμε γοητευτεί λίγο από τη χωρική κανονικότητα που βλέπουμε στα κελιά πλέγματος, αλλά αυτό είναι απλώς ένα παράπλευρο ζήτημα, πραγματικά», πρόσθεσε. "Δεν είναι το πιο ενδιαφέρον πράγμα γι 'αυτούς."

Η τέλεια κανονικότητα έχει σημασία

Αλλά αν η παγκόσμια κανονικότητα δεν είναι το κοινό καθοριστικό χαρακτηριστικό των κυψελών πλέγματος σε διαφορετικές περιστάσεις, οι επιστήμονες έχουν εκτεταμένες απόψεις για το τι είναι. Ο Ουλανόφσκι, για παράδειγμα, πιστεύει ότι είναι οι χαρακτηριστικές αποστάσεις μεταξύ των πεδίων πυροδότησης των κυττάρων που παρατήρησε η ομάδα του. Ο Jeffery πιστεύει ότι είναι ο διακριτός τρόπος με τον οποίο πυροδοτούνται τα κύτταρα:Ακόμα κι αν δεν είναι τελείως περιοδικός, θα μπορούσε να επιτρέψει στον εγκέφαλο να διατηρεί χωριστές χωρικές (και ίσως πιο αφηρημένες) αναπαραστάσεις. Το Fiete δίνει έμφαση στην ικανότητα των κυψελών πλέγματος να ενσωματώνουν πληροφορίες σχετικά με την κίνηση και την ταχύτητα.

Ο Έντβαρντ Μόζερ, νευροεπιστήμονας στο Νορβηγικό Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας και ένας από τους βραβευμένους με Νόμπελ ανακάλυψε τα κύτταρα πλέγματος, πιστεύει ότι η παγκόσμια τάξη και η περιοδικότητά τους είναι ακόμα σε μεγάλο βαθμό αυτό που τα καθορίζει. Αυτός και οι συνάδελφοί του έδειξαν πρόσφατα ότι ακόμη και τα κελιά πλέγματος που φαίνεται να ενεργοποιούνται σε παραμορφωμένα, μη περιοδικά μοτίβα σε 2D διατηρούν τους ίδιους συσχετισμούς με άλλα κύτταρα πλέγματος σε διαφορετικά περιβάλλοντα και εγκεφαλικές καταστάσεις, διατηρώντας ένα εγγενές πλέγμα.

«Νομίζω ότι η δραστηριότητα της εσωτερικής δομής είναι πάντα ακριβής», είπε ο Moser. "Είναι κάτι σχετικά με τη χαρτογράφηση στο περιβάλλον που δεν είναι τόσο ακριβές."

Παρομοίως, η Lisa Giocomo, νευροεπιστήμονας στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ, πιστεύει ότι η διάσπαση της δομής μεγάλης εμβέλειας στη δραστηριότητα των κυττάρων πλέγματος υποδηλώνει ότι τα κύτταρα μπορεί να κωδικοποιούν μεταβλητές εκτός από τη θέση του χώρου, όπως μια οπτική ένδειξη ή τη θέση του ματιού του ζώου ως ερευνά το περιβάλλον. "Αν ήξερες ποια ήταν αυτή η λανθάνουσα μεταβλητή, μπορεί να δεις περισσότερη δομή", είπε.

Στην πραγματικότητα, τα αποτελέσματα υποδηλώνουν όχι μόνο ότι τα κελιά πλέγματος ενδέχεται να κωδικοποιούν πρόσθετες, μη χωρικές μεταβλητές, αλλά ότι μπορεί επίσης να παίζουν μεγαλύτερο ρόλο σε μη χωρικές διεργασίες - ιδιαίτερα στη μνήμη. Συνήθως, η μνήμη είναι η αρμοδιότητα του ιππόκαμπου, ο οποίος δεσμεύει ροές πληροφοριών από διάφορες περιοχές του εγκεφάλου για να δημιουργήσει αναπαραστάσεις προηγούμενων εμπειριών και γενικών γνώσεων. Ένα από αυτά τα ρεύματα πληροφοριών, που ίσως παρέχει ένα χωρικό συστατικό για τις αναμνήσεις, προέρχεται από τον ενδορινικό φλοιό και τα πλέγμα κύτταρα του. "Υπάρχει ένας καταμερισμός της εργασίας", δήλωσε ο Federico Stella, νευροεπιστήμονας στο Ινστιτούτο Donders για τον Εγκέφαλο, τη Γνωστική και τη Συμπεριφορά στην Ολλανδία.

Αλλά «αν αυτά τα κελιά πλέγματος δεν είναι τόσο τέλεια… λασπώνουν τα νερά», πρόσθεσε. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η Stella προτιμά μια διαφορετική ερμηνεία των ευρημάτων του Ulanovsky και του Jeffery:ότι τα κελιά πλέγματος ενδέχεται να διαδραματίσουν έναν πιο αναπόσπαστο ρόλο στον σχηματισμό, την επεξεργασία και την ενοποίηση της μνήμης από ό,τι τους αναγνωρίζεται συνήθως. «Μπορεί κανείς να σκεφτεί τον έσω ενδορινικό φλοιό ως ένα δικό του σύστημα μνήμης», είπε.

Αυτό ανοίγει την πιθανότητα ότι και άλλες περιοχές του εγκεφάλου θα μπορούσαν να επεξεργάζονται μνήμες παράλληλα - ότι η ροή τέτοιων πληροφοριών είναι πολύπλοκη και μπορεί να περιλαμβάνει άλλους τύπους νευρώνων που δεν έχουν τραβήξει τόση προσοχή όσο τα κύτταρα πλέγματος. Υπονοεί επίσης ότι άλλες διαδικασίες μνήμης, συμπεριλαμβανομένης της επανάληψης και της επανενεργοποίησης στον ιππόκαμπο, μπορεί να χρειαστεί να γίνουν κατανοητές στο πλαίσιο του ενδορινικού φλοιού και των κυττάρων του πλέγματος.

Η απομάκρυνση από το να σκεφτόμαστε την περιοδική εξαγωνικότητα των κελιών πλέγματος θα μπορούσε να οδηγήσει σε πολλές πιο σημαντικές πληροφορίες. Όμως, ενώ «είναι αλήθεια ότι η προσήλωσή μας στην αναζήτηση της τέλειας κανονικότητας σίγουρα θα μπορούσε να μας είχε οδηγήσει να χάσουμε κάποια πράγματα», είπε ο Fiete, «νομίζω ότι η περιοδικότητα της απόκρισης του κελιού πλέγματος ήταν ένα δώρο». Επέτρεψε στους ερευνητές να περιορίσουν τα μοντέλα τους και να καθοδηγήσουν την αναζήτηση πιθανών μηχανισμών και λειτουργιών.

Και "φαίνεται πραγματικά να υποδηλώνει ότι το 2D είναι πολύ ιδιαίτερο, έτσι δεν είναι;" Προστέθηκε η Fiete. «Είναι κατά κάποιο τρόπο προνομιακό». Αυτό θα μπορούσε να οφείλεται στο ότι, ακόμη και όταν τα ζώα πλοηγούνται στον τρισδιάστατο χώρο, προσκολλώνται κυρίως σε κάτι που βρίσκεται κοντά σε ένα 2D αεροπλάνο:Ακόμη και οι νυχτερίδες και τα ψάρια προτιμούν τα ύψη ή τα βάθη στα οποία κινούνται. Τα ευρήματα 2D θα μπορούσαν επίσης να προσφέρουν μια ματιά στην προέλευση του συστήματος πλέγματος — σε ποια μέρη εξελίχθηκαν πρώτα και πώς το ίδιο σύστημα στη συνέχεια επιλέχθηκε για να σχηματίσει άλλες αναπαραστάσεις, με τροποποιήσεις.

«Ήταν πολύ σημαντικό να μάθουμε πρώτα ότι αυτά τα κύτταρα μπορούν να γίνουν πολύ τέλεια», είπε η Στέλλα. Τώρα, όμως, το θέμα είναι να αναρωτηθεί κανείς, «Τι μπορούν να κάνουν αυτά τα κύτταρα, ακόμη και χωρίς αυτό το επίπεδο συμμετρίας;»

Η νέα δουλειά σε 3D «σίγουρα δεν έκανε τη ζωή εννοιολογικά πολύ πιο εύκολη», είπε η Fiete - αλλά γι 'αυτήν, εκεί είναι η διασκέδαση. «Ο εγκέφαλος έχει τόσες πολλές εκπλήξεις για εμάς. Εδώ είναι αυτό το σύστημα που καταλαβαίνετε κάπως, και είναι τακτοποιημένο — και ο εγκέφαλος απλώς ρίχνει ένα curveball."

Σημείωση του συντάκτη: Ila Fiete , Λόρεν Φρανκ και Lisa Giocomo Οι έχουν λάβει χρηματοδότηση από το Ίδρυμα Simons, το οποίο χρηματοδοτεί επίσης το Το Quanta ως εκδοτικά ανεξάρτητο επιστημονικό περιοδικό. Οι αποφάσεις χρηματοδότησης δεν επηρεάζουν τη συντακτική κάλυψη.