Naukowcy zwracają się ku danio pręgowanemu, aby odkryć sekrety komórek miejsca, które odgrywają kluczową rolę w tworzeniu mentalnych map przestrzeni, sieci społecznych i abstrakcyjnych relacji. Do tej pory komórki miejsca znajdowano tylko u ssaków i ptaków, pozostawiając pytanie, w jaki sposób inne gatunki wewnętrznie reprezentują świat zewnętrzny, w dużej mierze bez odpowiedzi. Zespół badaczy z Instytutu Cybernetyki Biologicznej Maxa Plancka znalazł teraz pierwszy przekonujący dowód na obecność komórek miejsca w mózgu maleńkiej larwy danio pręgowanego.
Kiedy eksplorujemy nieznane miasto, korzystamy z różnych wskazówek – punktów orientacyjnych, poczucia, jak daleko zaszliśmy w jednym kierunku, być może rzeki, której nie możemy przekroczyć – aby stworzyć wewnętrzną mapę naszego otoczenia. Głęboko w mózgu, w strukturze zwanej hipokampem, zestaw komórek miejsca odgrywa kluczową rolę w budowaniu naszych wewnętrznych map świata zewnętrznego. Te komórki miejsca aktywują się, gdy znajdujemy się w określonych miejscach w przestrzeni i mogą samoczynnie organizować się w szereg różnych map mentalnych.
Tyle wiadomo o ssakach, w tym o ludziach, a nawet o ptakach. Jednak istnienie komórek miejsca u innych gatunków jest kontrowersyjne. Grupa badaczy z Instytutu Cybernetyki Biologicznej Maxa Plancka w Tybindze (Niemcy), kierowana przez Jennifer Li i Drewa Robsona, znalazła teraz pierwszy rozstrzygający dowód na obecność komórek miejsca u danio pręgowanego.
Rejestrowanie całego mózgu podczas naturalnego zachowania
Naukowcy rejestrowali aktywność mózgu młodych danio pręgowanego, gdy badały swoje środowisko. Ryby te są całkowicie przezroczyste, gdy mają zaledwie kilka dni, co umożliwia zajrzenie do ich maleńkich mózgów, które zawierają tylko 100 000 komórek. Można nawet sprawić, aby pojedyncze aktywne neurony zaświeciły się, używając fluorescencyjnych wskaźników wapnia, ponieważ cała aktywność neuronalna jest związana z wahaniami stężeń jonów wapnia. Wcześniejszy kluczowy wynalazek Li i Robsona był niezbędny do obserwacji aktywności mózgu podczas nawigacji: mikroskopy śledzące, które poruszają się wraz ze swobodnie pływającymi rybami.
Wykorzystując ten eksperymentalny projekt, zespół przeanalizował, jakie informacje przestrzenne są kodowane w każdym neuronie w mózgu ryby. Zidentyfikowali populację około 1000 komórek miejsca u każdej ryby, z których większość aktywuje się tylko wtedy, gdy zwierzę znajduje się w określonym miejscu, podczas gdy kilka reaguje na więcej niż jeden obszar. „Łącznie populacja komórek miejsca koduje informacje przestrzenne” — wyjaśnia Jennifer Li. „Na podstawie wzorców aktywacji komórek miejsca byliśmy w stanie zdekodować lokalizację każdej ryby w czasie — z błędem zaledwie kilku milimetrów”.
Co uderzające, większość komórek miejsca znajdowała się w telencephalonie, obszarze przedniego mózgu danio pręgowanego, którego dokładna funkcja jest przedmiotem debaty od kilku dekad. „Wysoka koncentracja komórek miejsca w telencephalonie potencjalnie potwierdza długoletnie przypuszczenie, że ten obszar mózgu jest funkcjonalnym analogiem hipokampa ssaków w miniaturze” – komentuje Drew Robson.
Elastyczny mechanizm integrujący różne dane wejściowe
Jednak Li i Robson potrzebowali dodatkowych dowodów, aby stwierdzić, że zidentyfikowane przez nich komórki były rzeczywiście analogami komórek miejsca ssaków. Pierwszą cechą, którą należało przetestować, było to, czy komórki miejsca wykorzystują ruch własny czy zewnętrzne wskazówki. W odniesieniu do ludzkiego doświadczenia wskazówka taka jak „Idę prosto przed siebie szybkim tempem przez około minutę” opiera się na ruchu własnym, podczas gdy „Widzę Wieżę Eiffla” jest wskazówką zewnętrzną. W serii eksperymentów naukowcy manipulowali obydwoma źródłami informacji — wyjmując ryby z ich środowiska i umieszczając je z powrotem, usuwając punkty orientacyjne lub obracając komorę behawioralną. Odkryli, że ryby integrują zarówno wskazówki zewnętrzne, jak i ruch własny, aby tworzyć swoje wewnętrzne mapy — tak jak my.
Ryby nie tylko wydają się udoskonalać swoją mapę reprezentacji przestrzennej, gdy lepiej poznają nieznane środowisko, ale także potrafią dostosować się do zmian: wykorzystują te same obwody neuronowe, aby zapamiętać drugie środowisko. Po powrocie do swojego początkowego otoczenia nie muszą go mapować od podstaw, ale mogą częściowo odzyskać mapę reprezentacji, którą wcześniej utworzyły. W ten sposób populacja komórek miejsca wykazuje elastyczny system pamięci, co jest kolejną cechą charakterystyczną komórek miejsca ssaków.
Powstający organizm modelowy dla złożonej sieci neuronowej
Autorzy badania planują wykorzystać danio pręgowanego jako nowy organizm modelowy, aby rozwikłać tajemnice komórek miejsca. Oprócz roli w tworzeniu mentalnych map przestrzeni, komórki te są również kluczowe dla tworzenia map sieci społecznych i abstrakcyjnych relacji, a także dla pamięci i planowania. Podczas gdy komórki miejsca ssaków były intensywnie badane od czasu ich odkrycia nagrodzonego Nagrodą Nobla ponad 50 lat temu, naukowcy nadal nie rozumieją w pełni sieci neuronowych, które generują komórki miejsca, ani w jaki sposób wspierają one tak szeroki zakres funkcji mentalnych.
Głównym wyzwaniem była ogromna złożoność i rozmiar sieci komórek miejsca ssaków, co sprawia, że niezwykle trudno jest badać całą sieć jednocześnie. Natomiast mózg larwy danio pręgowanego jest jednym z najmniejszych układów biologicznych zdolnych do generowania komórek miejsca. Robson podsumowuje: „Używając tego nowego minimalnego modelu, przyszłe badania mogą potencjalnie śledzić wszystkie dane wejściowe do każdej komórki miejsca i tworzyć szczegółowe modele tego, w jaki sposób komórki miejsca nabywają wszystkie swoje unikalne właściwości”.
