Jak mozek flexibilně přepíná mezi vnitřními mapami

Od svého objevu v roce 2004 byly buňky mřížky v mozku, které jsou důležité pro naši orientaci, považovány za druh „GPS v hlavě“. Vědci v německém výzkumném středisku pro rakovinu (DKFZ) a Heidelberg Fakultní nemocnice však nyní ukázali, že buňky mřížky fungují mnohem flexibilnější, než se dříve předpokládalo.

V experimentech s myší vědci zjistili, že buňky přizpůsobují svou aktivitu na různé referenční body v závislosti na situaci. Místo toho, aby poskytovali přísnou globální mřížku, přepínají dynamicky mezi různými referenčními rámci.

Schopnost orientovat se ve vesmíru a bezpečně se vrátit do výchozího bodu je zásadní pro přežití lidí a zvířat. Ať už hledá jídlo, turistiku nebo v každodenním životě, náš mozek neustále vytváří interní mapy, které nám ukazují cestu. Klíčovou roli hraje tzv. buňky mřížkyjehož objev byl oceněn Nobelovou cenou v medicíně v roce 2014. Tyto nervové buňky, které se nacházejí v oblasti mozku známé jako Entorhinální kůraOheň v pravidelném vzoru a byl dříve považován za druh „interního GPS“ se stabilními globálními souřadnicemi.

Výzkumný tým vedený Hannah Monyerovou a Kevinem Allenem v německém výzkumném centru pro rakovinu (DKFZ) a Heidelberg University Hospital nyní ukázal, že mřížky buňky nefungují tak rigidně, jak se předpokládalo po celá léta. Místo toho se flexibilně přizpůsobují a přepínají mezi různými referenčními systémy v závislosti na situaci. To objasňuje, že mozek se naviguje pomocí neměnné globální mřížky, ale pracuje s několika místními mapami, které jsou aktivovány v závislosti na daném úkolu.

Papír je Publikováno v časopise Neurověda přírody.

Myši v bludišti

Abychom tyto procesy podrobněji porozuměli, vědci vyvinuli pro myši zvláštní navigační úkol. Zvířata musela najít náhodně umístěný cílový objekt – malou páku – z bezpečného výchozího bodu.

Po stisknutí páky dostali odměnu a museli si najít cestu zpět domů. Tento úkol byl proveden jak ve světle, tak v úplné tmě. Mezitím vědci zaznamenali aktivitu tisíců nervových buněk v entorhinální kůře pomocí jemných elektrod a kombinovali to s moderními metodami umělé inteligence, aby se předpovídali signály pohybu v reálném čase.

Interní mřížka je přepnuta na nový referenční bod

Hodnocení ukázala, že známé pravidelné vzorce mřížky buněk mřížky během této úkoly zmizely. Místo toho buňky „ukotvily“ svou mřížku na různé referenční body: Během vyhledávání se orientovaly na výchozí poziceA po dosažení páky najednou přepnuli svou vnitřní mřížku na tento nový referenční bod. Toto rychlé přepínání mezi více mapami probíhá během několika sekund – dříve neznámý mechanismus. Tato flexibilní adaptace umožňuje najít cestu domů i bez externích orientačních bodů.

„Naše zjištění jsou v rozporu se současnými teoriemi o tom, jak buňky mřížky podporují navigaci. Naše data ukazují, že buňky mřížky fungují spíše jako lokální polohovací systém než GPS,“ vysvětluje vedoucí studie Allen.

Kromě toho vědci zjistili, že orientace vnitřních map se během delších vyhledávání mírně unášela. Překvapivě tento drift předpovídal směr, kterým se zvířata následně vydala na cestu domů.

„Naše výsledky ukazují, že mozek nemá tuhý navigační systém, ale používá vysoce flexibilní strategii k nalezení cesty v závislosti na kontextu,“ vysvětluje Monyer. „Tato znalost nám pomáhá pochopit, proč může být prostorová orientace narušena u nemocí, jako je Alzheimerova choroba – a jak by takové změny mohly být v budoucnu potenciálně detekovány.“