Cella della griglia: cos’è, tipo di neurone

Una cellula della griglia è un tipo di neurone all’interno della corteccia entorinale che si attiva a intervalli regolari mentre un animale naviga in un’area aperta, consentendogli di comprendere la sua posizione nello spazio memorizzando e integrando informazioni su posizione, distanza e direzione. Le cellule della griglia sono state trovate in molti animali, inclusi ratti , topi , pipistrelli , scimmie e umani.

La traiettoria di un topo attraverso un ambiente quadrato è mostrata in nero. I punti rossi indicano le posizioni in cui una particolare cella della griglia entorinale ha sparato.

Le celle della griglia sono state scoperte nel 2005 da Edvard Moser , May-Britt Moser e dai loro studenti Torkel Hafting, Marianne Fyhn e Sturla Molden presso il Center for the Biology of Memory (CBM) in Norvegia. Hanno ricevuto il premio Nobel 2014 per la fisiologia o la medicina insieme a John O’Keefe per le loro scoperte di cellule che costituiscono un sistema di posizionamento nel cervello. La disposizione dei campi di fuoco spaziali, tutti a uguale distanza dai loro vicini, ha portato a ipotizzare che queste cellule codifichino una rappresentazione neurale dello spazio euclideo .La scoperta ha anche suggerito un meccanismo per il calcolo dinamico dell’auto-posizione basato su informazioni continuamente modificate su posizione e direzione.

Le celle della griglia derivano il loro nome dal fatto che collegando i centri dei loro campi di fuoco si ottiene una griglia triangolare.

Per rilevare l’attività delle cellule della griglia in un tipico esperimento sui ratti, un elettrodo in grado di registrare l’attività di un singolo neurone viene impiantato nella corteccia entorinale dorsomediale e raccoglie le registrazioni mentre il ratto si muove liberamente in un’arena aperta . I dati risultanti possono essere visualizzati contrassegnando la posizione del topo su una mappa dell’arena ogni volta che il neurone attiva un potenziale d’azione . Questi segni si accumulano nel tempo per formare un insieme di piccoli grappoli, che a loro volta formano i vertici di una griglia di triangoli equilateri.Il modello a triangolo regolare distingue le celle della griglia da altri tipi di celle che mostrano l’attivazione spaziale. Al contrario, se una cella di luogo dall’ippocampo di ratto viene visualizzato allo stesso modo, quindi i segni spesso individuano solo un ammasso (un “campo di posizionamento”) in un dato ambiente, e anche quando si vedono più ammassi, non c ‘è una regolarità percettibile nella loro disposizione.

Contesto della scoperta

Nel 1971, John O’Keefe e Jonathon Dostrovsky riportarono la scoperta di cellule di posizione nell’ippocampo di ratto , cellule che attivano potenziali d’azione quando un animale attraversa una specifica piccola regione di spazio, chiamata campo di posizione della cellula. Questa scoperta, sebbene inizialmente controversa, portò a una serie di indagini che culminarono nella pubblicazione nel 1978 di un libro di O’Keefe e della sua collega Lynn Nadel intitolato The Hippocampus as a Cognitive Map (una frase che compare anche nel titolo del articolo del 1971) – il libro sosteneva che la rete neurale dell’ippocampo istanzia le mappe cognitive come ipotizzato dallo psicologoEdward C.Tolman . Questa teoria ha suscitato molto interesse, e ha motivato centinaia di studi sperimentali volti a chiarire il ruolo dell’ippocampo nella memoria spaziale e nella navigazione spaziale.

Poiché la corteccia entorinale fornisce di gran lunga il più grande input all’ippocampo, era chiaramente importante comprendere le proprietà di attivazione spaziale dei neuroni entorinali. I primi studi, come Quirk et al.(1992), hanno descritto i neuroni nella corteccia entorinale come aventi campi di luogo relativamente grandi e sfocati. I Moser, tuttavia, pensavano che fosse possibile ottenere un risultato diverso se le registrazioni fossero state effettuate da una parte diversa della corteccia entorinale. La corteccia entorinale è una striscia di tessuto che corre lungo il bordo posteriore del cervello del ratto dal lato ventrale a quello dorsale. Studi anatomici avevano dimostrato che diversi settori della corteccia entorinale proiettano a diversi livelli dell’ippocampo: l’estremità dorsale della EC proietta all’ippocampo dorsale, l’estremità ventrale all’ippocampo ventrale. Ciò era rilevante perché diversi studi avevano dimostrato che le cellule posizionali nell’ippocampo dorsale hanno campi posizionali considerevolmente più nitidi rispetto alle cellule di livelli più ventrali. Ogni studio dell’attività spaziale entorinale prima del 2004, tuttavia, aveva fatto uso di elettrodi impiantati vicino all’estremità ventrale dell’EC. Di conseguenza, insieme a Marianne Fyhn, Sturla Molden e Menno Witter, i Moser si sono proposti di esaminare il fuoco spaziale dai diversi livelli dorsale-ventrale della corteccia entorinale. Hanno scoperto che nella parte dorsale della corteccia entorinale mediale (MEC), le cellule avevano campi di posizione nettamente definiti come nell’ippocampo, ma le cellule si attivavano in più punti. La disposizione dei campi di tiro mostrava accenni di regolarità, ma la dimensione dell’ambiente era troppo piccola perché la periodicità spaziale fosse visibile in questo studio. i Moser si sono proposti di esaminare il fuoco spaziale dai diversi livelli dorsale-ventrale della corteccia entorinale. Hanno scoperto che nella parte dorsale della corteccia entorinale mediale (MEC), le cellule avevano campi di posizione nettamente definiti come nell’ippocampo, ma le cellule si attivavano in più punti. La disposizione dei campi di tiro mostrava accenni di regolarità, ma la dimensione dell’ambiente era troppo piccola perché la periodicità spaziale fosse visibile in questo studio. i Moser si sono proposti di esaminare il fuoco spaziale dai diversi livelli dorsale-ventrale della corteccia entorinale. Hanno scoperto che nella parte dorsale della corteccia entorinale mediale (MEC), le cellule avevano campi di posizione nettamente definiti come nell’ippocampo, ma le cellule si attivavano in più punti. La disposizione dei campi di tiro mostrava accenni di regolarità, ma la dimensione dell’ambiente era troppo piccola perché la periodicità spaziale fosse visibile in questo studio.

La successiva serie di esperimenti, segnalata nel 2005, ha fatto uso di un ambiente più ampio, che ha portato al riconoscimento che le cellule stavano effettivamente sparando in uno schema a griglia esagonale. Lo studio ha mostrato che le cellule a livelli MEC simili da dorsale a ventrale avevano una spaziatura e un orientamento della griglia simili, ma la fase della griglia (l’offset dei vertici della griglia rispetto agli assi x e y) sembrava essere distribuita in modo casuale tra le cellule. Il modello di accensione periodica è stato espresso indipendentemente dalla configurazione dei punti di riferimento, nell’oscurità così come in presenza di punti di riferimento visibili e indipendentemente dai cambiamenti nella velocità e nella direzione dell’animale, portando gli autori a suggerire che le celle della griglia esprimessero una dinamica dipendente dall’integrazione del percorso calcolo della posizione dell’animale.

Per la loro scoperta delle celle a griglia, May-Britt Moser e Edvard Moser hanno ricevuto il Premio Nobel per la Fisiologia o la Medicina nel 2014 insieme a John O’Keefe.

Proprietà

Autocorrelogramma spaziale dell’attività neuronale della cella della griglia dalla prima figura.

Le celle della griglia sono neuroni che si attivano quando un animale che si muove liberamente attraversa un insieme di piccole regioni (campi di attivazione) di dimensioni approssimativamente uguali e disposte in una matrice triangolare periodica che copre l’intero ambiente disponibile. Le cellule con questo schema di attivazione sono state trovate in tutti gli strati della corteccia entorinale mediale dorsocaudale (dMEC), ma le cellule in diversi strati tendono a differire sotto altri aspetti. Lo strato II contiene la più grande densità di celle della griglia pura, nel senso che si attivano ugualmente indipendentemente dalla direzione in cui un animale attraversa una posizione della griglia. Le cellule della griglia degli strati più profondi sono mescolate con cellule congiuntive e cellule di direzione della testa(vale a dire negli strati III, V e VI ci sono celle con uno schema a griglia che si attivano solo quando l’animale è rivolto in una particolare direzione).

Le celle della griglia che giacciono l’una accanto all’altra (cioè le celle registrate dallo stesso elettrodo) di solito mostrano la stessa spaziatura e orientamento della griglia, ma i loro vertici della griglia sono spostati l’uno dall’altro da offset apparentemente casuali. Le celle registrate da elettrodi separati a distanza l’una dall’altra, tuttavia, mostrano spesso spaziature della griglia diverse. Le cellule che si trovano più ventralmente (cioè più lontane dal bordo dorsale del MEC) generalmente hanno campi di attivazione più grandi in corrispondenza di ciascun vertice della griglia e una distanza corrispondentemente maggiore tra i vertici della griglia. La gamma totale delle spaziature della griglia non è ben stabilita: il rapporto iniziale descriveva una gamma approssimativamente doppia di spaziature della griglia (da 39 cm a 73 cm) attraverso la parte quasi dorsale (25%) del MEC, ma ci sono indicazioni di una distanza notevolmente maggiore scale della griglia in più zone ventrali. Brunet al. (2008) hanno registrato celle della griglia da più livelli in ratti che correvano lungo una pista di 18 metri e hanno scoperto che la spaziatura della griglia si espandeva da circa 25 cm nei loro siti più dorsali a circa 3 m nei siti più ventrali. Queste registrazioni si estendevano solo per 3/4 fino alla punta ventrale, quindi è possibile che esistano griglie ancora più grandi. Tali rappresentazioni multiscala hanno dimostrato di essere informazioni teoricamente desiderabili.

L’attività delle celle della griglia non richiede un input visivo, poiché i modelli della griglia rimangono invariati quando tutte le luci in un ambiente sono spente. Quando sono presenti segnali visivi, tuttavia, esercitano un forte controllo sull’allineamento delle griglie: la rotazione di una scheda segnaletica sulla parete di un cilindro fa ruotare i motivi della griglia della stessa quantità. I modelli di griglia compaiono al primo ingresso di un animale in un nuovo ambiente e di solito rimangono stabili in seguito. Quando un animale viene spostato in un ambiente completamente diverso, le celle della griglia mantengono la loro spaziatura della griglia e le griglie delle celle vicine mantengono i loro offset relativi.

Interazioni con le cellule di posizione dell’ippocampo

Quando un ratto viene spostato in un ambiente diverso, i modelli di attività spaziale delle cellule di posizione dell’ippocampo di solito mostrano una “rimappatura completa” , ovvero il modello dei campi di posizione si riorganizza in un modo che non ha alcuna somiglianza rilevabile con il modello nell’ambiente originale. Se le caratteristiche di un ambiente vengono alterate in modo meno radicale, tuttavia, il modello del campo del luogo può mostrare un grado di cambiamento minore, denominato “rimappatura della velocità”, in cui molte cellule alterano le loro velocità di attivazione ma la maggior parte delle cellule mantiene i campi posizionati nelle stesse posizioni di prima. Questo è stato esaminato utilizzando registrazioni simultanee di cellule ippocampali ed entorinali e ha scoperto che in situazioni in cui l’ippocampo mostra la rimappatura della velocità, le celle della griglia mostrano schemi di attivazione inalterati, mentre quando l’ippocampo mostra una rimappatura completa, i modelli di attivazione delle celle della griglia mostrano spostamenti e rotazioni imprevedibili.

ritmicità theta

L’attività neurale in quasi ogni parte del sistema ippocampale è modulata dal ritmo theta ippocampale , che ha una gamma di frequenza di circa 6-9 Hz nei ratti. La corteccia entorinale non fa eccezione: come l’ippocampo, riceve input colinergici e GABAergici dall’area settale mediale , il controllore centrale di theta. Le cellule della griglia, come le cellule del luogo dell’ippocampo, mostrano una forte modulazione theta. Anche le cellule della griglia dello strato II del MEC assomigliano alle cellule del luogo dell’ippocampo in quanto mostrano la precessione di fase– cioè, la loro attività di picco avanza dalle fasi tardive a quelle iniziali del ciclo theta mentre un animale passa attraverso un vertice della griglia. Un recente modello di attività delle celle della griglia ha spiegato questa precessione di fase assumendo la presenza di una rete di attrattori unidimensionale composta da cellule stellate. La maggior parte delle celle della griglia dello strato III non procede in precessione, ma la loro attività di punta è in gran parte limitata a metà del ciclo theta. La precessione di fase delle cellule della griglia non è derivata dall’ippocampo, perché continua ad apparire negli animali il cui ippocampo è stato inattivato da un agonista del GABA.

Possibili funzioni

Molte specie di mammiferi possono tenere traccia della posizione spaziale anche in assenza di segnali visivi, uditivi, olfattivi o tattili, integrando i loro movimenti: la capacità di farlo è indicata in letteratura come integrazione del percorso. Numerosi modelli teorici hanno esplorato i meccanismi mediante i quali l’integrazione del percorso potrebbe essere eseguita dalle reti neurali. Nella maggior parte dei modelli, come quelli di Samsonovich e McNaughton (1997) o Burak e Fiete (2009), gli ingredienti principali sono (1) una rappresentazione interna della posizione, (2) rappresentazioni interne della velocità e direzione del movimento, e ( 3) un meccanismo per spostare la posizione codificata della giusta quantità quando l’animale si muove. Poiché le cellule nella MEC codificano informazioni sulla posizione (cellule della griglia) e sul movimento (cellule di direzione della testa e celle di posizione congiuntiva per direzione), quest’area è attualmente vista come il candidato più promettente per il luogo nel cervello in cui si verifica l’integrazione del percorso. Tuttavia, la questione rimane irrisolta, poiché negli esseri umani la corteccia entorinale non sembra essere necessaria per l’integrazione del percorso. Burak e Fiete (2009) hanno dimostrato che una simulazione computazionale del sistema di celle della griglia era in grado di eseguire l’integrazione del percorso con un alto livello di precisione. Tuttavia, lavori teorici più recenti hanno suggerito che le celle della griglia potrebbero eseguire un processo di riduzione del rumore più generale non necessariamente correlato all’elaborazione spaziale.

Hafting et al. (2005) hanno suggerito che un codice di luogo viene calcolato nella corteccia entorinale e immesso nell’ippocampo , che può creare le associazioni tra luogo ed eventi necessarie per la formazione dei ricordi.

Un reticolo esagonale.

In contrasto con una cella del luogo dell’ippocampo , una cella della griglia ha più campi di attivazione, con spaziatura regolare, che tassellano l’ambiente in uno schema esagonale. Le proprietà uniche delle celle della griglia sono le seguenti:

  1. Le celle della griglia hanno campi di fuoco dispersi nell’intero ambiente (in contrasto con i campi di posizionamento che sono limitati a determinate regioni specifiche dell’ambiente)
  2. I campi di tiro sono organizzati in un reticolo esagonale
  3. I campi di fuoco sono generalmente equidistanti, in modo tale che la distanza da un campo di fuoco a tutti e sei i campi di fuoco adiacenti sia approssimativamente la stessa (sebbene quando un ambiente viene ridimensionato, la spaziatura del campo può ridursi o espandersi in modo diverso nelle diverse direzioni; Barry et al. 2007)
  4. I campi di tiro sono posizionati in modo uguale, in modo tale che i sei campi vicini si trovino a incrementi di circa 60 gradi

Le celle della griglia sono ancorate a punti di riferimento esterni, ma persistono nell’oscurità, suggerendo che le celle della griglia possono far parte di una mappa dell’ambiente spaziale basata sull’auto-movimento.


https://en.wikipedia.org/wiki/Grid_cell

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