Клетки места (продолжение). Клетки направления головы (head direction system)

Обучение в условиях конфликта зрительной и обонятельной информации
Muzzio et al. (2009). PLoS Biol 7(6): e1000140.
Целевая кормушка определяется по запаху
Целевая кормушка определяется по зрительным ориентирам на стенке
Мыши C57BL/6
15’
2’

Обучение по стабильным зрительным ориентирам, стабильные поля разряда PC, несмотря на изменение положения запахов
Нейрон А и нейрон В (поле CA1)

Дезорганизация полей разряда PC, появление дополнительных полей в области кормушки с целевым запахом

Феномен “replay” и память
Что показывает одновременная регистрация активности многих клеток места

Ансамбли клеток поля CA1 гиппокампа, реконструкция траектории передвижения крысы
Поля разрядов ансамбля клеток места

Так как клетки места гиппокампа активируются в определенных местах и в определенном порядке, то можно реконструировать местоположение и передвижение животного.
Эти «траектории» могут быть обнаружены в виде быстрых последовательностей активации тех же клеток, когда животное не двигается в состоянии спокойного бодрствования или спит (феномен replay)
Replay события синхронизированы с особой формой изменения ЭЭГ, появлением острых волн (sharp waves, “ripples” высокой частоты).

“Replay” – последовательное, организованное по времени повторное «проигрывание» активности группы нейронов гиппокампа в период низкой активности или сна животного.
Последовательность активации нейронов при replay соответствует прямой или обратной последовательности активации этих же клеток как клеток места при реальном передвижении животного.
При этом replay разворачивается намного быстрее, чем последовательная активация нейронов при реальном событии

Трек крысы (развертка по времени), красным отмечено поле разряда одной клетки места
Поля 19 клеток места, активирующихся на разных участках пути
Foster, Wilson, 2006

Reverse replay
Порядок разряда клеток обратный тому, что наблюдался при передвижении животного
Бег Остановка
Foster, Wilson, 2006
ripple

ripple
Животное передвигается по линейному треку, 13 клеток места последовательно активизируются. Replay (в течение 250 мс) наблюдали в двух вариантах : forward replay – в направлении будущего движения, и в обратном направлении reverse replay
Предполагается, что replay гиппокампальных клеток места – фундаментальный механизм обучения и памяти, который может быть в основе навигации и планирования.

Функциональная неоднородность гиппокампа вдоль септотемпоральной (рострокаудальной для грызунов) оси

Септальный полюс (ростральный =дорзальный гиппокамп)
Височный полюс (каудальный=вентральный гипокамп)
Гиппокамп вдоль рострокаудальной оси неоднороден по своим функциям

Поля гиппокампа (CA1, CA3 и зубчатая фасция), расположение на разных уровнях рострокаудальной оси

Молекулярные домены гиппокампа
Вид с латеральной стороны
Вид с медиальной стороны
Fanselow, Dong, 2010
C помощью набора генетических маркеров выявлены 3 домена:
Дорзальный (включает CA1d и CA3d)
Промежуточный (CA1i и CA3i)
Вентральный (CA1v и CA3v)
По маркерам различаются и поля CA1 и CA3

Молекулярные домены гиппокампа
Fanselow, Dong, 2010
C помощью набора генетических маркеров выявлены 3 функциональных домена:
Дорзальный (включает CA1d и CA3d) – больше связан с когнитивными функциями, обучением и памятью
Промежуточный (CA1i и CA3i) ????
Вентральный (CA1v и CA3v) – с эмоциями, мотивационным контролем

Основные связи в гиппокампальной формации
Зубчатая фасция
Медиальн. Латеральн. септум
Энторинальная кора

Парагиппокампальная область
PER – периринальная кора, POR – постринальная кора, EC – энторинальная кора
rs – rhinal sulcus, ринальная борозда
Witter, Amaral, 2004

LEA – латеральная энторинальная кора, MEA – медиальная энторинальная кора, PR=PER – периринальная кора, POR – постринальная кора, rs – ринальная борозда
кы
Отделы коры, непосредственно связанные с гиппокампом

Hartman, Lever, Burgess, O’Keefe, 2014

Топология проекций энторинальной коры (ЭК) в зубчатую извилину
A – полушария (мозжечок снят), MEA – медиальная ЭК, LEA – латеральная ЭК. B – схема ЭК, латеральная (LB), промежуточная (IB) и медиальная полоски (MB). C – схема зубчатой извилины (DG), s/d – септальный полюс, t/v – темпоральный полюс
Корковые входы в ЭК организованны по «полоскам». Ростральные 2/3 DG получают проекции из латеральной полоски ЭК, а более каудальные темпоральные области DG - от медиальной полоски ЭК
Kerr et al., 2007

Функциональная неоднородность гиппокампа
Bast, 2007

(Bast et al., 2009)
Области септальной и промежуточной части гиппокампа больше связаны с обработкой зрительной и пространственной информации
Функциональная неоднородность гиппокампа

Свойства клеток места в разных субрегионах гиппокампа вдоль септотемпоральной оси
Пространственно-специфичные нейроны обнаружены в промежуточной и вентральной части гиппокампа.
Характеристики клеток места отличаются в разных субрегионах
Пространственная избирательность снижается вдоль септотемпоральной оси, от ростральной до каудальной области гиппокампа грызунов.
Предполагается, что эти области гиппокампа по-разному контролируют пространственное поведение

Клетки места при передвижении по дорожке на большие расстояния
18 м
Kjelstrup et al., 2008

Характеристики клеток места вдоль септо-темпоральной оси гиппокампа
8 клеток места поля CA3 крысы, бежавшей по дорожке длиной 18 м.
Размеры поля разряда минимальны в септальной (ростральной) части и увеличиваются в средней и каудальной части.
Размеры поля разряда в ростральной части на дорожке больше, чем обычно наблюдали в стандартных аренах
Характеристики полей зависели от направления движения крысы.
Авторы предположили, что в гиппокампе пространственная информация кодируется с разной степенью разрешения.

Поля дорзального и вентрального гиппокампа различаются по пространственной специфичности

Особенности клеток места каудального (вентрального) гиппокампа
Клетки места каудального (вентрального) гиппокампа имеют более широкие поля разрядов (меньшую пространственную специфичность).
В радиальном лабиринте одна клетка избирательно разряжалась в концах радиального лабиринта, и только в том случае, когда крыса шла в направлении из центра
Клетка места рострального гиппокампа картировала место в одном из лучей лабиринта

Особенности клеток места каудального гиппокампа
Пирамидные клетки и, в меньшей степени, интернейроны специфически разряжались в рукавах без стенок. Такая специфичность проявлялась только при движении крысы от центра лабиринта.
Кодирование мотивационных и эмоциональных характеристик экспериментального пространства

Более каудально расположенные CA3 нейроны гиппокампа имеют большие поля, чем ростральные.
Обнаружено участие нейронов средней и каудальной области в контроле контекстных характеристик среды

Клетки дорзального гиппокампа сразу начинают избирательно активироваться в одном из контекстов
Клетки промежуточной и вентральной области гиппокампа обучаются точно кодировать контекст, но обладают меньшей пространственной избирательностью
Начало обучения
Последний этап обучения
dCA3
vCA3

Исследование функциональной гетерогенности гиппокампа
K.V. Anokhin
R. Deacon (Oxford, UK)
V.M. Malygin
P. A. Kuptsov, лаборатория физиологии и генетики поведения каф. ВНД

Функциональные особенности каудальных областей гиппокампа грызунов (наши данные)
Картирование иммуногистохимическим методом (по уровню экспрессии с-Fos) активации разных областей гиппокампа вдоль септотемпоральной (рострокаудальной) оси после обследования мышами и полевками нового радиального лабиринта или арены «открытого поля».

Области каудального гиппокампа значительно активировались у мышей и полевок, исследовавших арену или лабиринт (Купцов и др. 2005; Купцов, 2006, Купцов, Плескачева, Анохин, 2012)
лабиринт
рукав

C57BL/6
Рыжая полевка
Активное передвижение животных по арене «открытого поля» увеличивает активацию средних и задних отделов гиппокампа лабораторных мышей и рыжих полевок
Купцов, 2006

Купцов, 2006
Введение новых зрительных ориентиров (синяя, красная и зеленая линия) усиливает активацию только в ростральных отделах поля CA3 мышей.
Области рострального и каудального гиппокампа по-разному участвуют в контроле пространственного поведения.
Область каудального гиппокампа особенно активируется при исследовательской активности животных
Плотность с-Fos положит. клеток

Клетки места у представителей других видов

Клетки места дорзального гиппокампа шиншиллы
Диам. 76 см
Muir et al., 2009
Отр. Грызуны, сем. Шиншилловые
Также как и у крыс, клетки места шиншиллы реагируют на изменение положения зрительного ориентиров

Клетки места у летучей мыши
Ulanovsky, Moss, 2007, 2011
Клетки регистрировали в септальной части поля CA1 у летучей мыши (Бурый кожан, Eptesicus fuscus, вес 15-17г ) в камере 70х70 см. Мышь ползала по арене, наклоненной под углом 70 градусов, и собирала мучных червей.
Образцы клеток места
Также как и у грызунов, при неизменности среды, сохраняется стабильность разряда клеток места

Форма поля разряда клетки места и биология вида
Ulanovsky 2011
Hayman et al., 2011
???
Будет ли сферическим поле разряда клетки места у летучей мыши в полете?
Nachum Ulanovsky,
Depart. of Neurobiology, Weizmann Institute of Science, Israel
http://www.youtube.com/watch?v=jwPrn2Pa-Q0

Объемные поля клеток места в гиппокампе крыланов в полете
Yartsev, Ulanovsky, 2013
Клетки места (CA1) были активны в ограниченном 3D пространстве. Размер поля 0.5-2 м.
Все три оси кодировались со сходным разрешением.

Клетки места, зависимость от направления головы (направления движения)
Rubin, Yartsev, Ulanovsky, 2014
Бурый кожан, Eptesicus fuscus
Египетская летучая собака,
Rousettus aegyptiacus
A, B - Клетки места, активность которых сильно зависит от направления головы
G - Клетка места с низкой зависимостью от направления головы

Клетки места, зависимость от направления головы (направления движения)
Rubin, Yartsev, Ulanovsky, 2014
Клетка поля CA1 летучей мыши.
Клетка активна, когда мышь ползет (голова направлена) в Северном направлении

Кодирование пространства у обезьян
Саймири свободно передвигались по камере (1.5 х 1.5 х 1.2), собирали фрукты, прикрепленные на стенах камеры
Ludvig et al., 2004
В поле CA1 обнаружены пространственно специфичные клетки

Гиппокамп у мыши и голубя
Butler et al., 2006

Пространственно-специфичные клетки гиппокампа почтового голубя
Siegel, J. J., Nitz, D., & Bingman, V. P. (2005). Spatial specificity of single-units in the hippocampal formation of freely moving homing pigeons. Hippocampus, 15, 26-40.

Человек
(пациенты с вживленными по медицинским показаниям электродами в область эпилептического очага)
Путешествие по виртуальному городу (игра Yellow Cab). Справа - вид сверху, красным выделены целевые объекты
Поля клеток места гиппокампа при передвижении по виртуальному городу.
Jacobs et al., 2010

Области мозга, где обнаружены пространственно специфичные клетки
Гиппокамп (Аммонов рог, зубчатая фасция) Субикулюм
Энторинальная кора

Для успешной навигации в пространстве необходимо не только определение своего местоположения, но и контроль направления передвижения

Клетки направления головы (head direction cells, HD cells)

Парагиппокампальная область
PER – периринальная кора, POR – постринальная кора, EC – энторинальная кора
rs – rhinal sulcus, ринальная борозда
Witter, Amaral, 2004

Гиппокамп и соседние области
Witter, Amaral, 2004

Subiculum, pre- и parasubiculum
Крыса, горизонтальный срез переднего мозга, правое полушарие
Дорзальная часть пресубикулюма часто выделяют как постсубикулюм

Энторинальная кора (медиальная, MEA и латеральная, LEA)
Периринальная кора (A35 и A36)

Клетки направления головы
(HD, head direction cells)
Sharp, 2010
Частота генерации спайков зависит от направления головы животных в горизонтальной плоскости. Первоначально обнаружены в постсубикулуме (James Ranck, 1984), позднее такие клетки найдены в других структурах. Часто рассматривают комплекс таких структур как особую систему HEAD DIRECTION SYSTEM.

HD клетки, активность. Видео
Taube, 2007

Jeffrey Taube
Department of Psychological and Brain Sciences at Dartmouth
2005

Характеристики HD сигнала
Предпочитаемое направление
Направление головы, град
Частота разряда
HD клетка реагирует только на направление головы, независимо от местоположения животного и текущего поведения

HD клетки сначала были обнаружены в постсубикулуме, позже найдены в переднем дорзальном ядре таламуса (AND), каудальном латеральном дорзальном ядре таламуса, агранулярной и гранулярной области ретросплениальной коры (цингулярная кора), латеральных мамиллярных ядрах, дорзальном стриатуме, энторинальной коре и др.

Пути, связывающие структуры, где обнаружены HD клетки
Taube, Basset, 2003
Вестибулярные сигналы из MVN (мед. вестиб.ядро) поступают в n.prepositus, далее в дорз.тегменальное ядро (DTN), которое проецируется в латеральное мамилл.ядро (LMN), которое связано с передним дорзальным таламическим ядром (ADN). Оно дает проекции в постсубикулюм (PoS). Oc1 и Oc2 – зрительная кора,RsA и RsG – ретросплениальная кора.

Доля клеток, демонстрирующих HD свойста, в разных структурах мозга
Наиболее HD клетки представлены в переднем дорзальном ядре таламуса
Taube, 1998

Характеристики клеток направления головы в разных структурах мозга
Taube, Basset, 2003
Характеристики HD клеток могут различаться по частоте разряда, избирательности предпочитаемого направления.
Для клеток ADN показано, что их активность предшествует будущему направлению головы (на 25 мс), тогда как в субикулуме активность наиболее выражена при текущем направлении головы

Различия HD клеток в разных структурах мозга
В таламусе, в отличие от постсубикулума, «предпочитаемое» направление головы (максимальная частота разряда) изменялось в зависимости от того, в каком направлении (по- или против часовой стрелки) поворачивалась голова.

Зрительная информация и HD клетки
Taube, 2007
Изменение положения или исчезновение зрительного ориентира вызывает изменение предпочитаемого направления HD клетки

Влияние ограничения зрительной информации на предпочитаемое направление HD клетки
Goodridge et al., 1998 Крысам, предварительно ознакомленных с ареной, закрывали глаза маской и оценивали изменение HD сигнала (клетки постсубикулюма и ADN).
Предпочитаемое направление разряда сохранялось, но снижалась стабильность предпочитаемого направления.
2 возможные причины сохранения сигнала : внутренние стимулы, или внешние не зрительные стимулы

Влияние длительности экспозиции нового зрительного ориентира
Goodridge et al., 1998
Корректное переключение предпочитаемого направления HD клетки в соответствии с изменением на 90° положения зрительного ориентира возможно только после 8 минутной экспозиции среды.
1-3 мин было недостаточно для стабильного переключения по ориентиру.
Предполагается возможность быстрого обучения, ассоциации с ориентиром

Влияние «незрительной» информации
Вращение цилиндра(стенок) и пола арены на 90° вызывало соответствующее смещение предпочитаемого направления.
Возможное использование животными тактильной и обонятельной информации
Goodridge et al., 1998

Влияние звука
Goodridge et al., 1998
Эксперименты проводили в темноте, через колонку подавали звуковой сигнал (щелчок или белый шум).
Крысу вынимали, «раскручивали» в коробке, чтобы предотвратить использование внутренних стимулов.
Положение колонки меняли на 90 градусов и определяли предпочитаемое направление HD клетки
Перестановка звукового ориентира вызывала значительные изменения предпочитаемого направления разряда HD клетки, но это переключение не соответствовало измененному направлению звукового сигнала

Предпочитаемое направление HD контролируется не только внешними, но и внутренними стимулами (от самого животного)
При переходе крысы из знакомого цилиндрического отсека в новый (с иным расположением зрительного ориентира) сохраняется исходное предпочитаемое направление
Taube, Burton, 1995; Sharp, 2010

Предпочитаемое направление HD контролируется не только внешними, но и внутренними стимулами (от самого животного)
Крыс высаживали в арену с симметричными полосками на стенке.
Место выпуска каждый раз меняли. Предпочитаемое направление разряда оставалось стабильным относительно тела крысы
Taube, Burton, 1995; Sharp, 2010

Характеристики HD клеток
Разнообразные сенсорные сигналы могут определять предпочитаемое направление и изменять характеристики HD ответа
Также как и другие «пространственные» клетки, в ответ на изменение положения зрительного ориентира, HD могут изменить предпочитаемое направление в соответствии с новым местоположением ориентира
Формирование HD активности в отсутствии зрительной информации предполагает участие в этом процессе внутренних сигналов (вестибулярных, проприоцептивных, моторных)
Поддерживают стабильное направление, если среда неизменна
Мало зависят от местоположения животного
При движении животного разряжаются немного чаще, чем при неподвижности
Taube, 1998

Эффекты повреждений вестибулярной системы на HD клетки
Sodium arsanilate Eliminated HD signal (Stackman and Taube 1997)
Tetrodotoxin Eliminated HD (Stackman et al. 2002)
Inverted orientation
in microgravity Eliminated HD signal (Taube et al. 2004)
Inverted navigation Disrupted HD signal (Calton and Taube 2005)
Otolith dysfunction Degraded HD signal (Yoder and Taube 2009)
Passive rotation Post-rotational activation of HD cell Taube (2004)
Plugged semicircular
canal Eliminated directional tuning of HD cells (Muir et al. (2009)
Absence of horizontal canals Absence of HD cells (Taube and Valerio 2012)
Yoder, Taube, 2014

Эффекты временной вестибулярной инактивации (тетродотоксином) на клетки места dCA1 и HD клетки (постсубикулум)
Stackman, Clark, Taube, 2002
Отсутствие вестибулярной информации значительно нарушает функционирование клеток места гиппокампа и клеток направления головы

HD клетки и передвижение вверх ногами
Calton and Taube 2005
Чтобы получить корм в отсеке на полу, крыса должна перебежать туда по стене вверх, по потолку, по стене вниз (ABCDE или EDCBA)

При передвижении крысы по потолку HD сигнал (anterodorsal thalamic nucleus) пропадал у половины зарегистрированных клеток, у оставшихся – искажался.
HD system использует вестибулярные сигналы об угловой скорости поворота головы
Calton and Taube 2005

Клетки направления головы и вестибулярная система
Yoder, Taube, 2014
Клетки направления головы обнаружены в разных структурах мозга, куда приходит вестибулярная информация

Интеграция пути (path integration) и HD клетки
Stackman,…..Taube, 2003
Зрит. ориентиры
Крыс или выпускали из знакомого цилиндра в прямоугольный новый отсек, или перевозили на тележке

Предпочитаемое направление HD клеток у крыс, свободно передвигающихся или перевозимых на тележке в новый отсек
Stackman,…..Taube, 2003
HD клетки не сохраняют направление при пассивной транспортировке животного в новый отсек. Отсутствие света (не виден зрительный ориентир) затрудняет воспроизведение предпочитаемого сигнала в знакомом цилиндре.
Оба фактора (зрительный ориентир и внутренние сигналы передвигающегося животного) определяют стабильность воспроизведения HD сигнала

Клетки, сочетающие признаки клеток места и HD (Theta-Modulated Place-by-Direction Cells)
F. Cacucci, C. Lever, T. J. Wills, N. Burgess, and J. O’Keefe, 2004
Обнаружены в пре- и парасубикулюме крыс
Поле разряда в ключевом месте выражено наилучшим образом тогда, когда голова направлена в предпочитаемом направлении.
Интеграция «места» и направления движения

Влияние разрушений HD структур мозга на клетки места гиппокампа (dCA1)
Уменьшение пространственной специфичности и стабильности разряда PC .
Увеличивается дирекциональность PC
Calton et al., 2003
N=3
N=3
N=3

Влияние разрушений HD структур мозга на клетки места гиппокампа (dCA1)
Удаление postsubiculum (PoS) :
Нарушение точности переключения поля PC при передвижении зрительного ориентира. Потеря контроля, ассоциации с ориентиром
Calton et al., 2003

Трехмерное HD кодирование в мозге летучей мыши (Rousettus aegyptiacus)
Направление на горизонтальной плоскости – Azimuth
Угол между продольной осью субъекта и горизонтальной поверхностью – Pitch
Вращение - Roll

Типы HD клеток у летучих мышей
Активность зависит только от наклона над горизонтальной плоскостью
Взаимодействие факторов
Активность зависит только от азимута

«HD cells are similar to a compass in that their discharge is always tuned to a particular direction and can fire at any location provided the animal’s head is facing the correct direction. However, unlike a compass, HD cells are not dependent on the Earth’s geomagnetic field.» Taube, 2007
HD клетки похожи на компас тем, что их разряд всегда настраивается на определенное направление…
Однако в отличие от компаса HD клетки не зависят от магнитного поля земли.
Для всех ли животных???

Спасибо за внимание

Основные анатомические связи гиппокампа и парагиппокампальной области
Witter, 2010
PER и POR – периринальная и постринальная кора, LEC и MEC – латеральная и медиальная энторинальная кора

Изменение предпочитаемого направления HD постсубикулума на 90 градусов при повороте зрительного ориентира на 90 градусов
Golob, Wolk, Taube, 1998

Три проекции поля CA1
Дорзальная часть CA1
Промежуточная и вентральная часть CA1
CA1
Sub
EC
Ретросплениальная кора (Цингулярная кора)
Sub
EC
Зрительные, соматосенсорные, обонятельные, вкусовые, висцеральные корковые области, базолатеральный комплекс амигдалы, инсулярные и орбитальные области коры
Префронтальные, орбитальные, обонятельные области коры
Система свода
1
2
3

Ансамбли клеток поля CA1 гиппокампа, реконструкция траектории передвижения крысы
Поля разрядов ансамбля клеток места

Краткое содержание предыдущей серии…. Ч.1
1. Эдвард Толмен: идея когнитивной карты
1.1 Ментальное представление среды
1.2 Интегрирование информации о среде
1.3 В мозге существует «интегратор»
1.4 «Широкая» карта «..Эта карта, указывая маршруты, пути и взаимосвязи элементов окружающей среды, окончательно определяет, какие ответные реакции …будут выполняться животным»
1.5 «Широкая» карта дает возможность выбирать оптимальный путь с любых стартовых позиций , «узкая» карта при изменении условий среды становиться непригодной
2. O’Keefe, Nadel «Гиппокамп как когнитивная карта»
2.1 В гиппокампе функционирует система, создающая ментальное представление (когнитивную карту) среды. Гиппокамп как интегратор
2.2 Карты (представление набора связанных мест, части среды, гибкие, устойчивы к помехам) и маршруты (привязанность к специфическому сигналу или элементу среды, ригидны)

Когнитивные карты. Представления Толмена
В процессе обучения в мозге крысы образуется нечто подобное карте окружающей среды. …Крыса в процессе пробежки по лабиринту подвергается воздействию стимулов и в результате этого воздействия появляются ответные реакции. Однако вмешивающиеся мозговые процессы являются более сложными, более структурированными и часто, …более автономными, чем об этом говорят психологи, придерживающиеся теории «стимул-реакция»…
Поступающие стимулы перерабатываются в центральной диспетчерской в предполагаемую когнитивную карту окружающей среды. ..Эта карта, указывая маршруты, пути и взаимосвязи элементов окружающей среды, окончательно определяет, какие ответные реакции …будут выполняться животным.
Карты могут быть «узкие» (простой одиночный путь от данной позиции животного до цели и «широкие» (обширная область среды). Если стартовая позиция животного изменится, широкая карта позволит ему достаточно корректно перемещаться и выбрать оптимальный новый путь. …При изменении условий окружающей среды узкая карта окажется непригодной

Краткое содержание предыдущей серии…. Ч.2
2.3 Исследовательская активность – необходимый компонент построения и контроля карты
2.4 Клетки места – функциональные элементы карты
3. Клетки места (PC). Свойства
3.1 Пространство контролируется ансамблем клеток места (КМ
3.2 Картирование (Mapping) – формирование стабильных по положению в пространстве и частоте разряда полей PC в новой среде
3.4 Перекартирование (remapping) – изменение характеристик PC при изменениях в знакомой среде
3.5 Факторы внешней среды и внутренние сигналы (вестибулярные и кинестетические) могут влиять на характеристики PC

Place representation как часть когнитивной карты
Строятся с использованием двух типов стимулов :
На основе набора внешних стимулов среды
На основе внутренних стимулов от организма (dead reckoning=path integration), дополняющих информацию от набора внешних стимулов. Взаимодействие систем важно при движении организма.

Определение понятия «карты» по O’Keefe, Nadel,1978
The simplest definition of a map is that it is the representation (usually two dimensional) of a part of space. The constituents of space are places, and thus an alternative definition of a map is the representation of a set of connected places which are systematically related to each other by a group of spatial transformation rules.
Простейшее определение карты: это представление (обычно двухмерное) части пространства. Места – это компоненты пространства и, следовательно, альтернативное определение карты - это представление набора связанных мест
The location of an object in this space is … a function (although only indirectly) of the organism's movements in space relative to that object.
Местоположение объекта в локальном пространстве есть функция (хотя и не напрямую) передвижений организма в пространстве относительно этого объекта
КАРТИРОВАНИЕ ПРОИСХОДИТ ЧЕРЕЗ ПЕРЕДВИЖЕНИЕ

Когнитивные карты
(O’Keefe, Nadel, 1978)
«Когда животное двигается, «внутренняя навигационная» система будет переключать фокус возбуждения внутри карты к другим представлениям места, соответствующим другим местоположениям. Это предположительно происходит на основе информации о дистанциях, сгенерированной от сенсорных и моторных входов.»

История экспериментального изучения функций мозга
Jean Pierre Flourens (1794-1867)
Франция
Обнаружил анестезирующий эффект хлороформа
В 1825 г. Предложил экспериментальный метод удаления частей мозга у животных (кролики и голуби) для исследования локализации функций.
Разные части мозга (полушария, мозжечок, ствол ….) отвечают за разные функции.
Исследовал последствия повреждения полукружных каналов

Схема областей мозга, содержащих клетки, связанные с контролем навигации животного
ADN- передне-дорзальное ядро переднего таламуса, DTN – дорзальное тегментальное ядро, Ento.cortex – энторинальная кора, LDN –латеральное дорзальное ядро таламуса, LMN – латеральное маммилярное ядро, Post – постсубикулюм, Retro – ретросплениальная кора
Sharp, 2010

Пути, связывающие структуры, где обнаружены HD клетки
Taube, Basset, 2003
Вестибулярные сигналы из MVN (мед. вестиб.ядро) поступают в n.prepositus, далее в дорз.тегменальное ядро (DTN), которое проецируется в латеральное мамилл.ядро (LMN), которое связано с передним дорзальным таламическим ядром (ADN). Оно дает проекции в постсубикулюм (PoS). Oc1 и Oc2 – зрительная кора,RsA и RsG – ретросплениальная кора.

Навигация и вестибулярная система
Yoder, Taube, 2014

Отличия hd в разных структурах
Постсубикулуюм – есть реакция на место

When the shape of the animal's environment is
changed, for example, from a cylinder to a rec-
tangle, a cell's preferred direction frequently shifts
to a new direction without e€ecting its peak ®ring
rate or directional ®ring range (Taube et al., 1990b).
Sometimes a cell's preferred direction will be unaf-
fected by a change in the shape of one enclosure
(e.g., going from a cylinder to a square), but will be
a€ected when going to another shaped enclosure
(e.g., rectangle).
Taube, 1998

the hippocampus acts as a cognitive mapping system, which we shall call the locale system and which generates place hypotheses and exploration. Loss of this system forces an animal to rely on the remaining extra-hippocampal systems.
Система когнитивного картирования содержит карту для каждой среды, которая известна организму.
Гиппокамп действует как когнитивная картирующая система (называемая local system), которая генерирует представление о месте и исследовательскую активность
Потеря этой системы ведет к использованию животным оставшейся экстра-гиппокампальной системы

75 cm
220 cm
Лебедев, Плескачева, Анохин, ЖВНД, 2012
Ø 35см
Ø 75см
Ø 150см
Ø 220см
Размер арены влияет на характер передвижения мышей C57BL/6, увеличивается длина пути, вертикальная исследовательская активность, изменяется характер использования пространства и структура траектории
Эксперименты с аренами разных размеров

Размер арены влиял на интенсивность экспрессии с-Fos в каудальной области гиппокампа
Лебедев, 2012, Лебедев и др.
DG
CA1
CA3
220
35
75
75
150
150
220
35
Ø cm
Размер арены повлиял на интенсивность экспрессии с-Fos только в каудальной области гиппокампа. Наиболее высокая активность обнаружена у мышей, осваивавших пространства большого размера. Этот эффект отмечен во всех полях, однако оказался наиболее выражен в зубчатой фасции.
Ростр.
Кауд.
Плотность с-Fos позит. клеток
*
*
*
*
**
**
**

1st trial,
20 min
2nd trial,
20 min (ITI=24 h)
Small
Large
SS
SL
LL
LS
Apparatus: mice were tested in two open field arenas:
75 cm diameter (N(controls)=10, N(lesions)=10)
220 cm diameter (N(controls)=11, N(lesions)=12)
Эксперименты с повреждением каудального гиппокампа мышей

Частичное цитотоксическое билатеральное повреждение гиппокампа мышей с помощью введения NMDA было проведено до экспериментов
Эксперименты с повреждением каудального гиппокампа мышей

Частичное повреждение гиппокампа повлияло на интенсивность вертикальной активности при слабом воздействии на горизонтальную активность
Снижение числа вертикальных стоек в малом «открытом поле» ранее отмечено Р. Диконом при полном удалении гиппокампа мышей (Deacon et al., 2002).
Control (sham lesion)
Lesion

В большой арене частичное повреждение гиппокампа вызвало нарушение динамики угашения горизонтальной активности
1st trial
Arena: F(1,410)=406, p<.001
Group: F(1,410)=23.9, p<.001
ArenaXGroup: F(1,410)=5.7, p<.02

Повреждение гиппокампа изменило характеристики передвижения, особенно в большой арене
Мыши с поврежденным гиппокампом в большой арене больше передвигались вне зоны стенки арены, чем контрольные животные
Траектория передвижения оперированных мышей в большой арене была менее сегментирована
Повреждение гиппокампа снижало извилистость траектории

Удаление гиппокампа увеличило число скоростных протяженных сегментов у животных, передвигающихся в большой арене
+ - comparison with another arena
* - comparison with another group
Segment Analyzer (Anokhin, Mukhina, 2005)

Mice
Voles
Samples of animal tracks in large arena (diam. 220 cm), Segment Analyzer software (Anokhin, Mukhina). Red lines mark high-speed segments
Изменение сегментной структуры траектории при удалении каудального гиппокампа у мышей и рыжих полевок

Изменение характеристик сегментов пути после повреждения каудальной части гиппокампа у мышей: увеличивается доля протяженных высокоскоростных сегментов
Yellow area marks 95%-percentile for control group. The portion of segments located out of that area is higher in lesioned mice:
150 cm: p<0.05
220 cm: p<0.01
(Mann–Whitney
U-test)
Portion of segments out of yellow area in arena 220 cm:
5,8 % in controls
9,3 % in lesions

Выводы (Bast et al., 2009)
Thus, residual circuitry at the septal pole can ‘‘learn’’rapidly, but cannot alone translate a rapidly acquired place representation into appropriate behavior. Such translation…,requires the intermediate hippocampus, where substrates of rapid place learning converge with links to behavioral control functions.
Although rats with only the septal pole of the hippocampus were markedly impaired on the behavioral tests requiring rapid place learning, their residual hippocampal circuitry exhibited intact entorhinal-hippocampal plasticity and could rapidly, within one exposure to a novel environment, form accurate and stable place-related firing in CA1 pyramidal cells.

Особенности входов в разные области энторинальной коры
Корковые входы в ЭК организованны по «полоскам», особенно в медиальной энторинальной коре.
Латеральная полоска, которая иннервирует септальную область DG, получает полимодальную информацию зрительной и пространственной природы.
Средние и медиальные полоски, иннервирующие более темпоральные уровни DG получают входы от обонятельных областей