أين نحن إلى أين نحن ذاهبون

مثل نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) الموجود في هواتفنا وسياراتنا، يقوم النظام الموجود في دماغنا بتقدير مكاننا والمكان الذي ننوي الذهاب إليه، من خلال الجمع بين العديد من الإشارات المتعلقة بموقعنا ومرور الوقت. يقوم الدماغ بإجراء هذه الحسابات بشكل روتيني وبأقل جهد، لذلك نحن بالكاد ندركها على الإطلاق. فقط عندما نضيع أو عندما تضعف مهاراتنا الملاحية بسبب إصابة أو مرض تنكسي في الجهاز العصبي، فإننا ندرك ضمنيًا مدى أهمية نظام رسم الخرائط والملاحة هذا لوجودنا ذاته.

إن القدرة على فك رموز مكاننا وأين يجب أن نذهب أمر ضروري لبقائنا. وبدونها لن نتمكن من العثور على طعام أو التكاثر، مثلنا ومثل جميع الحيوانات الأخرى. وفي غيابه سننقرض جميعنا، ليس فقط الأفراد، بل الأنواع البيولوجية بأكملها.

ويتجلى تعقيد نظام الثدييات بشكل خاص عند مقارنته بأجهزة الحيوانات الأخرى. السعفة البسيطة، Caenorhabditis elegans، التي تحتوي على إجمالي 302 خلية عصبية، تتنقل بشكل حصري تقريبًا استجابةً لإشارات الرائحة، وتتحرك على طول مسار تمليه الزيادة أو النقصان في تركيز بعض الرائحة.

فالحيوانات التي تتمتع بأنظمة عصبية أكثر تعقيدًا، مثل نمل الصحراء أو نحل العسل، تجد طريقها بمساعدة استراتيجيات إضافية. إحدى هذه الطرق تسمى تكامل المسار، وهي آلية تشبه نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) حيث تقوم الخلايا العصبية بحساب الموقع بناءً على المراقبة المستمرة لاتجاه وسرعة حركة الحيوان بالنسبة لنقطة البداية - وهي مهمة تتم دون الرجوع إلى إشارات خارجية مثل المعالم المادية. في الفقاريات، وخاصة في الثدييات، فإن مجموعة السلوكيات التي تسمح للحيوان بوضع نفسه في بيئته تكون أوسع.

تعتمد الثدييات، أكثر من أي فئة أخرى من الحيوانات، على القدرة على إنشاء خرائط عصبية للبيئة: أنماط من النشاط الكهربائي في الدماغ تقوم خلالها مجموعات من الخلايا العصبية بإرسال إشارات كهربائية بطريقة تعكس الخطوط العريضة للبيئة والبيئة. مكانة الحيوان بداخله. الحكمة التقليدية هي أن إنشاء مثل هذه الخرائط الذهنية يحدث في القشرة الدماغية، وهي الطبقة العليا المتجعدة من الدماغ التي تطورت في وقت متأخر جدًا من التطور.

على مدى العقود القليلة الماضية، فهم الباحثون بعمق الطريقة التي ينشئ بها الدماغ هذه الخرائط ويغيرها أثناء حركة الحيوان. وكشفت أحدث الدراسات، والتي تم إجراء معظمها على القوارض، أن أنظمة الملاحة تتكون من عدة أنواع من الخلايا المتخصصة التي تحسب بشكل مستمر موقع الحيوان والمسافة المقطوعة واتجاه حركته وسرعة حركته. من خلال الجمع بين نشاط هذه الخلايا المختلفة، يتم الحصول على خريطة ديناميكية للمساحة المحلية، والتي لا تعمل فقط في وقت إنشائها، ولكن يمكن حفظها كذاكرة للاستخدام المستقبلي.

علم الأعصاب الفضاء

بدأ البحث في الخرائط المكانية للدماغ بعمل إدوارد ك. تولمان، أستاذ علم النفس بجامعة كاليفورنيا في بيركلي، في الأعوام 1918-1954. أظهرت الدراسات المختبرية التي أجريت على الفئران قبل بدء بحث تولمان أن الحيوانات وجدت طريقها حول البيئة، وتذكرتها، استجابة للمحفزات المتعاقبة التي تلقتها على طول طريق حركتها. فعندما تعلموا إدارة متاهة، على سبيل المثال، اعتقد الباحثون أنهم كانوا يستعيدون من الذاكرة تسلسل المنعطفات في المتاهة من البداية إلى النهاية. لم تأخذ هذه الفكرة في الاعتبار إمكانية أن يكون لدى الحيوانات في ذاكرتها صورة شاملة للمتاهة بأكملها والتي من شأنها أن تسمح لهم بالتخطيط للمسار الأفضل.

عارض تولمان الآراء التي تم قبولها في ذلك الوقت. لقد رأى الفئران تأخذ طرقًا مختصرة أو طرقًا التفافية، وهي حركات لم تكن متوقعة لو أنها تعلمت سلسلة طويلة واحدة فقط من السلوكيات. وبناءً على ملاحظاته، افترض أن الحيوانات تصنع خرائط ذهنية للبيئة تعكس الهندسة المكانية للعالم الخارجي. ولم تساعدهم هذه الخرائط المعرفية على إيجاد طريقهم فحسب؛ يبدو أنهم يسجلون معلومات حول الأحداث التي مرت بها الحيوانات في مواقع محددة.

ظلت أفكار تولمان، التي تم اقتراحها لأول مرة في عام 1930 تقريبًا، مثيرة للجدل لعقود من الزمن. وكان قبولها بطيئًا، ويرجع ذلك جزئيًا إلى حقيقة أنها كانت مبنية فقط على ملاحظات سلوك حيوانات التجارب، والتي يمكن تفسيرها بعدة طرق. لم يكن لدى تولمان المفاهيم ولا الأدوات اللازمة لدراسة مسألة ما إذا كانت الخريطة الداخلية للبيئة موجودة بالفعل في دماغ الحيوان.

ومرت أربعون سنة حتى تم الحصول على دليل مباشر على وجود مثل هذه الخريطة من دراسات النشاط العصبي. لقد أتاح تطور الأقطاب الكهربائية الدقيقة في الخمسينيات من القرن الماضي مراقبة النشاط الكهربائي للخلايا المفردة في دماغ الحيوانات غير المخدرة. أتاحت هذه الأقطاب الكهربائية الرفيعة بشكل لا يصدق للباحثين اكتشاف إرسال الإشارات، "المنطلقة" بلغة الباحثين، من الخلايا العصبية المفردة بينما كانت الحيوانات منخرطة في نشاطها الطبيعي. نقول عن الخلية العصبية إنها "تشتعل" عندما تولد جهد فعل: تغير قصير في انخفاض الجهد على جانبي غشاء الخلية. تتسبب إمكانات الفعل في إطلاق الخلايا العصبية لجزيئات الناقلات العصبية، التي تنقل الإشارات من خلية عصبية إلى أخرى.

استخدم جون أوكيف من جامعة كوليدج لندن أقطاب كهربائية دقيقة لمراقبة إمكانات العمل في قرن آمون الفئران، وهي منطقة من الدماغ كانت معروفة قبل سنوات عديدة بأهميتها في نشاط الذاكرة. في عام 1971، ذكر أن الخلايا العصبية في هذه المنطقة تنشط عندما يتم العثور على فأر كان في صندوق لفترة من الوقت في مكان معين، ونتيجة لذلك أطلق على هذه الخلايا العصبية اسم "خلايا المكان". لاحظ أوكيف أن خلايا الأماكن المختلفة أطلقت النار على أماكن مختلفة في الصندوق، ورأى أيضًا أن نمط إطلاق جميع الخلايا معًا أنشأ خريطة للأماكن في الصندوق. واستنادًا إلى مزيج نشاط العديد من خلايا المكان، كان من الممكن قراءة واستنتاج الموقع المحدد للحيوان في الصندوق في أي لحظة من الأقطاب الكهربائية. في عام 1978، اقترح أوكيف وزميلته لين نيدل، اللذان كانا يعملان في جامعة أريزونا، احتمال أن تكون خلايا المكان في الواقع جزءًا لا يتجزأ من الخريطة المعرفية التي تصورها تولمان في نظريته.

الخريطة القشرية

فتح اكتشاف الخلايا المكانية نافذة على أعمق أجزاء القشرة الدماغية (القشرة)، في المناطق الأبعد عن القشرة الحسية (مناطق القشرة التي تتلقى المدخلات من الحواس) والقشرة الحركية (المناطق التي تنتج إشارات لأداء الحركات أو التحكم في الحركة). في أواخر الستينيات عندما بدأ أوكيف عمله، لم يكن يُعرف سوى القليل جدًا عن توقيت بدء وتوقف نشاط الخلية العصبية، وكانت كل المعرفة مقتصرة فقط على المناطق التي تسمى القشرة الحسية الأولية، حيث يعتمد النشاط العصبي بشكل مباشر على المدخلات الحسية مثل الضوء والصوت واللمس.

اعتقد علماء الأعصاب في ذلك الوقت أن الحصين كان بعيدًا جدًا عن أعضاء الحواس ليتمكن من فهم كيفية معالجة المدخلات الحسية بمساعدة تسجيلات الأقطاب الكهربائية الدقيقة. إن اكتشاف الخلايا في الحصين التي خلقت خريطة للبيئة المباشرة للحيوان وضع حدًا لهذه التكهنات.

ومع ذلك، على الرغم من أن هذا الاكتشاف كان مثيرًا للإعجاب وأشار إلى الدور المهم الذي يمكن أن تلعبه خلايا المكان في الملاحة، إلا أنه لعقود من الزمن بعد الاكتشاف، لم يكن أحد يعرف ما هو هذا الدور. وكانت الخلايا المكانية موجودة في منطقة من الحصين تسمى CA1، وهي نقطة النهاية لسلسلة من الإشارات التي بدأت في مكان آخر في الحصين. لقد تم الافتراض بأن خلايا المكان تتلقى العديد من الحسابات المتعلقة بالتنقل من مناطق أخرى من الحصين. في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، قررنا تعميق البحث حول هذه الفكرة في المختبر الجديد الذي أنشأناه في الجامعة النرويجية للعلوم والتكنولوجيا في مدينة تروندهايم. أدى هذا العمل البحثي في ​​النهاية إلى اكتشاف عظيم.

بالتعاون مع مينو ويتر، الذي يعمل حاليًا في معهدنا، وبمساعدة مجموعة من الطلاب المبدعين بشكل خاص، استخدمنا أقطابًا كهربائية دقيقة لمراقبة نشاط خلايا المكان في قرن آمون الفئران، بعد إتلاف جزء من الدائرة العصبية المعروفة بـ نقل المعلومات إلى هذه الخلايا. لقد توقعنا أن يؤكد عملنا أهمية هذه الدائرة العصبية في الوظيفة الطبيعية لخلايا المكان. ولدهشتنا، استمرت الخلايا العصبية الموجودة على حافة الدائرة، في منطقة CA1، في إطلاق الإشارات حتى عندما وصلت الحيوانات إلى مواقع محددة. وكان الاستنتاج الحتمي الذي توصل إليه فريقنا هو أن خلايا المكان لم تعتمد على هذه الدائرة في الحصين لتقدير موقع الحيوان. بعد ذلك، تم توجيه انتباهنا إلى المسار العصبي الوحيد الذي لم يتأثر بتدخلنا: الاتصالات المباشرة لـ CA1 بالقشرة المخية الأنفية الداخلية، وهي منطقة قريبة توفر واجهة مع بقية القشرة الدماغية.

ينتج البشر والثدييات الأخرى خرائط داخلية للبيئة - وهي أنماط من النشاط العصبي التي تنشأ عندما تنشط خلايا الدماغ، وبالتالي تعكس مكان وجود الحيوان وكيف يتم وضعه بالنسبة لبيئته.

وفي عام 2002، أدخلنا أقطابًا كهربائية دقيقة في القشرة المخية الأنفية الداخلية، بالتعاون مع ويتر، وبدأنا في تسجيل النشاط بينما كانت الحيوانات تؤدي مهامًا مشابهة للمهام التي فرضناها عليها كجزء من عملنا على خلايا المكان. قمنا بتوجيه الأقطاب الكهربائية إلى منطقة من القشرة المخية الأنفية الداخلية التي لها اتصالات مباشرة مع أجزاء من الحصين وحيث تم تسجيل خلايا المكان في جميع الدراسات تقريبًا قبل دراستنا. اتضح أن العديد من الخلايا في القشرة المخية الأنفية الداخلية تنشط عندما يكون الحيوان في مكان معين في السياج، تمامًا مثل سلوك خلايا المكان في الحصين. ولكن على عكس الخلية المكانية، فإن خلية واحدة في القشرة المخية الأنفية الداخلية تطلق ليس فقط في مكان واحد وصل إليه القارض، ولكن في العديد من الأماكن.

لكن السمة الأكثر لفتًا للانتباه في هذه الخلايا هي الطريقة التي تنقل بها الإشارة الكهربائية. ولم يتضح لنا نمط نشاطهم إلا عندما قمنا في عام 2005 بزيادة مساحة المجمع الذي سجلنا فيه السجلات. وبعد توسيعها إلى حجم معين، وجدنا أن المواقع العديدة التي اشتعلت فيها الخلايا الشمية الأنفية شكلت رؤوسًا مسدسًا. عند كل قمة، تنطلق الخلية، التي أطلقنا عليها اسم الخلية الشبكية، عندما يمر الحيوان فوقها.

ويبدو أن الأشكال السداسية التي كانت تغطي كامل مساحة المجمع، كانت عبارة عن وحدات شبكة من الإحداثيات، تشبه المربعات التي تشكلها خطوط الطول ودوائر العرض على خرائط الطريق. أثار نمط الإطلاق احتمالية أن توفر الخلايا الشبكية، على عكس خلايا المكان، معلومات حول المسافات والاتجاهات، وتساعد الحيوان على تحديد مسار حركته مع الاعتماد على الإشارات الداخلية الناشئة عن حركات الجسم دون الاعتماد على المعلومات الواردة من البيئة.

تغيرت جوانب مختلفة من بنية الشبكة عندما قمنا بفحص نشاط الخلايا في أجزاء مختلفة من القشرة المخية الأنفية الداخلية. في الجزء الظهري، بالقرب من الجزء العلوي من بنية الدماغ، أنشأت الخلايا خريطة شبكية للمجمع الذي يتكون من أشكال سداسية كثيفة. نمت المسافات بين الأشكال السداسية في سلسلة من الخطوات، أو الوحدات، عندما تحركنا نحو الجزء السفلي أو البطني من القشرة الشمية الداخلية. في كل وحدة، تم تباعد الوحدات السداسية في شبكة الإحداثيات على مسافات مختلفة.

يمكن تحديد درجة التباعد بين خلايا الشبكة في الوحدات المتعاقبة من الاتجاه الظهري إلى الاتجاه البطني، عن طريق ضرب المسافة بين الخلايا في الوحدة السابقة بعامل ثابت قدره 1.4، وهو ما يقرب من الجذر التربيعي لـ 2. الوحدة الموجودة في الطرف العلوي من القشرة الشمية الأنفية، قام الجرذ بتنشيط خلية شبكية في أحد رؤوس الشكل السداسي، وكان عليه أن يمر ما بين 30 و 35 سنتيمترًا إلى الرأس المجاور. وفي الوحدة التالية أدناه، كان على الحيوان أن يتحرك مسافة تتراوح بين 42 و49 سنتيمترًا، وهكذا. في الوحدة السفلية، تزيد المسافة بين القمم إلى عدة أمتار.

لقد سببت لنا الخلايا الشبكية وتنظيمها الأنيق إثارة كبيرة. في معظم أجزاء القشرة الدماغية، تحتوي الخلايا العصبية على أنماط إطلاق تبدو مضطربة تمامًا ويصعب فك شفرتها، ولكن هنا، في أعماق القشرة، تم العثور على نظام من الخلايا يطلق إشارات بنمط منظم ويمكن التنبؤ به. كنا حريصين على استكشافهم. لكن هذه الخلايا وخلايا المكان لم تكن الوحيدة المشاركة في رسم الخرائط في عالم الثدييات. المزيد من المفاجآت كانت تنتظرنا.

وفي أواخر الثمانينات وأوائل التسعينات، وصف جيمس ب. رانك من مركز داونستيت الطبي التابع لجامعة ولاية نيويورك، وجيفري س. تاوب، الذي يعمل حاليا في كلية دارتموث، الخلايا التي تنشط عندما يستدير أحد القوارض في اتجاه معين. واكتشف رانك وتاوب مثل هذه الخلايا التي تشير إلى اتجاه دوران الرأس في منطقة تسمى presubiculum، وهي منطقة أخرى من القشرة الدماغية مجاورة للحصين.

وكشفت دراساتنا أن هذه الخلايا توجد أيضًا في القشرة المخية الأنفية الداخلية، عندما تكون منتشرة بين خلايا الشبكة. العديد من خلايا اتجاه الرأس الموجودة في القشرة المخية الأنفية الداخلية تعمل أيضًا كخلايا شبكية: الأماكن في المجمع التي أطلقت فيها الخلايا شكلت أيضًا شبكة، لكن الخلايا أصبحت نشطة في تلك الأماكن فقط عندما تم توجيه رأس الفأر في اتجاه معين. ويبدو أن هذه الخلايا قد زودت الحيوان بما يشبه البوصلة؛ ومن خلال تتبع الخلايا، كان من الممكن قراءة الاتجاه الذي كان يواجهه رأس الحيوان بالنسبة للبيئة في أي لحظة.

وبعد سنوات قليلة، في عام 2008، اكتشفنا نوعًا آخر من الخلايا في القشرة المخية الأنفية الداخلية. تطلق هذه الخلايا الحدودية النار كلما اقترب الحيوان من جدار أو حافة السياج أو أي عامل ترسيم آخر. يبدو أن هذه الخلايا تحسب مدى بعد الحيوان عن الحدود. خدمت هذه المعلومات خلايا الشبكة التي يمكنها استخدامها لتقدير المسافة التي قطعها الحيوان من الجدار أو الحدود، وقد تكون أيضًا بمثابة نقطة مرجعية يمكنها لاحقًا تذكير الفأر بالموقع العام للجدار.

وأخيرًا، في عام 2015، انضم نوع آخر من الخلايا إلى المشهد. لقد استجاب بشكل فريد لسرعة الجري، بغض النظر عن موقع الحيوان أو اتجاه سفره. وزاد معدل إطلاق هذه الخلايا العصبية بما يتناسب بشكل مباشر مع سرعة الحركة. في الواقع، يمكننا التحقق من مدى سرعة تحرك الحيوان في أي لحظة معينة فقط من خلال النظر إلى معدل إطلاق عدد صغير من الخلايا السريعة. بالإضافة إلى المعلومات الواردة من خلايا اتجاه الرأس، يمكن استخدام خلايا السرعة كموفر لخلايا الشبكة معلومات محدثة باستمرار، حيث تبلغ عن تحركات الحيوان - سرعته واتجاه حركته والمسافة من البداية نقطة.

شبكة للخلايا المكانية

لقد ولد اكتشاف الخلايا الشبكية من طموحنا للكشف عن أنواع المدخلات التي تسمح لخلايا المكان بتزويد الحيوان بصورة داخلية لبيئته. الآن نفهم أن خلايا المكان تجمع الإشارات الواردة من أنواع مختلفة من الخلايا الموجودة في القشرة المخية الأنفية الداخلية، بينما يحاول الدماغ متابعة المسار الذي يسلكه الحيوان ومعرفة أين يتحرك في البيئة التي يتواجد فيها. ولكن حتى هذه العمليات لا تزال غير كافية لتخبرنا كيف تتنقل الثدييات في طريقها.

ركزت دراساتنا الأولى على القشرة الوسطى، أي القشرة الداخلية الأنفية. قد تتلقى خلايا المكان أيضًا إشارات من القشرة الشمية الداخلية الجانبية، والتي تنقل المدخلات المعالجة من العديد من الأنظمة الحسية، بما في ذلك معلومات حول الروائح وهوية الأشياء في البيئة. من خلال الجمع بين أنواع المدخلات من القشرة الشمية الداخلية الوسطى والجانبية، تفسر خلايا المكان الإشارات القادمة من جميع أنحاء الدماغ. إن التفاعل المعقد الذي يحدث بين الرسائل التي تصل إلى الحصين، وإنشاء ذكريات خاصة بالموقع أصبح ممكنًا بفضله، كل ذلك لا يزال قيد الدراسة في مختبرنا وفي مختبرات أخرى، ولا شك أن هذا البحث سوف تستمر لسنوات عديدة قادمة.

ربما يمكننا أن نفهم كيف ترتبط الخرائط المكانية للقشرة المخية الأنفية الداخلية والحصين ببعضها البعض وتتيح لنا التنقل إذا سألنا عن مدى اختلافهما عن بعضهما البعض. أظهر جون كوبي والراحل روبرت هيو ماهلر، وكلاهما من مركز داونستيت الطبي التابع لجامعة ولاية نيويورك، في الثمانينيات أن خرائط الحصين التي تشكلها خلايا المكان يمكن أن تتغير تمامًا عندما ينتقل الحيوان إلى بيئة جديدة، حتى لو انتقل إلى حاوية ذات ألوان مختلفة في البيئة. نفس المكان، في نفس الغرفة.

كشفت التجارب التي أجريت في مختبرنا، على الفئران التي كانت تتجول أحيانًا عبر 11 حظيرة في سلسلة من الغرف المختلفة، أن كل غرفة أدت بسرعة كبيرة إلى إنشاء خريطتها الخاصة التي كانت مستقلة عن الأخرى، وهو اكتشاف يدعم فكرة أن ينتج الحصين خرائط مكانية تتكيف مع بيئات محددة.

في المقابل، فإن الخرائط التي تشكلها القشرة الشمية الداخلية الوسطى هي خرائط عالمية. خلايا الشبكة - بالإضافة إلى خلايا توجيه الرأس والخلايا الحدودية - التي تُطلق معًا في مجموعات معينة من المواقع على خريطة الشبكة لبيئة واحدة، تُطلق أيضًا النار على مواقع مماثلة على خريطة بيئة أخرى، كما لو كانت خطوط الطول والعرض في الخريطة الأولى تم فرضها على البيئة الجديدة. يتغير تسلسل إطلاق الخلايا عندما يتحرك الحيوان في الاتجاه الشمالي الشرقي في إحدى غرف القفص عندما يتحرك الفأر في نفس الاتجاه في غرفة أخرى. نمط الإشارات بين هذه الخلايا في القشرة المخية الأنفية الداخلية هو النمط الذي يستخدمه الدماغ للتنقل في بيئته.

يتم نقل هذه الرموز من القشرة الشمية الداخلية إلى الحصين، حيث يتم استخدامها لإنشاء خرائط فريدة لمكان معين. من وجهة نظر تطورية، يبدو أن سلسلتين من الخرائط التي يتم من خلالها توحيد المعلومات الواردة وتوجيه الحيوان على طول مساره، تمثل حلاً فعالاً لنظام تستخدمه الحيوانات للملاحة المكانية. الشبكات المتكونة في القشرة الشمية الداخلية الوسطى، والتي تقيس المسافات والاتجاهات، لا تتغير عند الانتقال من غرفة إلى أخرى. وفي المقابل، تنتج خلايا المكان في الحصين خرائط فريدة لكل غرفة لنفسها.

الخرائط المحلية

هناك حاجة إلى المزيد من العمل للوصول إلى فهم نظام الملاحة. لقد تم الحصول على كل معرفتنا تقريبًا عن الخلايا المكانية والخلايا الشبكية من التجارب التي ركزت على تسجيل النشاط الكهربائي الذي تلتقطه الخلايا العصبية للجرذان أو الفئران التي تتجول عشوائيًا في بيئات صناعية واضحة: صناديق مسطحة القاع بدون هياكل داخلية يمكن أن تكون بمثابة معالم.

يختلف المختبر كثيرًا عن البيئات الطبيعية التي تتغير باستمرار ومليئة بالأشياء ثلاثية الأبعاد. إن الاختزالية التي تميز الدراسات تثير تساؤلات حول كيفية عمل خلايا المكان والخلايا الشبكية، مثل ما إذا كانت تنشط بنفس الطريقة عندما تكون الحيوانات خارج المختبر.

توفر التجارب التي يتم إجراؤها في متاهات معقدة تحاول محاكاة الموائل الطبيعية للحيوانات بعض الأدلة حول ما قد يحدث فيها. في عام 2009، سجلنا نشاط الخلايا الشبكية عندما كانت الحيوانات تتحرك عبر متاهة معقدة، وتواجه في نهاية كل ممر مستقيم منعطفات حادة للغاية تشير إلى بداية الممر التالي. وأظهرت الدراسة، كما كان متوقعا، أن الخلايا الشبكية تشكل أنماطا سداسية الشكل ترسم المسافات للفئران التي تتحرك عبر ممرات مفردة في المتاهة. ولكن في كل مرة ينتقل فيها الحيوان من ممر إلى آخر، يحدث تغيير حاد في النمط. يتم ارتداء نمط شبكي منفصل على الممر الجديد، كما لو أن الفأر دخل غرفة مختلفة تمامًا.

وأظهرت الأبحاث اللاحقة التي أجريت في مختبرنا أن خرائط الشبكة تتحلل في البيئات المفتوحة إلى خرائط أصغر، إذا كانت تلك المساحات كبيرة بما فيه الكفاية. نتحقق الآن من كيفية تجميع الخرائط الأصغر معًا لإنشاء خريطة متكاملة لمنطقة معينة. ولكن حتى هذه التجارب مبالغ فيها في التبسيط لأن المجمعات مسطحة وأفقية. بدأت التجارب التي أجريت في مختبرات أخرى - والتي تمت ملاحظتها مع الخفافيش الطائرة والفئران التي تتسلق جوانب الأقفاص - في تقديم بعض القرائن: يبدو أن خلايا المكان وخلايا اتجاه الرأس تنطلق في أماكن معينة في كل مساحة ثلاثية الأبعاد، وعلى الأرجح شبكة تتصرف الخلايا أيضًا بهذه الطريقة.

الفضاء والذاكرة

إن نظام الملاحة في الحصين ليس مجرد وسيلة لمساعدة الحيوانات على الانتقال من النقطة أ إلى النقطة ب. إلى جانب تلقي معلومات حول الموقع والمسافة والاتجاه من القشرة الشمية الداخلية الوسطى، يسجل الحصين ما يوجد في مكان معين - سيارة أو سارية - بالإضافة إلى الأحداث التي تجري هناك. لا تحتوي الخريطة المكانية التي أنشأتها خلايا المكان على معلومات حول الموقع العام للحيوان فحسب، بل تحتوي أيضًا على تفاصيل تتعلق بتجارب الحيوان، بطريقة مشابهة لمفهوم الخريطة المعرفية التي صاغها تولمان.

ويبدو أن بعض هذه المعلومات الإضافية تأتي من الخلايا العصبية الموجودة في الجزء الجانبي من القشرة المخية الأنفية الداخلية. يتم دمج التفاصيل المتعلقة بالأشياء والأحداث مع إحداثيات الحيوان ويتم تخزينها كذاكرة. وعندما يتم استرجاع الذاكرة في وقت لاحق، يخرج منها الحدث والموقع.

هذا الاقتران بين المكان والذاكرة يذكرنا باستراتيجية التذكر التي ابتكرها اليونانيون القدماء. الطريقة المعروفة باسم "طريقة الأماكن" تسمح للشخص بحفظ قائمة من العناصر مع تخيل أنه وضع كل عنصر في مكان ما على طول مسار معروف يمر في مكان ما مثل حقل أو مبنى - وهو الترتيب المعروف باسم قصر الذاكرة. يستخدم الأشخاص المشاركون في مسابقات الذاكرة هذه التقنية لتذكر قوائم طويلة من الأرقام أو الحروف أو البطاقات. ولسوء الحظ، فإن القشرة المخية الأنفية الداخلية هي واحدة من المناطق الأولى في الدماغ التي تفقد وظيفتها لدى الأشخاص المصابين بمرض الزهايمر. ويؤدي المرض إلى موت خلايا الدماغ في هذه المنطقة، ويعتبر تقليص حجمها مقياسا موثوقا لتشخيص الأشخاص المعرضين لخطر الإصابة بالمرض. يعد الميل إلى التجول بشكل عشوائي والضياع من أولى علامات ظهور المرض. وفي المراحل المتأخرة من مرض الزهايمر، يؤدي موت الخلايا في الحصين إلى فقدان القدرة على تذكر أحداث الماضي وكذلك تذكر مفاهيم مثل أسماء الألوان. في الواقع، أنتجت دراسة حديثة أدلة على أن الشباب الذين يحملون الجين الذي يعرضهم لخطر متزايد للإصابة بمرض الزهايمر قد يعانون من فشل في وظيفة الأنسجة في خلايا شبكتهم - وهو الاكتشاف الذي قد يؤدي إلى طرق جديدة لتشخيص المرض.

ذخيرة غنية

اليوم، بعد أكثر من ثمانين عامًا منذ تحدث تولمان لأول مرة عن وجود خريطة ذهنية لبيئتنا، أصبح من الواضح لنا أن خلايا المكان ليست سوى عنصر واحد من التمثيل المعقد بشكل لا يصدق الذي يبنيه الدماغ للمساحة المحيطة به لحساب الموقع والمسافة والسرعة والاتجاهات. أنواع الخلايا العديدة الموجودة في نظام الملاحة في دماغ القوارض موجودة أيضًا في الخفافيش والقرود والبشر. يشير وجود الخلايا بين العديد من السلاسل التصنيفية للثدييات إلى أن الخلايا الشبكية والخلايا الأخرى المشاركة في الملاحة ظهرت مبكرًا في تطور الثدييات، وأن خوارزميات عصبية مماثلة تُستخدم لحساب الموقع بين العديد من الأنواع البيولوجية.

لقد تم بالفعل اكتشاف العديد من العناصر الأساسية لخريطة تولمان، وبدأنا في فهم كيفية إنتاج الدماغ لها ووضعها. يعد نظام تمثيل الفضاء الآن أحد أكثر الشبكات العصبية فهمًا في القشرة الدماغية للثدييات. لقد بدأنا في التعرف على الخوارزميات التي يستخدمها، والتي ستساعدنا في فك الرموز العصبية التي يستخدمها الدماغ للملاحة.

وكما هو الحال في العديد من مجالات البحث الأخرى، فإن النتائج الجديدة تثير أسئلة جديدة. نحن نعلم أن هناك خريطة داخلية في الدماغ، ولكننا ما زلنا لا نفهم بشكل كافٍ كيف تعمل المكونات المختلفة للخريطة معًا وتنتج تمثيلًا ثابتًا للموقع، بينما تتم قراءة المعلومات بواسطة أنظمة أخرى في الدماغ التي تقرر مكانها. اذهب وكيفية الوصول إلى هناك.

هناك العديد من الأسئلة. هل تقتصر الشبكة المكانية في الحصين والقشرة المخية الأنفية الداخلية على التنقل فقط في البيئة المباشرة؟ وفي القوارض، قمنا باختباره في مناطق محدودة يبلغ نصف قطرها بضعة أمتار فقط. هل تُستخدم الخلايا الشبكية والخلايا المكانية أيضًا للملاحة بعيدة المدى، على سبيل المثال عندما تهاجر الخفافيش لمسافات تصل إلى مئات أو آلاف الكيلومترات؟

وأخيرًا، نتساءل كيف تظهر الخلايا الشبكية، وهل هناك فترة حرجة لتكوينها في تطور الحيوان، وهل من الممكن العثور على الخلايا المكانية والخلايا الشبكية في الفقاريات واللافقاريات الأخرى أيضًا. إذا كانت اللافقاريات تستخدم مثل هذه الخلايا، فإن النتائج تشير إلى أن التطور كان يستخدم أنظمة رسم الخرائط المكانية لمئات الملايين من السنين. وسيظل نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) في الدماغ مصدرًا غنيًا للأفكار للدراسات الجديدة التي ستشغل أجيالًا من العلماء لعقود قادمة.