Grid-нейрони ( або нейрони решітки чи «координатні нейрони», від «решітка, ґратка») — це просторово вибіркові нейрони в медіальній енторинальній корі ссавців, які різняться від всіх інших нейронів регулярно повторюваними гексагонально-подібними рецептивними полями, що активізуються не в одному, а в множині місць будь-якого середовища. Нейрони решітки є ключовою частиною системи мозку, що будує когнітивну карту власного місцезнаходження тварини в просторі.
Кожен нейрон в дорсолатеральній медіальній енторинальній корі електрично збуджується тоді, коли тварина знаходиться на вершині уявної правильної трикутної решітки, що заповнює площину, в якій вона рухається. Тоді як в гіпокампі схожі за функціями нейрони місця активуються тільки в одному, конкретному місці в просторі, то нейрони решітки в медіальній енторинальній корі фізичний світ через гексагональну ґратку тоді, коли кожен нейрон активується щоразу, як тварина рухається через поле розряду, з центром у специфічній для нейрона точці (вузлові) ґратки.
Характер розрядів grid-нейронів незалежний від зовнішніх сигналів та розміру і форми загорожі, в якій знаходиться тварина, тому щоразу правильно оновлюється, коли вона рухається в даному середовищі, навіть за умов цілковитої темряви, припускаючи, що ці нейрони є частиною внутрішньо породжуваної та універсальної карти просторового середовища.
Геометричні властивості паттернів розрядів нейронів решіток, а також їх синаптична проєкція до нейронів місця в гіпокампі відводять цим нейронам ключову роль в кодуванні та репрезентації простору. Стійка структура їхньої решітки, разом із просторовою періодичністю, роблять grid-нейрони визначальною частиною нейронної метрики для локального простору. Ця метрична решітка уможливлює ті просторові обчислення, що лежать в основі нашого відчуття місця.
Унікальний характер розрядів решіток (однаковість і повторюваність в різних середовищах, незалежно від контексту) свідчить про те, що grid-код енторинальної кори є винятково когнітивним конструктом. І хоча паттерни розрядів нейронів решітки оновлюються та калібруються сенсорними вхідними сигналами із зорової, вестибулярної, кінематичної та інших систем, вони не залежать від зовнішніх сенсорних сигналів, і цілком конструюються в енторинальних нейронних ланцюгах. Нейрони місця в гіпокампі такою незалежністю від зовнішнього світу не володіють, оскільки їхні паттерни розрядів визначаються специфічною комбінацією сенсорних орієнтирів та сигналів, що існують в конкретних локальних місцях.
Відкриття нейронів решітки, та їх зв'язок з нейронами місця, надали матеріальну основу радикальним для свого часу ідеям Іммануїла Канта («Критика чистого розуму», 1781), визначаючи простір організаційним принципом розуму, що обумовлює та впорядковує наш досвід сприйняття світу у відповідності із заданими, вродженими властивостями мозку, які до того ж майже однакові серед багатьох ссавців.
Хоча найбільш інтенсивно нейрони решітки вивчались у щурів та мишей, нещодавні дослідження виявили їх присутність в кажанах та приматах, включаючи людей, однак щодо останніх досі точаться дискусії, чи є вони власне нейронами решітки в класичному сенсі, як вони були виявлені в щурах. Також решітко-подібні нейрони було виявлено в голубів, хоча, на відміну від щурів, у них решітки впорядковані в ряди, так що множина сусідніх груп нейронів формує квадрати.
Загальна характеристика
Зовнішній світ відображається на множині рівнів кіркової ієрархії, від ранніх рівнів первинних сенсорних областей кори до найвищих рівнів асоціативних областей. На вершині абстракції знаходиться відображення зовнішнього простору в гіпокампі та медіальній енторинальній корі (надалі мЕК).
Гіпокамп та енторинальна кора (ЕК) ссавців містять нейрони, що характеризуються просторово вибірковими розрядами потенціалів дії. Нейрони місця, що розташовані переважно в областях СА1 та СА3 гіпокампа, активізуються головним чином тоді, коли тварина знаходиться в певному просторовому місці її середовища. Більшість, але не всі, нейрони місця характеризуються єдиним полем розряду в експериментальних середовищах зі стандартними розмірами. Простір кодується нейронами місця в гіпокампі нетопографічно, тобто сусідні нейрони збуджуються в різних частинах середовища і тому положення тварини може точно бути відображене через колективну активність будь-якої групи нейронів місця.
Енторинальна кора знаходиться на стику, між тришаровою корою гіпокампа та шестишаровим неокортексом, і відсилає головний кірковий вхідний сигнал до зубчатої звивини. ЕК є останнім ступенем, де опрацьовується кіркова інформація перш ніж потрапити до гіпокампової формації. Більшість провідних довгоаксонних (principial) нейронів у ІІ шарі мЕК проявляють лише розряди решіток, будучи позбавленими інших типів просторової модуляції, як то чутливість до напрямку голови, а решіткоподібні розряди нейронів притаманні обом типам провідних нейронів у мЕК ІІ — та .
На відміну від нейронів місця в гіпокампі, grid-нейрони в мЕК є активними в множині місць, які утворюють вершини періодичної трикутної матриці або гексагональної решітки, що покриває все просторове середовище перебування тварини. Структура піків (або вузлів) полів розрядів нейронів решіток підкоряється площинній групі симетрії p6m, тобто найбільш симетричній та складній з 17 груп. Характерною рисою цієї групи є обертальна симетрія шостого порядку, що у застосунку до нейронів решітки означає, що повернуті довкола будь-якого вузла на будь-який кут кратний 60°: розряди полів будуть аналогічними до оригінального поля. Кожен вузол решітки оточений шістьма рівновіддаленими вузлами навколо. Розглядаючи вузли як точки в точковій ґратці, ця ґратка може бути описана двояко: або як гексагон, оскільки фундаментальна комірка (полігон) Вороного для двовимірної гексагональної ґратки це гексагон, 2) або як рівносторонній трикутник, оскільки тріангуляція Делоне містить рівносторонні трикутники.
На відміну від гіпокампової просторової карти, групи нейронів в енторинальній корі зберігають внутрішню структуру розрядів їх активності на всіх середовищах. Якщо два grid-нейрони мають однакові вершини в одному середовищі, вони також будуть збуджуватись в аналогічних місцях в іншому середовищі. Тоді як в гіпокампові різні підмножини нейронів активуються в різних середовищах, що свідчить на користь того, що енторинальна мережа містить єдину універсальну для всіх середовищ карту, тоді як гіпокамп містить множину просторових індивідуальних репретезенатцій, призначених для того, щоб включати унікальні властивості та сприйняття всіх можливих просторів, що стали складовою частиною досвіду тварини
Гексагональна форма розрядів нейронів-решіток є одним з найунікальніших прикладів нейронного відтворення зовнішнього світу, що не може бути відстежений в жоден прямий спосіб назад до конкретних форм активації множини сенсорних рецепторів. На відміну від більшості типів нейронів у первинних сенсорних областях кори, найвизначальніші риси решіткоподібних рецепторних полів скоріш за все постають в межах самої ЕК, тим самим являючи собою перший приклад абстрактних обчислень на найвищому рівні кори, який вдалось на сьогодні відкрити та детально дослідити.
Фундаментальною рисою нейронної організації ссавців є топографічне відображення зовнішнього світу на сенсорні області неокортексу, які організовані в шар із модулів (або колонок) нейронів, що репрезентують схожі риси сенсорних вхідних сигналів Нейронний код, що репрезентує зовнішній двовимірний простір, також міг бути організований через відображення просторових координат на двовимірний шар нейронів кори, де б сусідні просторові місця кодувались сусідніми нейронами. Втім, на противагу такому прямому відображенню структури зовнішнього світу на структуру мозку, енторинальна кора та гіпокамп не мають такої топографічної жорсткої організації.
В гіпокампі та мЕК різні нейрони активізуються в різних місцях таким чином, що разом вони утворюють нейронну карту всіх місць в даному локальному просторі. Ці просторові карти різняться від сенсорних мап тим, що розряди просторових полів постають в результаті внутрішніх механізмів самого нейронного ланцюга мЕК, а не як результат виокремлення певних властивостей із сенсорного сигналу. Але навіть без топографічної організації нейронів, відношення найближчого сусідства все ж можуть зберігатись в синаптичній матриці таким чином, що нейрони із сусідніми полями місця мають сильніші зв'язки між собою, аніж нейрони із віддаленими полями.
Тож, механізм топографічної організації в мЕК може бути зовсім іншим, аніж в сенсорній корі, когнітивнішим та автономнішим від зовнішнього світу
Історія відкриття
Вперше ідею про те, що поведінка тварин у довколишньому середовищі може визначатись картоподібним відображенням простору висунув американський психолог Едвард Толмен, який у 1930-40-х рр. опублікував ряд статей, в яких зробив головне припущення, що тварини навчаються просторовому порядку шляхом формування внутрішніх репрезентацій середовища. Він вважав, що тварини здатні відкривати відношення між місцями та подіями під час вивчення локального середовища, що в решті поступово приводить їх до формування того, що Толмен назвав «когнітивною картою», тобто такою, що будується внутрішньо, через комбінацію просторових сигналів та пам'яті.
Толмен вважав, що картоподібна структура таких репрезентацій дозволяє тваринам вільно переміщатись у середовищі, здійснюючи маневри, змінювати маршрути та шукати коротші шляхи у випадку перешкод. При тому, що складові частини карти на думку Толмена будувались на основі власних знань тварини, спертих на досвід переміщень різними просторами, а не топографічно продубльованих через сенсорні відчуття в центральні кіркові сенсорні системи:
Такі ідеї Толмена не тільки розривали з панівним тоді біхевіоризмом, але й напрочуд близько наближались до сучасного уявлення про активну природу просторового представлення твариною дійсності, наявність в її мозку спеціальної системи для створення просторової карти власного положення в зовнішньому середовищі.
Ідеї Толмена знову набули актуальності через багато років після його смерті, коли були винайдені та використані мікроелектроди для позаклітинної реєстрації одиничних нейронів у тварині під час поведінкових завдань. Поява цієї техніки дозволила Джеймсу Б. Ранку Мол. (1973) та о’Кіфу з Достровським (1971) вперше моніторити активність окремих нейронів у гіпокампі тварин, що вільно рухаються. Обидві лабораторії знайшли стійкі зв'язки між нейронною активністю та поведінкою тварини, але саме лабораторія о'Кіфа знайшла, що ця нейронна активність залежить від положення тварини в середовищі.
1971 року, Джон о’Кіф та його студент Джонатан Достровський описали нейрони в гіпокампі щура, що збуджувались кожен раз, коли тварина проходила через певне просторове місце і ніде більше, назвавши їх «нейронами місця» (). Вони виявили, що різні нейрони місця збуджуються в різних просторових місцях («полях місця», ). Репрезентація положення в просторі нейронами місця виявилась нетопографічною, оскільки поля місця сусідніх нейронів були не більше схожими між собою, аніж поля місця віддаленіших нейронів. Поєднання активності кількох великих груп нейронів місця було унікальним для кожного положення в середовищі, тому популяція нейронів гіпокампа утворювала картоподібну структуру, що була схожа на «когнітивну карту» Толмена.
Двома найважливішими відкриттями о'Кіфа, які потім просунули відкриття grid-нейронів, було те, що: 1) репрезентація простору в мозку тварини представлена не однією сенсорною ознакою (як запах, зір чи дотик), але поєднанням інформації про дотик, зір, запах та вестибулярно-кінематичні дані в гіпокампі, звідки випливало, що простір в мозку репрезентує абстрактну, когнітивну функцію; 2) Другим важливим відкриттям о'Кіфа було те, що нейрони місця, які складають просторову карту гіпокампа, організовані нетопографічно, на відміну від зору чи запаху, але випадково. Сусідні нейрони гіпокампа не кодують сусідні положення в просторі.