การรับรู้เชิงพื้นที่และการนำทาง

การรับรู้เชิงพื้นที่เกี่ยวข้องกับวิธีที่สมองสร้างภาพแทนของพื้นที่และสนับสนุนการนำทาง ซึ่งเป็นความสามารถในการรู้ว่าตนเองอยู่ที่ใดและหาทางไปยังเป้าหมาย การก่อตัวของฮิปโปแคมปัสและเยื่อหุ้มสมองส่วนเอนโทไรนัลมีเซลล์ประสาทที่เชี่ยวชาญ รวมถึงเซลล์ตำแหน่ง (place cells) ที่ทำงานเมื่ออยู่ในตำแหน่งเฉพาะ และเซลล์กริด (grid cells) ที่ครอบคลุมสภาพแวดล้อมด้วยรูปแบบสามเหลี่ยม ซึ่งทั้งหมดนี้ร่วมกันให้มาตรวัดภายในและแผนที่ของพื้นที่

Definition

การรับรู้เชิงพื้นที่และการนำทางคือการศึกษาว่าสมองเข้ารหัสตำแหน่งและโครงสร้างของสภาพแวดล้อมอย่างไร และใช้การแสดงภาพเหล่านี้ ซึ่งเด่นชัดในระบบฮิปโปแคมปัส-เอนโทไรนัล เพื่อสนับสนุนการวางแนวและการเคลื่อนที่ที่มุ่งสู่เป้าหมายในอวกาศ

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมพื้นฐานทางระบบประสาทของการรับรู้เชิงพื้นที่และการนำทางในฐานะเอกสารอ้างอิงในประสาทวิทยาการรู้คิด โดยนำเสนอแนวคิดแผนที่การรู้คิด (cognitive map) เซลล์ตำแหน่งและเซลล์กริด รวมถึงเซลล์ประสาทเชิงพื้นที่ที่เกี่ยวข้อง การมีส่วนร่วมของระบบฮิปโปแคมปัส-เอนโทไรนัล และความเกี่ยวข้องของกลไกเหล่านี้กับความจำและความผิดปกติที่ส่งผลต่อการนำทาง อธิบายกลไกและหลักฐาน ไม่ใช่แนวทางทางคลินิก

Core questions

• สมองแสดงตำแหน่งและโครงสร้างเชิงพื้นที่ของสภาพแวดล้อมอย่างไร?
• เซลล์ตำแหน่ง เซลล์กริด และเซลล์ประสาทที่เกี่ยวข้องมีบทบาทอย่างไรในการสร้างแผนที่ของพื้นที่?
• หน้าที่เชิงพื้นที่ของการก่อตัวของฮิปโปแคมปัสเกี่ยวข้องกับบทบาทในความจำเหตุการณ์อย่างไร?

Key concepts

• แผนที่การรู้คิด
• เซลล์ตำแหน่ง
• เซลล์กริด
• เซลล์ทิศทางศีรษะ
• เซลล์ขอบและขอบเขต
• กรอบอ้างอิงแบบ allocentric เทียบกับ egocentric
• การรวมเส้นทาง
• ระบบฮิปโปแคมปัส-เอนโทไรนัล

Key theories

ทฤษฎีแผนที่การรู้คิดของฮิปโปแคมปัส

ฮิปโปแคมปัสสร้างการแสดงภาพแบบ allocentric ที่เหมือนแผนที่ของสภาพแวดล้อมที่สนับสนุนการนำทางที่ยืดหยุ่น; เซลล์ตำแหน่งให้หลักฐานทางระบบประสาทว่าฮิปโปแคมปัสเข้ารหัสตำแหน่งของสัตว์ภายในแผนที่ดังกล่าว

มาตรวัดเชิงกริดของเอนโทไรนัลสำหรับพื้นที่

เซลล์กริดในเยื่อหุ้มสมองส่วนเอนโทไรนัลด้านในจะทำงานในหลายตำแหน่งที่จัดเรียงเป็นโครงข่ายสามเหลี่ยมปกติ ซึ่งให้ระบบพิกัดเชิงคาบที่อิงระยะทางที่สามารถสนับสนุนการรวมเส้นทางและป้อนข้อมูลเชิงพื้นที่ไปยังฮิปโปแคมปัส

Mechanisms

การแสดงภาพเชิงพื้นที่ในสมองเกิดขึ้นจากเซลล์หลายชนิดที่เชี่ยวชาญ เซลล์ตำแหน่งในฮิปโปแคมปัสจะทำงานอย่างเลือกสรรเมื่อสัตว์อยู่ในตำแหน่งเฉพาะ ซึ่งร่วมกันแสดงถึงตำแหน่งภายในสภาพแวดล้อม (O'Keefe & Dostrovsky, 1971) ในเยื่อหุ้มสมองส่วนเอนโทไรนัลด้านใน เซลล์กริดจะทำงานในหลายตำแหน่งที่ก่อตัวเป็นโครงข่ายสามเหลี่ยมปกติ ซึ่งให้มาตรวัดสำหรับพื้นที่ที่สนับสนุนการรวมเส้นทาง (path integration) การปรับปรุงตำแหน่งจากการรับรู้การเคลื่อนที่ของตนเอง (Hafting et al., 2005) สิ่งเหล่านี้เสริมด้วยเซลล์ทิศทางศีรษะ (head-direction cells) ที่ส่งสัญญาณทิศทางที่หันหน้าไป และเซลล์ขอบ (border cells) ที่ตอบสนองต่อขอบเขตของสภาพแวดล้อม โดยรวมแล้ว วงจรฮิปโปแคมปัส-เอนโทไรนัลนี้เชื่อกันว่าสร้างและใช้แผนที่การรู้คิด โดยรวมการเข้ารหัสเชิงพื้นที่เข้ากับบทบาทที่กว้างขึ้นของระบบในความจำเหตุการณ์ (episodic memory) (Moser et al., 2008)

Clinical relevance

เนื่องจากระบบฮิปโปแคมปัส-เอนโทไรนัลสนับสนุนทั้งการนำทางเชิงพื้นที่และความจำ การสับสนทิศทางและความยากลำบากในการนำทางจึงเป็นลักษณะที่ให้ข้อมูลในการทำความเข้าใจภาวะต่างๆ เช่น โรคอัลไซเมอร์ ซึ่งส่งผลกระทบต่อบริเวณเอนโทไรนัลและฮิปโปแคมปัสตั้งแต่ระยะแรก บทความนี้เป็นข้อมูลอ้างอิงทางการศึกษาเกี่ยวกับพื้นฐานทางระบบประสาทของการรับรู้เชิงพื้นที่ และไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการวินิจฉัยหรือการจัดการบุคคลใดๆ

Evidence & guidelines

กรอบแนวคิดนี้ตั้งอยู่บนการบันทึกเซลล์เดี่ยวในสัตว์ที่เคลื่อนที่ได้อย่างอิสระมานานหลายทศวรรษ เสริมด้วยการศึกษาภาพถ่ายทางประสาทวิทยาและการศึกษาการบาดเจ็บในมนุษย์ (O'Keefe & Dostrovsky, 1971; Hafting et al., 2005) ซึ่งสังเคราะห์ในบทวิจารณ์ที่น่าเชื่อถือ (Moser et al., 2008) การค้นพบเซลล์ตำแหน่งและเซลล์กริดได้รับการยอมรับจากรางวัลโนเบลสาขาสรีรวิทยาหรือการแพทย์ในปี 2014 ซึ่งมอบให้กับ O'Keefe และ May-Britt และ Edvard Moser

History

แนวคิดที่ว่าสัตว์สร้างแผนที่ภายในถูกเสนอโดย Edward Tolman ในปี 1948 โดยอิงจากพฤติกรรม ในปี 1971 O'Keefe และ Dostrovsky ค้นพบเซลล์ตำแหน่งในฮิปโปแคมปัส ซึ่งให้พื้นฐานทางระบบประสาทแก่แผนที่การรู้คิดที่อธิบายอย่างละเอียดในหนังสือของ O'Keefe และ Nadel ในปี 1978 ในปี 2005 ห้องปฏิบัติการ Moser รายงานเซลล์กริดในเยื่อหุ้มสมองส่วนเอนโทไรนัล ซึ่งเผยให้เห็นมาตรวัดเชิงคาบสำหรับพื้นที่ การค้นพบเหล่านี้ซึ่งได้รับการยอมรับจากรางวัลโนเบลในปี 2014 ได้สร้างระบบฮิปโปแคมปัส-เอนโทไรนัลให้เป็นระบบระบุตำแหน่งภายในของสมอง

Debates

ฮิปโปแคมปัสอุทิศให้กับพื้นที่หรือความจำในวงกว้างกว่ากัน?

ทฤษฎีแผนที่การรู้คิดเน้นการแสดงภาพเชิงพื้นที่ ในขณะที่แนวคิดที่อิงความจำถือว่าการเข้ารหัสเชิงพื้นที่เป็นตัวอย่างหนึ่งของบทบาทที่ทั่วไปกว่าในความจำเชิงสัมพันธ์และเหตุการณ์; การประนีประนอมหน้าที่เชิงพื้นที่และหน้าที่เกี่ยวกับความจำของฮิปโปแคมปัสยังคงเป็นคำถามที่กำลังมีการศึกษาอยู่

Key figures

• John O'Keefe
• Edvard Moser
• May-Britt Moser
• Lynn Nadel
• Edward Tolman

Seminal works

• okeefe-dostrovsky-1971
• hafting-2005
• moser-2008

Frequently asked questions

เซลล์ตำแหน่งและเซลล์กริดคืออะไร?

เซลล์ตำแหน่งคือเซลล์ประสาทในฮิปโปแคมปัสที่ทำงานเมื่อสัตว์อยู่ในตำแหน่งเฉพาะ ซึ่งร่วมกันแสดงว่าสัตว์อยู่ที่ใด เซลล์กริดคือเซลล์ประสาทในเอนโทไรนัลที่ทำงานในหลายตำแหน่งที่จัดเรียงเป็นโครงข่ายสามเหลี่ยมปกติ ซึ่งให้มาตรวัดสำหรับระยะทางและทิศทาง โดยรวมแล้วเซลล์เหล่านี้สนับสนุนแผนที่ภายในที่ใช้สำหรับการนำทาง

เหตุใดสมองส่วนเดียวกันจึงเกี่ยวข้องกับการนำทางและความจำ?

ระบบฮิปโปแคมปัส-เอนโทไรนัลสนับสนุนทั้งการแสดงภาพเชิงพื้นที่และความจำเหตุการณ์ มุมมองหนึ่งที่มีอิทธิพลคือการแสดงว่าเหตุการณ์เกิดขึ้นที่ไหนและเมื่อไหร่เป็นกรอบธรรมชาติสำหรับการจัดระเบียบความจำ ดังนั้นการเข้ารหัสเชิงพื้นที่และความจำอาจเป็นสองแง่มุมของระบบเชิงสัมพันธ์เดียวกัน แม้ว่าความสัมพันธ์นี้ยังคงเป็นที่ถกเถียงกันอยู่