Nhận thức không gian và Định hướng

Nhận thức không gian liên quan đến cách não bộ biểu diễn không gian và hỗ trợ định hướng, khả năng biết mình đang ở đâu và tìm đường đến các mục tiêu. Vùng hồi hải mã và vỏ não nội khứu chứa các tế bào thần kinh chuyên biệt, bao gồm tế bào định vị (place cells) phát tín hiệu tại các vị trí cụ thể và tế bào lưới (grid cells) phủ kín môi trường bằng một mô hình tam giác, cùng nhau cung cấp một thước đo nội tại và bản đồ không gian.

Definition

Nhận thức không gian và định hướng là nghiên cứu về cách não bộ mã hóa vị trí và bố cục của môi trường, đồng thời sử dụng các biểu diễn này, nổi bật trong hệ thống hồi hải mã-nội khứu, để hỗ trợ định hướng và di chuyển có mục tiêu trong không gian.

Scope

Chủ đề này bao gồm cơ sở thần kinh của nhận thức không gian và định hướng như tài liệu tham khảo trong khoa học thần kinh nhận thức. Nó giới thiệu ý tưởng bản đồ nhận thức, tế bào định vị và tế bào lưới cùng các tế bào thần kinh không gian liên quan, những đóng góp của hệ thống hồi hải mã-nội khứu, và sự liên quan của các cơ chế này đến trí nhớ và các rối loạn ảnh hưởng đến định hướng. Nó giải thích các cơ chế và bằng chứng chứ không phải là hướng dẫn lâm sàng.

Core questions

• Não bộ biểu diễn vị trí và bố cục không gian của môi trường như thế nào?
• Các tế bào định vị, tế bào lưới và các tế bào thần kinh liên quan đóng vai trò gì trong việc xây dựng bản đồ không gian?
• Các chức năng không gian của vùng hồi hải mã liên quan đến vai trò của nó trong trí nhớ sự kiện như thế nào?

Key concepts

• Bản đồ nhận thức
• Tế bào định vị
• Tế bào lưới
• Tế bào định hướng đầu
• Tế bào biên và ranh giới
• Khung tham chiếu allocentric so với egocentric
• Tích hợp đường đi
• Hệ thống hồi hải mã-nội khứu

Key theories

Lý thuyết bản đồ nhận thức của hồi hải mã

Hồi hải mã xây dựng một biểu diễn môi trường kiểu bản đồ, allocentric, hỗ trợ định hướng linh hoạt; các tế bào định vị cung cấp bằng chứng thần kinh rằng hồi hải mã mã hóa vị trí của một con vật trong bản đồ đó.

Thước đo không gian dựa trên lưới của vỏ não nội khứu

Các tế bào lưới trong vỏ não nội khứu giữa phát tín hiệu ở nhiều vị trí được sắp xếp theo một mạng lưới tam giác đều đặn, cung cấp một hệ tọa độ định kỳ, dựa trên khoảng cách có thể hỗ trợ tích hợp đường đi và cung cấp thông tin không gian cho hồi hải mã.

Mechanisms

Biểu diễn không gian trong não bộ xuất hiện từ một số loại tế bào chuyên biệt. Các tế bào định vị ở hồi hải mã phát tín hiệu một cách chọn lọc khi một con vật chiếm giữ một vị trí cụ thể, cùng nhau biểu diễn vị trí trong một môi trường (O'Keefe & Dostrovsky, 1971). Trong vỏ não nội khứu giữa, các tế bào lưới phát tín hiệu ở nhiều vị trí tạo thành một mạng lưới tam giác đều đặn, cung cấp một thước đo cho không gian hỗ trợ tích hợp đường đi (path integration), tức là cập nhật vị trí từ các tín hiệu tự vận động (Hafting et et al., 2005). Chúng được bổ sung bởi các tế bào định hướng đầu (head-direction cells) báo hiệu hướng mặt và bởi các tế bào biên (border cells) phản ứng với ranh giới môi trường. Cùng với nhau, mạch hồi hải mã-nội khứu này được cho là xây dựng và sử dụng một bản đồ nhận thức, tích hợp mã hóa không gian với vai trò rộng hơn của hệ thống trong trí nhớ sự kiện (episodic memory) (Moser et al., 2008).

Clinical relevance

Bởi vì hệ thống hồi hải mã-nội khứu hỗ trợ cả định hướng không gian và trí nhớ, sự mất phương hướng và khó khăn trong định hướng là những đặc điểm có giá trị thông tin trong cách các nhà lâm sàng và nhà nghiên cứu hiểu các tình trạng như bệnh Alzheimer, vốn ảnh hưởng đến các vùng nội khứu và hồi hải mã từ sớm. Mục này là một tài liệu tham khảo giáo dục về cơ sở thần kinh của nhận thức không gian và không phải là cơ sở để chẩn đoán hoặc quản lý bất kỳ cá nhân nào.

Evidence & guidelines

Khung lý thuyết này dựa trên hàng thập kỷ ghi nhận đơn vị tế bào ở động vật di chuyển tự do, được bổ sung bởi các nghiên cứu hình ảnh thần kinh và tổn thương ở người (O'Keefe & Dostrovsky, 1971; Hafting et al., 2005), được tổng hợp trong các bài đánh giá có thẩm quyền (Moser et al., 2008). Việc phát hiện ra các tế bào định vị và tế bào lưới đã được công nhận bằng Giải Nobel Sinh lý học hoặc Y học năm 2014 trao cho O'Keefe và May-Britt và Edvard Moser.

History

Ý tưởng rằng động vật hình thành bản đồ nội tại đã được Edward Tolman đề xuất vào năm 1948 dựa trên cơ sở hành vi. Năm 1971, O'Keefe và Dostrovsky đã phát hiện ra các tế bào định vị ở hồi hải mã, mang lại cơ sở thần kinh cho bản đồ nhận thức được trình bày chi tiết trong cuốn sách năm 1978 của O'Keefe và Nadel. Năm 2005, phòng thí nghiệm Moser đã báo cáo về các tế bào lưới trong vỏ não nội khứu, tiết lộ một thước đo định kỳ cho không gian. Những khám phá này, được công nhận bởi Giải Nobel năm 2014, đã thiết lập hệ thống hồi hải mã-nội khứu như hệ thống định vị nội tại của não bộ.

Debates

Hồi hải mã chuyên biệt cho không gian hay cho trí nhớ nói chung hơn?

Lý thuyết bản đồ nhận thức nhấn mạnh biểu diễn không gian, trong khi các giải thích dựa trên trí nhớ cho rằng mã hóa không gian là một trường hợp của vai trò tổng quát hơn trong trí nhớ quan hệ và sự kiện; việc dung hòa các chức năng không gian và ghi nhớ của hồi hải mã vẫn là một câu hỏi đang được nghiên cứu tích cực.

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

Tế bào định vị và tế bào lưới là gì?

Tế bào định vị là các tế bào thần kinh ở hồi hải mã phát tín hiệu khi một con vật ở một vị trí cụ thể, cùng nhau biểu diễn vị trí của nó. Tế bào lưới là các tế bào thần kinh ở vỏ não nội khứu phát tín hiệu ở nhiều vị trí được sắp xếp theo một lưới tam giác đều đặn, cung cấp một thước đo cho khoảng cách và hướng. Cùng nhau, chúng hỗ trợ một bản đồ nội tại được sử dụng để định hướng.

Tại sao cùng một vùng não lại liên quan đến cả định hướng và trí nhớ?

Hệ thống hồi hải mã-nội khứu hỗ trợ cả biểu diễn không gian và trí nhớ sự kiện. Một quan điểm có ảnh hưởng là việc biểu diễn nơi chốn và thời điểm xảy ra các sự kiện là một khuôn khổ tự nhiên để tổ chức các ký ức, vì vậy mã hóa không gian và trí nhớ có thể là hai khía cạnh của cùng một hệ thống quan hệ, mặc dù mối quan hệ này vẫn đang được tranh luận.