Neurobiologen van de Ludwig Maximilian Universiteit van München presenteren een nieuwe theorie voor de oorsprong van de rastercellen die nodig zijn voor ruimtelijke oriëntatie in de hersenen van zoogdieren, die een vitale rol toekent aan de timing van reeksen signalen die ze ontvangen van neuronen die plaatscellen worden genoemd.

Zenuwcellen in de hersenen bekend als plaatscellen en rastercellen, respectievelijk, spelen een cruciale rol in de ruimtelijke navigatie bij zoogdieren. Individuele plaatscellen in de hippocampus reageren op slechts enkele ruimtelijke locaties. De rastercellen in het entorhinale complex, anderzijds, vuur op meerdere plaatsen in de omgeving, zodat specifieke sets achtereenvolgens worden geactiveerd als een dier zijn leefgebied doorkruist. Deze activeringspatronen geven aanleiding tot een virtuele kaart, bestaande uit een zeshoekige opstelling van rastercellen die de relatieve afstanden tussen bepaalde oriëntatiepunten in de echte wereld weerspiegelen. Het brein is daarom in staat om een ​​virtuele kaart te construeren die zijn eigen positie in de ruimte codeert.

De Nobelprijs voor Geneeskunde en Fysiologie 2015 ging naar de ontdekkers van dit systeem, wat ook wel de GPS van de hersenen wordt genoemd. Echter, de ontwikkelingsrelatie tussen plaatscellen en rastercellen, evenals het mechanisme van oorsprong van rastercellen en hun plaatsing in hexagonale roosters blijven onduidelijk. Nu hebben LMU-neurobiologen professor Christian Leibold en zijn collega Mauro Miguel Monsalve Mercado een nieuw theoretisch model voorgesteld, die voor het eerst een plausibel model biedt op basis van bekende biologische processen. Het model houdt in dat de ontwikkeling van rastercellen en hun responsvelden afhankelijk zijn van synaptische input van plaatscellen. De nieuwe bevindingen worden beschreven in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

De auteurs van het nieuwe artikel kennen een centrale rol in hun model toe aan correlaties in de timing van de neuronale responssequenties die door verschillende plaatscellen worden gegenereerd. De leden van deze groepen worden actief wanneer het dier bepaalde locaties in de ruimte bereikt, en ze zenden zenuwimpulsen uit in nauwkeurig gecoördineerde temporele sequenties, die een bepaald ritmisch patroon volgen, en coderen daardoor relatieve ruimtelijke afstanden. Leibold en Monsalve Mercado hebben een klassieke neuronale leerregel gebruikt, bekend als de regel van Hebb, om de temporele correlaties tussen de schietpatronen van plaatscellen en de organisatie van de rastercellen te analyseren. De regel van Hebb stelt dat herhaalde activering van twee functioneel gekoppelde neuronen in snelle opeenvolging de efficiëntie van synaptische transmissie tussen hen progressief verbetert. Door dit concept van activiteitsafhankelijke synaptische plasticiteit toe te passen op de gecorreleerde tijdelijke vuurpatronen van plaatscellen, de auteurs kunnen de vorming van de hexagonale disposities van rastercellen verklaren die worden waargenomen bij vrij navigerende zoogdieren.

"De modellen die tot nu toe zijn voorgesteld om de ontwikkeling van rastercellen te verklaren op basis van input van plaatscellen waren niet specifiek over de precieze onderliggende biologische mechanismen. We hebben nu, Voor de eerste keer, een coherent model kunnen construeren voor de oorsprong van rastercellen, waarbij gebruik wordt gemaakt van bekende biologische mechanismen, ", zegt Christian Leibold. Het nieuwe model houdt in dat rastercellen worden gegenereerd door een neuronaal leerproces. Dit proces maakt gebruik van synaptische plasticiteit om temporeel gecoördineerde signalering tussen plaatscellen om te zetten in de hexagonale patronen van rastercelreacties waargenomen in het entorhinale complex. Het model voorspelt daarom dat de rastercellen eerst in de diepe lagen van de entorhinale cortex zouden moeten ontstaan.