Neuroanatomical correlates for the development of grid-cell-like coding of visual space in humans

Abstract

Det antas at mennesker er i stand til å løse komplekse navigasjonsproblemer ved å bruke kognitive kart, en form for mental abstraksjon som tillater lagring og erindring av nøyaktig, kartlignende spatialt minne av våre navigerbare omgivelser, i et kortikalt nettverk sentrert rundt hippocampusformasjonen. Moden spatial navigasjon utviser et særskilt forlenget utviklingsløp I både mennesker og dyr. I dyrestudier har denne atferdsutviklingen blitt knyttet til forlenget nevrologisk utvikling i entorhinal cortex, et kortikalt område nært knyttet til hippocampus. Det entorhinal-hippocampale komplekset integrerer multimodal spatial informasjon i kognitive kart, som blir innkodet i langtidshukommelsen, som vi senere kan fritt gjenkalle for å veilede spatial navigasjon i kjente omgivelser. Modne entorhinale gitterceller virker til å være nødvendige ved bruk av kognitive kart i navigasjon. I mennesker kan gitterceller indirekte observeres gjennom spesifikke mønstre av signalmodulering når man måler aktivitet i en nevral populasjon, slik som ved fMRI. Som forventet, ser vi et forlenget utviklingsløp i gittercelleaktig koding i menneskers entorhinal cortex, men vi vet lite om de nevroanatomiske korrelat for utviklingen av gittercelleaktig koding i mennesket.

For å undersøke den nevrologiske utviklingen som ligger til grunn for menneskelig kognitiv kartlegging har vi korrelert aldersrelaterte endringer i nevroanatomi, med et gittercelleaktig signal i entorhinal cortex. Vi korrelerte makroanatomi, mikrostruktur, og et gittercelleaktig signal i et utvalg menneskelige barn og ungdom, i den hensikt å identifisere nevroanatomiske korrelat for utviklingen av gittercelleaktig spatial koding, for å videre bygge opp vår kunnskap om utviklingen av menneskers kognitive kart.

Vi fant bevis til støtte for forlenget anatomisk utvikling i entorhinal cortex. En signifikant økning av entorhinal overflateområde i ungdomsårene (11-18 år) er knyttet til utbruddet for utvikling av gittercelleaktig signalmodulering. Videre bevis indikerer at veksttoppen på parahippocampal cortex finner sted i tidlig barndom, og når voksen-tilsvarende anatomiske egenskaper før utbruddet av entorhinal overflateøkning. Vi konkluderer at parahippocampal cortex og entorhinal cortex utviser sekvensiell, hierarkisk modning, der til syvende og sist intrakortikal nevral utvikling i entorhinal cortex medierer den funksjonelle utviklingen av gittercelleaktig signalmodulering.

It is believed that humans are able to solve complex navigational problems by using cognitive maps, a form of mental abstraction allowing the storage and recall of accurate map-like spatial memory of our navigable environment within a cortical network centred on the hippocampal formation. Mature spatial navigation exhibits highly protracted development in both humans and animals. In animal studies, this behavioural development is linked to protracted neurodevelopment in the entorhinal cortex, a cortical area closely associated with the hippocampus. The entorhinal-hippocampal complex integrates multimodal spatial information into mental maps encoded in long-term memory, which we may later freely access to help guide spatial navigation in familiar surroundings. Mature entorhinal grid cells appear to be required to navigate using cognitive maps. In humans, grid cells can be indirectly observed through distinctive patterns of signal modulation when measuring neuronal populations, such as with fMRI. As expected, grid-cell-like coding shows protracted development in the human entorhinal cortex, but little is known about the neural correlates that mediate the development of grid-cell-like coding in humans.

In order to investigate the neurodevelopment underlying human cognitive mapping, we correlated age-related changes in neuroanatomy with a grid-cell-like signal in the entorhinal cortex. We correlated macroanatomy, microstructure, and grid coding in a sample of human children and adolescents, seeking to identify neuroanatomical correlates of the development of grid-like spatial coding to further our knowledge about human cognitive map development.

We found evidence for protracted anatomical development in the entorhinal cortex. A significant expansion of entorhinal surface area in adolescence is linked to the onset of the development of grid-cell-like signal modulation. Further evidence indicates that the growth peak of the parahippocampal cortex occurs in early childhood, reaching adult-like anatomical properties prior to the onset of entorhinal surface expansion. We conclude that the parahippocampal and entorhinal cortices exhibit sequential, hierarchical maturation, in which ultimately intracortical neurodevelopment in the entorhinal cortex mediates the functional development of the grid-like signal.