Как работает система навигации нашего мозга

Что помогает нам ориентироваться в пространстве.Ученые до сих пор не знают, как именно мозг создает пространственные карты или как они используются при навигации. Но работа О «Кифа и Мозеров объясняет не просто навигационную систему мозга

Еще в 1971 году Джон О «Киф обнаружил специальные нейроны, «нейроны места» (place cells), которые помогают животным определять точное положение в пространстве. Гораздо позже Мозеры, ученики и последователи О «Кифа, открыли «координатные нейроны» (grid cells), необходимые для того, чтобы выстраивать правильную траекторию. Первые исследования проводились на крысах, но вскоре оба эти типа клеток были обнаружены и в мозге млекопитающих, в том числе и человека.

Такая система ориентирования может использовать и некоторые абстрактные свойства или ощущения. Так, координатные нейроны не просто реагируют на сенсорные сигналы (такие, как запах земли, например). Они выстраивают определенную внутреннюю систему координат, которую вместе с информацией от различных сенсоров используют уже нейроны места для формирования нашего ощущения пространства.

Дальнейшее изучение того, как мозг создает когнитивные карты, может привести к новым открытиям в области нейрофизиологии. «Есть какая-то глубокая связь между памятью и пространством,» — говорит Мэтью Уилсон, нейрофизиолог из Массачусетского технологического института. Кроме того, что координатные нейроны и нейроны места выполняют функцию внутренней GPS, они, возможно, еще ответственны за сохранность наших воспоминаний.

Чувство пространства

Нейроны места были найдены в гиппокампе — долгое время считалось, что именно в этой области хранится память. Если его удалить, как в случае со знаменитым пациентом Г. М., мозг теряет способность создавать новые воспоминания. Но открытие О «Кифа показало, что кроме этого гиппокамп ответственен и за навигацию.

О «Киф регистрировал электрические импульсы в гиппокампе крыс, свободно перемещавшихся в новом пространстве. Он увидел, что те или иные нейроны активизировались в зависимости от места, где находилось животное. Изменяя привычную среду, О «Киф показал, что крысы не просто реагируют на сенсорные сигналы, — дело тут в более сложном чувстве пространства.

В книге «Гиппокамп как когнитивная карта», опубликованной в 1978-м, Джон О «Киф и его соавтор Линн Нэйдел рассказывали о том, что эта пространственная система, кроме выполнения основной функции, еще упорядочивает личные воспоминания в зависимости от того, где происходили события. Скажем, когда вы сидите за кухонным столом в доме, где провели детство, вам наверняка вспоминается любимый яблочный пирог с последнего проведенного здесь дня рождения.

Три десятилетия спустя Мозеры открыли систему клеток, которые, как полагали ученые, обеспечивают пространственной информацией нейроны места. Они ставили датчики на некоторые нейроны в энторинальной области коры мозга крыс, которая связана с гиппокампом, а затем оставляли животных бегать в клетке. Составляя карту тех участков, где у крыс активизировались определенные нейроны, ученые обнаружили, что пол клетки разбивался на несколько равносторонних треугольников. Карта получилась настолько точной, что ученые сперва заподозрили сбой оборудования.

Одна из самых интересных деталей этого открытия в том, что координатные нейроны работают, даже если животное находится в полной темноте, то есть без каких-либо визуальных подсказок. «Этот факт отражает внутреннюю динамику мозга, которая, в каком-то смысле, не зависит от данных внешнего мира. Вот почему это настолько феноменальное открытие — оно дает нам возможность понять происходящие внутри процессы,» — говорит Джим Кирим, нейрофизиолог из Университета Джона Хопкинса в Балтиморе.

Расшифровывая мозг

Ученые до сих пор не знают, как именно мозг создает пространственные карты или как они используются при навигации. Но работа О «Кифа и Мозеров объясняет не просто навигационную систему мозга — теперь нейрофизиологи могут использовать данные координатных клеток и нейронов места, чтобы ответить на множество вопросов.

Например, ученые хотят узнать больше о том, как мозг преобразует информацию о мире в электрические сигналы и как новая информация объединяется со старой. «Если мы хотим понять работу мозга, мы должны знать, как данные из зоны А преобразуются в данные для зоны Б», — говорит Джим Кирим. Процесс, в ходе которого координатные нейроны доставляют информацию до нейронов места в гиппокампе, дает возможность ученым исследовать этот вопрос.

Ученые также использовали свойства нейронов места, чтобы узнать больше о памяти. Как только крыса пробегает через лабиринт, активизируется последовательность определенных нейронов места. Когда крыса засыпает, эта последовательность вновь «проигрывается» в ее мозге — ученые считают, что это помогает перевести информацию из гиппокампа в область долгосрочной памяти.

Более свежие исследования сна показывают, что в мозге крысы будет проигрываться эта же последовательность, когда она вновь окажется в лабиринте и должна будет выбирать правильный путь. «Мы знаем, что крысы могут совершать путешествия во времени в своей голове, и мы смогли это выяснить только благодаря нейронам места», — говорит Дэвид Редиш, нейрофизиолог из Университета Миннесоты в Миннеаполисе о том, что крысы могут переживать события прошлого.

Многие исследователи считают, что память и пространство еще более тесно связаны между собой. В Древней Греции ораторы, чтобы запомнить речь, мысленно связывали каждый отрывок речи с каким-то участком дороги, ведущей через город. В основе такой мнемотехники лежит тот факт, что гиппокамп кодирует как пространственную информацию, так и автобиографические воспоминания. «Получается, что пространство — это хороший способ организации личного опыта», — резюмирует Мэтью Уилсон.