Максим Руссо: Мозг строит карту

Максим Руссо Крысы помогли обнаружить нейроны, ответственные за пространственную ориентацию Tatiana Bulyonkova/Flickr

Нобелевскую премию по физиологии и медицине 2014 года получат нейробиологи Джон О`Киф (John O'Keefe), Эдвард Мозер (Edvard I. Moser) и Мэй-Бритт Мозер (May-Britt Moser) за работы, в которых описываются механизмы головного мозга, ответственные за ориентацию в пространстве.

Способность определять свое положение в пространстве, двигаться по определенному маршруту, осознавать взаимное расположение объектов – одна из важнейших функций мозга любого животного. Еще Иммануил Кант писал, что восприятие пространства – одна из врожденных, базовых умственных способностей, существующих вне зависимости от опыта. Но определить, что именно отвечает за эту способность в мозге, и, по крайней мере отчасти, экспериментально подтвердить предположение Канта о врожденности понятия о пространстве ученые смогли только недавно.

В 1971 году в журнале Brain research была опубликована статья Джона О`Кифа и Джонатана Достровского The hippocampus as a spatial map. Preliminary evidence from unit activity in the freely-moving rat, где впервые описывались нейроны в гиппокампе головного мозга, которые возбуждались, только когда крыса попадала в определенное место внутри помещения, где она находилась. Эти нейроны получили название «нейронов места» (place cells). Активность нейронов изучалась в процессе естественного поведения животных: свободного передвижения по клетке. В дальнейшем Джон О`Киф продолжил исследования роли клеток гиппокампа в пространственной ориентации. В 1978 году выходит его книга The Hippocampus as a Cognitive Map (совместно с Линном Наделом).

Как установил О`Киф с коллегами, различные нейроны места, возбуждающиеся при нахождении крысы в разных точках пространства, образуют своего рода «ментальную карту» – отражение картины пространства в мозге животного. Он показал также, что гиппокамп может содержать несколько карт, представленных комбинациями различных нейронов места, которые были активны в разное время в разных средах.

В дальнейших экспериментах была показана роль нейронов места в формировании памяти. Утверждения Джона О`Кифа и его коллег, что гиппокамп играет роль в пространственной ориентации, поначалу воспринимались скептически, но, так как они были подтверждены скрупулезно проведенными экспериментами, эти выводы получили широкое признание. За работами О`Кифа последовали многочисленные исследования других авторов, значительно расширившие картину функций гиппокампа.

Некоторое время считалось, что пространственные функции в мозге связаны только с клетками гиппокампа. Но затем последовали дальнейшие открытия. Например, в 1985 году, также в экспериментах с крысами, Джеймсом Рэнком были обнаружены нейроны, возбуждавшиеся, когда крыса поворачивала голову в определенную сторону. Они находятся в основании гиппокампа (субикулуме) и получили название «нейронов направления головы» (head direction cells).

Затем наступил черед Эдварда и Мэй-Бритт Мозер, которые работают в Норвежском университете науки и технологии в Тронхейме. Они обнаружили, что при передвижениях крысы возбуждаются также нейроны энторинальной коры мозга – зоны, лежащей ниже гиппокампа. Причем картина этого возбуждения была очень необычной. Определенный нейрон активизировался в те моменты, когда крыса пересекала узел воображаемой координатной решетки в пространстве, причем эта решетка состояла из шестиугольных ячеек, подобных пчелиным сотам. Эти клетки получили название «нейронов координационной решетки» (grid cells, в русской литературе называются также grid-нейронами).

В опытах 2008 года был обнаружен еще один тип нейронов (border cells), который активируется, когда крыса подходит к стенкам своей клетки. Существование таких нейронов Джон О`Киф и его коллеги предсказали в работе 2000 года.

Активация нейронов места, нейронов направления головы и нейронов координатной сетки в мозге крысы, движущейся в пространстве. (Linda Palmer, Gary Lynch. A Kantian View of Space // Science. 2010. V. 328. P. 1487–1488.)

Нейроны места и нейроны координационной сетки были позднее обнаружены у других млекопитающих, в том числе и у людей. Существование «координатной решетки» в мозге человека находит подтверждение и в исследованиях методом функциональной магнитно-резонансной томографии.

Интересные исследования в области нейробиологии пространственного мышления были опубликованы в 2010 году в июньском номере журнала Science. Одно из них было выполнено Джоном О`Кифом и его коллегами из Университетского колледжа Лондона. Авторами другого стали Эдвард и Мэй-Бритт Мозер, их норвежские коллеги, а также биологи из Сент-Эндрюсского университета.

В этот раз исследователи решили изучить, когда начинают работать системы пространственных нейронов в мозге животного, когда формируются «ментальные карты». Фактически, это была попытка ответить на вопрос, прав ли был Иммануил Кант, считая идею пространства врожденной. Для этого ученые исследовали активность нейронов в мозге маленьких крысят, которые только начали делать первые шаги.

Происходило это примерно на шестнадцатый день после рождения. Зафиксировав с помощью электродов мозговую активность, ученые обнаружили, что «нейроны места» и «нейроны направления головы» работают у крысы с самого начала. А вот активность «нейронов координатной сетки» начинается через несколько дней. То есть способность оценивать направление и «привязывать» точку пространства к определенному нейрону у крыс оказалась врожденной, для нее не требуется обучения. Так что можно сделать вывод, что Кант прав хотя бы отчасти.

Смотрите также: Александра Брутер Причуды памяти Светлана Ястребова Гиппокамп и математика И после смерти «пациент Г.М.» служит науке

Оптогенетикой по памяти