Звездное небо внутри нашего мозга

Нобелевскую премию присудили биологам, которые нашли нейроны, отвечающие не просто за ориентацию — за саму идею пространства

6 октября 2014 года Нобелевский комитет, обманув всех букмекеров, присудил Нобелевскую премию по физиологии и медицине Джону О’Кифу (Лондонский университетский колледж, Великобритания), а также супругам Мэй-Бритт и Эдварду Мозер (Университет науки и технологий в Тронхейме, Норвегия) за открытие системы навигации в мозге млекопитающих.

Помимо медицинских обещаний, эти открытия несут в себе целую философию — как вообще работает мозг.

Крысы и Иммануил Кант

А начинался этот разговор с экзотического вопроса: «Как крысы представляют себе геометрию своих нор?» В нейронауке на рубеже пятидесятых — шестидесятых годов ХХ века на эту тему завязался острый спор.

Бихевиористы, пытаясь влезть в крысиную шкуру, думали так: «Хм… вот угол… за ним — чуть светлее, и раз так — то движемся вперед, там дальше было что-то хорошее… да-да, точно — за тем камнем (не удариться мордой) посмотреть… ага, как и в прошлый раз, оттуда тянет свежим воздухом — значит, тут и есть выход из норы». Иными словами, крыса ориентируется в пространстве благодаря внешней информации, выучивает и хранит в памяти цепочки, каскады внешних стимулов и ожидаемых за ними результатов (и получает в итоге выход/еду/секс).

Со сторонниками поведенческой теории спорили романтически настроенные биологи, которые смотрели на работу мозга глазами Иммануила Канта. Кант предполагал, что, помимо пресловутого нравственного закона, внутри нас существуют некие врожденные представления об устройстве мира, знания и способности, независимые от личного опыта. Звездное небо над головой из известной цитаты — не только для красоты. Кант имел в виду, что, подобно тому, как во внешнем мире есть незыблемая система координат (для навигации в пространстве), внутри нас есть некая прошивка — для навигации этической. Но не только этической: одним из таких прошитых ментальных инструментов Кант считал представление о пространстве.

Например, для крысы это — сама идея двумерной плоскости, на которую должен ложиться личный опыт ползания по этой плоскости. В этой версии крыса должна думать так: «Вот угол; слева и справа от него может быть всякое, но я помню, что смотреть надо налево — да, как и в прошлый раз, именно слева — светлее; и дальше был камень, примерно на расстоянии трех моих корпусов, пока не вижу, но иду дальше — ага, вот он; обогнуть его слева или справа — не суть, важно поймать струю свежего воздуха и идти на нее — там будет выход».

Подслушать нейроны

Самое интересное началось, когда появилась техническая возможность «подслушать», о чем говорят нейроны. Тридцатилетний американец по имени Джон О’Киф, еще не знавший, что из-за этой работы застрянет в Лондоне на всю жизнь, не был первым, кто научился читать сигнал с отдельных нейронов; но он был первым, кто стал делать это, предоставив крысе полную свободу естественных перемещений, вместо того, чтобы, как делали бихевиористы, зажимать ее в тиски и показывать искусственные картинки. В 1971 году Джон О’Киф опубликовал работу, за которую сегодня и получил премию. Он установил, что в главном центре долгосрочной памяти (гиппокампе, от греч. «морской конек», из-за внешней формы этого участка мозга) есть особая группа нейронов. Каждый раз, когда крыса оказывается в определенной зоне вольера, «зажигается» конкретная комбинация нейронов, а когда в другой — другая комбинация этих же нейронов. Это очень непохоже на ситуацию, когда мозг просто пассивно реагирует на внешние стимулы и запоминает их цепочки. О’Киф назвал их «нейроны места»; позже он выяснил, что эти внутренние «созвездия» приобретаются с опытом и хорошо закрепляются. Вывод: в памяти под действием опыта создается карта местности, причем конкретная комбинация нейронов запоминает конкретный участок.

Нейроны — специалисты

Когда Джон О’Киф гонял своих крыс по вольеру, Мэй-Бритт и Эдварду Мозер, которые сейчас разделили с ним Нобелевку, было по 8 лет, и они гоняли крыс просто на ферме. Эдвард и Мэй-Бритт Мозер выросли на соседних норвежских островах, в семьях обычных крестьян. Нравы там были настолько патриархальны, что когда Мэй-Бритт сообщила матери, что попробовала пиво в баре в ближайшем городке, та сокрушенно ответила: «Так. Что дальше?»

Дальше у Мэй-Бритт была учеба в университете, знакомство с мужем, а еще — фанатичная борьба за право учиться в хорошей аспирантуре, причем обязательно вдвоем с мужем в одном месте. Супруги Мозер освоили технологию О’Киф в Лондоне, получили подвал и оборудование под свои эксперименты в университете в Тронхейме и задались целью прозвонить всю цепочку: узнать, где «нейроны места» получают информацию об устройстве пространства. Им повезло: 10 лет назад они нашли группу нейронов в соседнем с гиппокампом участке мозга, которая несет в себе совершенно кантианский образ пространства.

Как и О’Киф, супруги Мозер сорвали куш потому, что дали животному свободно и естественно бродить по большому пространству без ограничений. Тогда они увидели: когда крыса движется, на каждые несколько сантиметров движения приходится вспышка неких нейронов, будто они отмеряют версты. «Узор получился настолько регулярный, что сначала я решила: мы наблюдаем какой-то сбой в работе оборудования», — вспоминает профессор Мэй-Бритт Мозер. Оказалось, что в мозге крысы любая плоскость — что знакомая, что незнакомая, что освещенная, что темная — разбита на правильные шестиугольники — как пчелиные соты. Рядом с «нейронами места» (открытыми О’Киф) супруги Мозер нашли «нейроны решетки» — они зажигаются каждый раз, когда зверь попадает в узел соты.

Эта решетка — и есть обещанная Кантом «прошивка»; внутри нас не просто нравственный закон — но «звездное небо», предустановленная система координат. «Нейроны решетки» говорят нам, как далеко мы прошли и сколько осталось. Поверх этого знания накладываются узоры «нейронов места», которые говорят, как расставлена мебель тут и там; перерезать связь (пробовали) — и «нейроны места» не выстрелят (наступит полная дезориентация).

На этом супруги Мозер не остановились, все последние годы из их лаборатории идет непрерывный поток первоклассных публикаций. Оказалось, что у млекопитающих есть не один, а много наборов «нейронов решетки», каждый — со своим размером соты. Чувство пространства устроено сложнее всех других наших чувств: мы движемся на плоскости, одновременно накладывая на нее миллиметровку нескольких масштабов — с крупным и мелким «зерном».

Еще один изящный эксперимент: Мозеры занялись «телепортацией» крыс. Они приучали животных к тому, как по-разному выглядят два удаленных участка вольера (А и Б); на самом же деле оба «интерьера» представляли собой световые проекции. Потом, быстро включая проекцию Б рядом с проекцией А прямо перед носом у бегущих крыс, ученые создавали у подопытных иллюзию, что те переместились между двумя участками не постепенно, а мгновенно. Было видно, что «нейроны места» могут переключаться за 18 секунды, но не быстрее; столько нужно «нейронам решетки», чтобы прийти в себя от такого сбоя.

Также Мозеры открыли еще нейроны «ориентации морды» — они важны, чтобы мозг понимал, в каком направлении мы движемся. Они же описали нейроны «счисления координат» — они нужны для того, чтобы вычислять положение в пространстве, когда известна только скорость движения, его направление и начальная точка (так приходилось ориентироваться мореплавателям в древности). Наконец они обнаружили «нейроны границ», которые воспринимают границы помещений и предметов в них.

Подобные нейроны нашли и у человека. Эксперимент, в котором лондонских таксистов заставляли в томографе играть в виртуальную игру Getaway, где они гоняли на автомобиле по Лондону, показал замечательную вещь: у таксистов все нейроны позиционирования развиты лучше, чем у обычных людей.

При болезни Альцгеймера в первую очередь пропадает пространственная память. «Узнаем, как работает, поймем, как ломается, — научимся и лечить» — эта логика, то есть медицинский потенциал их открытия, дал сегодняшним лауреатам надежный пропуск на декабрьский ужин с королем в Стокгольме.

Дворцы памяти

Но на самом деле их крысы могут интересовать не только врачей, но и всех нас. Дело вот в чем: среди нейробиологов есть довольно популярное поверье, что пространственная память — это фундамент памяти вообще. Еще древние греки умели строить мысленные «дворцы памяти» (сегодня об этом методе знают спецслужбы и авторы сериала «Шерлок») — чтобы проще было запомнить какие-то вещи, они располагали факты в мысленно выстраиваемом дворце с большим количеством комнат, шкафов и ящичков. И если мы научимся управлять нейронными сетями, которые сегодня газеты называют «GPS мозга» — возможно, мы получим неограниченный доступ к чтению, стиранию и наполнению вообще любой памяти. Ну и усвоим, что при совершении любого преступления, в первую очередь, нужно опрашивать таксистов — теперь мы знаем, почему у них феноменальная память.