Где мы? Нейроны места

В этом году Нобелевская премия по физиологии и медицине присуждена Джону О’Кифу и супругам Мозер, Эдварду и Мэй-Бритт. Согласно формулировке Нобелевского комитета, премия получена за «открытия клеток, которые образуют систему навигации в мозге». Рассказывает нейро- и психофизиолог Ольга Сварник.

Эта история началась в 1971 году, когда Джон О’Киф (совместно с Джонатаном Достровски) опубликовал в журнале Brain Research работу, посвященную анализу активности отдельных нейронов в гиппокампе у крыс в свободном поведении (O’Keefe & Dostrovsky, 1971). Джон О’Киф был одним из первых, кто начал использовать возможности регистрации активности отдельных нейронов у свободно подвижных животных. То есть не у анестезированных, не у мягко фиксированных, а именно у свободно двигающихся и выбирающих, куда им пойти и зачем. Регистрация проводилась как во время «спонтанного» поведения (передвижений в пространстве, питания и питья, груминга, периодов сна), так и во время «вызванного» поведения (при ориентации на объект, обнюхивании, покусывании). Также нейроны тестировали при предъявлении слуховых, зрительных, запаховых и тактильных стимулов. Из семидесяти шести зарегистрированных клеток восемь, как оказалось, имели «предпочитаемую пространственную ориентацию». Важно, что эти клетки не были связаны ни с реакцией на «простые» сенсорные стимулы, ни со специфичным моторным поведением.

С самого начала этих исследований было предположено, что обнаруженные свойства нейронов гиппокампа соответствуют представлению о «когнитивных картах» Эдварда Толмена (Tolman, 1948), который показал, что крысы, имевшие возможность обследовать лабиринт, лучше обучаются последующим навыкам в этом лабиринте, чем крысы, которые такой возможности не имели. Поскольку никакого подкрепления при первоначальном обследовании крысы не получали, Толмен предположил, что такие «когнитивные карты» формируются как абстрактные представления, а не как цепочка подкрепляемых моторных реакций.

Кроме нейронов, активирующихся при определенной ориентации животного, позднее были описаны нейроны именно «места» (place cells) (O’Keefe, 1976), активирующиеся в определенном месте вне зависимости от конкретной ориентации животного в пространстве; нейроны «направления головы» (head direction cells) (Taube et al., 1990); нейроны «координатной сетки» (grid cells) (Hafting et al., 2005); нейроны «границ» (border cells) (Solstad et al., 2008). Не так давно были описаны нейроны, маркирующие трехмерное пространство у летучих мышей (Yartsev & Ulanovsky, 2013).

Впервые описания нейронов «координатной сетки» и нейронов «границ» были даны именно Мозерами и их сотрудниками. Каждый нейрон «координатной сетки» активируется в нескольких местах обследуемого пространства, так что карта активаций выглядит как гексагональная решетка, где каждый узел решетки — активация. А нейроны «границ» активируются там, где границы предоставляемого к обследованию пространства заканчиваются.

Описанные нейроны можно было бы представить компонентами системы навигации мозга, некоего «внутреннего» навигатора, сообщающего нам, где мы. Однако есть несколько моментов, которые усложняют эту картину. Судя по тому, что последовательность активаций нейронов места у животных повторяется в моменты остановок (Foster & Wilson, 2006) и во сне (Louie & Wilson, 2001), а также у людей при припоминании эпизода перемещения в виртуальном пространстве (Miller et al., 2013), наша память о пространстве может воспроизводиться в виде комбинаций активаций определенных групп нейронов.

В недавних исследованиях Говарда Эйхенбаума и его группы (MacDonald et al., 2011; Eichenbaum, 2014) были описаны так называемые клетки «времени» гиппокампа. Можно предположить, что нейронные группы гиппокампа представляют собой опыт организма, специальным образом организованный в пространстве и времени. А учитывая, что определенная последовательность активаций клеток гиппокампа может возникать еще до того, как животное попало в данное пространство (Dragoi & Tonegawa, 2011), это должно быть скорее не навигацией, а предсказаниями мозга относительно будущих событий, основанными на опыте прошлого (Buzsaki, 2013).

Присужденная Нобелевская премия важна тем, что отмечает достижения науки в области понимания того, что лежит в основе «высших», когнитивных функций. Это демонстрирует связь активности нейронов с субъективными абстрактными «концепциями», такими как «место», и в очередной раз показывает, что мы можем иметь доступ к «внутреннему» миру организма. Существенно и то, что акцент изучения «высших» функций мозга смещается от поиска структур, осуществляющих те или иные функции, к поиску распределенных по мозгу нейронных групп, активирующихся в соответствии с той или иной решаемой организмом задачей.

Buzsáki G. (2013) Cognitive neuroscience: Time, space and memory. Nature, 497: 568-569.

Dragoi G, Tonegawa S. (2011) Preplay of future place cell sequences by hippocampal cellular assemblies. Nature, 469: 397-401.

Eichenbaum H. (2014) Time cells in the hippocampus: a new dimension for mapping memories. Nat Rev Neurosci. Oct 1. doi: 10.1038/nrn3827.

Foster DJ, Wilson MA. (2006) Reverse replay of behavioural sequences in hippocampal place cells during the awake state. Nature, 440: 680-683.

Hafting T, Fyhn M, Molden S, Moser MB, Moser EI. (2005) Microstructure of a spatial map in the entorhinal cortex. Nature, 436: 801-806.

Louie K, Wilson MA. (2001) Temporally structured replay of awake hippocampal ensemble activity during rapid eye movement sleep. Neuron, 29: 145-156.

MacDonald CJ, Lepage KQ, Eden UT, Eichenbaum H. (2011) Hippocampal «time cells» bridge the gap in memory for discontiguous events. Neuron, 71: 737-749.

Miller JF, Neufang M, Solway A, Brandt A, Trippel M, Mader I, Hefft S, Merkow M, Polyn SM, Jacobs J, Kahana MJ, Schulze-Bonhage A. (2013) Neural activity in human hippocampal formation reveals the spatial context of retrieved memories. Science, 342: 1111-1114.

O’Keefe J. (1976) Place units in the hippocampus of the freely moving rat. Exp Neurol, 51: 78-109.

O’Keefe J, Dostrovsky J. (1971) The hippocampus as a spatial map. Preliminary evidence from unit activity in the freely-moving rat. Brain Res, 34: 171-175.

Solstad T, Boccara CN, Kropff E, Moser MB, Moser EI. (2008) Representation of geometric borders in the entorhinal cortex. Science, 322: 1865-1868.

Taube JS, Muller RU, Ranck JB Jr. (1990) Head-direction cells recorded from the postsubiculum in freely moving rats. I. Description and quantitative analysis. J Neurosci, 10: 420-435.

Tolman EC (1948) Cognitive maps in man and animals. Psychol. Rev., 55: 189-208.

Yartsev MM1, Ulanovsky N. (2013) Representation of three-dimensional space in the hippocampus of fying bats. Science, 340: 367-372.