Путеводный нейрон

Издательства «КоЛибри» и «Азбука-Аттикус» представляют книгу Майкла Бонда «Путеводный нейрон. Как наш мозг решает пространственные задачи» (перевод Юрия Гольдберга).

Навыки навигации глубоко укоренились в нашей биологии. Способность находить путь на большие расстояния в доисторические времена дала Homo sapiens эволюционное преимущество, позволяя исследовать самые отдаленные уголки планеты. Умение ориентироваться тесно связано с другими важными когнитивными функциями, такими как абстрактное мышление, воображение и память. Майкл Бонд обобщает результаты новейших исследований в области психологии, нейробиологии, этологии и антропологии и приводит примеры из опыта людей, чья профессия или род занятий так или иначе связаны с навигацией, — мастеров спортивного ориентирования, летчиков, поисково-спасательных добровольцев, картографов, градостроителей и других. Результатом стало увлекательное погружение в тему ориентирования человека в естественной и искусственной среде с особым акцентом на рассмотрении нейробиологических основ этого важнейшего навыка.

«Тот факт, что мы теряемся не так уж часто, можно считать чем-то вроде чуда. Окружающий мир бесконечно сложен, и всё же большинство из нас могут ориентироваться в нем. Мы способны идти по незнакомым улицам, придерживаясь определенного направления, сокращать путь, прокладывая новые маршруты, и по прошествии многих лет помнить места, где были всего один раз. Это поразительные достижения. Одна из задач этой книги состоит в том, чтобы объяснить, как мы это делаем: как наш мозг составляет когнитивные карты, которые помогают ориентироваться даже в незнакомых местах. Но что еще важнее, книга рассказывает о наших взаимоотношениях с миром, о том, как понимание окружающего мира влияет на психологию и поведение», — пишет автор.

Предлагаем прочитать фрагмент книги.

Мысленные карты

В нейробиологических лабораториях, где исследователи большую часть времени посвящают наблюдениям за мозгом крыс, любимая еда (крыс, а не ученых) — это злаковые колечки для завтрака со вкусом шоколада. Когда исследователям что-то нужно от их мохнатых испытуемых, они достают колечки. Голодная крыса всегда делает то, что от нее требуется. За одним исключением.

Когда крыса впервые оказывается в незнакомом месте, еда ее не привлекает. Охваченное любопытством и страхом, животное обнюхивает новую территорию, прижимаясь к стенам и время от времени выскакивая на открытое пространство; изучить новое место для крысы важнее, чем утолить голод. Нейробиолог Пол Дудченко из Стерлингского университета исследовал процесс обучения животных и долго наблюдал за поведением крыс в лабиринте.

«Крысы склонны к неофобии, им не нравится всё новое, — говорит он. — Но если поместить их в незнакомую среду — а мы делаем это постоянно, — то они с готовностью исследуют ее, причем всегда одинаковым образом, пока не изучат всё пространство».

В этом отношении крысы ничем не отличаются от других животных. Почти все млекопитающие ведут себя в незнакомых местах точно так же. Если у вас есть кошка, попробуйте принести ее в дом своих друзей и понаблюдайте, как она обследует незнакомое место, прежде чем успокоиться или поесть. Люди тоже привыкают к незнакомой обстановке. Самые ненасытные исследователи — дети, если, конечно, им позволить. Похоже, и людям, и животным очень важно познакомиться с новым местом.

Что это за процесс? Что происходит в мозге крысы, когда она исследует лабиринт, или в нашем мозге, когда мы гуляем по незнакомому городу? Эти вопросы занимали нейробиологов и психологов не одно десятилетие, но особое внимание они привлекли к себе после 1971 года, когда Джон О’Киф и Джонатан Достровски, сотрудники кафедры анатомии Университетского колледжа Лондона, обнаружили в мозге крысы нервные клетки, не похожие на все, что исследователи видели раньше. Большинство нервных клеток, или нейронов, возбуждаются — то есть посылают сообщение в другие участки мозга — в ответ на сенсорную информацию, поступающую от тела животного. А эти клетки, напротив, реагировали на положение животного в окружающей среде и активизировались только в определенных местах. О’Киф назвал их нейронами места и предположил, что участок мозга, в котором они расположены, — гиппокамп, по форме напоминающий морского конька, — обеспечивает крысу пространственной системой координат, или когнитивной картой, которая помогает запоминать окружающую среду и ориентироваться в ней.

С тех пор нейробиологи, изучающие мозг крыс, открыли еще несколько типов нейронов, имеющих отношение к восприятию пространства. Существуют нейроны направления головы, которые работают как внутренний компас, сообщая животному, в какую сторону оно смотрит; и нейроны решетки, указывающие на местоположение; и нейроны границы, которые возбуждаются на определенном расстоянии от стены или края. Каким-то образом все эти разные типы клеток работают совместно, чтобы животное могло понять, где оно находится, и, что еще важнее, запомнить, где оно уже побывало.

Если информация, регистрируемая этими нейронами пространства, действительно формирует когнитивную карту — а большинство исследователей описывает это именно так, — то это не настоящая карта: заглянув внутрь гиппокампа, вы не увидите там ничего напоминающего Google Maps для тех мест, которые вы посетили или помните. Нейроны места, направления головы, решетки, границ и другие типы нейронов пространства совместными усилиями формируют у нас картину внешнего мира и позволяют на основе этой информации делать удивительные вещи; без них мы никогда и нигде не могли бы найти дорогу и все время сбивались бы с пути. Но как они это делают и в какой форме хранят воспоминания — всё это до сих пор остается загадкой, которую нейробиологи надеются рано или поздно разрешить.

Исследование пространственного восприятия — того, как мозг получает и использует информацию о пространстве, — превратилось в одну из самых быстроразвивающихся областей нейробиологии. В немалой степени этому способствовало то, что Джону О’Кифу за его исследования нейронов места, которы м он посвятил четыре десятилетия, присудили Нобелевскую премию по физиологии и медицине. Вместе с ним премию получили Мэй-Бритт Мозер и Эдвард Мозер, первооткрыватели нейронов решетки1. Это очень интересная и технологически сложная задача.

Нейробиологам трудно получить разрешение этических комитетов на вживление микроэлектродов в мозг здоровых людей, и поэтому большинство исследований нейронов пространства проводились на крысах или мышах, мозг которых больше похож на наш, чем кажется на первый взгляд. Требуется немалое мастерство, чтобы разместить электроды толщиной с человеческий волос точно в том месте мозга крысы, которое вы намерены изучить. Когда животное восстановится после операции (это занимает несколько дней), исследователи получают возможность записывать импульсы напряжения от отдельных нейронов, так называемые «потенциалы действия», которые вырабатываются, когда нейрон реагирует на поступающую информацию и передает ее дальше по своей сети связей. Другими словами, они могут заглянуть в «материнскую плату» крысы, где обрабатываются ее взаимодействия с внешним миром. После того как О’Киф открыл нейроны места у крыс, другие нейробио логи обнаружили эти клетки у мышей, кроликов, летучих мышей и обезьян, а также у страдавших эпилепсией людей, которым в процессе лечения уже вживили в мозг электроды. Все нейроны места выполняют одну и ту же функцию.

Чтобы понять роль этих нервных клеток, представьте на минуту, что вы — нейрон в гиппокампе крысы по кличке Роланд. Когда Роланд попадает в маленький отсек, где он раньше не был, и начинает принюхиваться, с вами поначалу ничего не происходит. Но, когда он добирается до определенного места в пространстве, вырабатываемое вами напряжение вдруг резко возрастает и остается на этом уровне, пока Роланд не двинется дальше. Вы остаетесь в спокойном состоянии до тех пор, пока крыса не вернется в это особое место, — и ваше напряжение снова выходит на пик. Взглянув на другие нейроны места — ваших соседей по гиппокампу, — вы замечаете, что то же самое происходит и с ними, только в других местах — каждый вырабатывает импульс в определенной зоне, так называемом «поле места».

Через несколько минут Роланд через дверцу попадает в другой отсек, и вы обнаруживаете, что все изменилось. Ваше поле места смещено, поля места соседних клеток перемешаны. Роланд попадает в третий отсек, и все снова меняется: здесь вы не проявляете никакой активности. Затем Роланд, проголодавшись и рассчитывая найти вкусные колечки, возвращается в первый отсек, и поля места в нем располагаются точно так же, как в первый раз. Мозг Роланда подчиняется определенной логике, хотя правила ее довольно сложны.

Переведем этот мысленный эксперимент на язык науки: когда животное попадает в незнакомое пространство и начинает исследовать его, в гиппокампе активизируется уникальная комбинация нейронов места, а когда оно попадает в это же пространство снова, возбуждается та же самая комбинация, причем каждый нейрон активизируется в том же месте пространства, что и раньше; этот паттерн и есть когнитивная карта, сообщающая животному, что оно уже здесь было. О’Киф выяснил, что для того, чтобы освоиться в коробке площадью один квадратный метр, крысе требуется около 32 нейронов места, которые возбуждаются, когда крыса находится в разных частях коробки. Чем чаще животное возвращается в ту или иную область, повторно активизируя ту же самую последовательность нейронов места, тем устойчивее становятся связи между нейронами, а значит, и память. Разные пространства отображаются разными комбинациями нейронов места, то есть разными картами. Нейробиологи, изучающие поведение крыс в лабиринтах, иногда могут с точностью до сантиметра определить местоположение крысы по сигналам от нейронов места — это впечатляющий пример чтения мыслей животных.

Как бы то ни было, когнитивная карта отличается от тех карт, которые вы можете увидеть в Королевском географическом обществе в Лондоне или в Библиотеке Конгресса в Вашингтоне. Гиппокамп не хранит копии последовательной активации нейронов места; эти нейроны возбуждаются только тогда, когда животное находится в соответствующей области2. Мозг должен где-то хранить пространственную память, но никто не знает, где он ее хранит и в какой форме.

Нейроны места в гиппокампе — в отличие от своих полей места — явно не похожи на карту: соседние нейроны места не обязательно соответствуют соседним точкам пространства, и распределение полей по нейронам выглядит случайным. Более того, вся эта схема перемешивается — или «составляется новая карта», как выражаются нейробиологи, — когда животное попадает в новую обстановку. До сих пор никто не сумел предсказать, как будут вести себя нейроны места при смене обстановки или где могут находиться соответствующие поля места.

«Отсутствие у нейронов места топографической структуры всегда приводило меня в замешательство, — говорит О’Киф. — Я всю жизнь работал на кафедре анатомии. Если вы посмотрите на кору головного мозга, то клетки, соответствующие пальцу, располагаются рядом с клетками, соответствующими соседнему пальцу, то есть мы видим своего рода топографическое отображение. Но когда перед вами структура, в которой этого не наблюдается, и два нейрона места, отображающие соседние точки пространства, расположены далеко друг от друга, и все это должно быть картой… Это не карта».

В 1998 году покойный Роберт Мюллер, коллега О’Кифа, продемонстрировал случайный характер расположения нейронов места, регистрируя электрическую активность этих нервных клеток у крыс, исследовавших незнакомое пространство. Затем он перезагрузил эти клетки, стерев пространственную память крыс, и снова поместил животных в то же место, чтобы проверить, будут ли возбуждаться те же нейроны места. Оказалось, что нет.

Когнитивная карта крысы — схема возбуждения ее нейронов места — была совсем не похожа на первоначальную. Это указывает не только на непредсказуемость отображения в мозге местоположения в пространстве, но и вообще на отсутствие какой-либо предопределенности. Возможно, на то есть серьезная биологическая причина, но в таком случае понять идею гиппокампа как карты еще сложней.

За время, прошедшее с тех пор, как О’Киф открыл нейроны места, стало ясно, что когнитивные карты не просто отображают информацию о пространстве. Если крыса бежит по определенному маршруту, потом поворачивает и бежит назад, когнитивные карты путешествий туда и обратно будут отличаться. В данном случае карта регистрирует не только топографию маршрута, но и направление движения. Как мы увидим, когнитивные карты отображают множество аспектов опыта животного (если по дороге встречается еда или крысе уже знаком этот маршрут, карта тоже будет выглядеть иначе). Нам не выжить без когнитивных карт, но никто точно не знает, что они собой представляют.

1. Эдвард и Мэй-Брит Мозер состоят в браке и по-прежнему работают вместе.

2. Или, как мы вскоре увидим, когда оно думает об этой области или видит ее во сне.