Как нейронная сеть помогает ориентироваться в пространстве?

Считается, что ориентация животного в пространстве возможна благодаря активности так называемых клеток места в мозге, которые демонстрируют специфическую электрическую активацию при нахождении животного в определенной точке пространства. Сначала такая активность существует в широком пространственном диапазоне. Но спустя небольшое время после попадания животного в новую обстановку клетки места, которые находятся в гиппокампе, небольшой области мозга, начинают демонстрировать специфическую активность в одних местах пространства и не проявляют ее в других.

Если животное несколько раз оказывается в одной и той же обстановке, происходит настройка активности клеток места, когда животное все точнее дифференцирует для себя пространство. Особенно если нахождение в одних местах как-то связано для животного с агрессивным поведением, ударом тока или каким-то положительным подкреплением, например если животное находит корм. Допустим, животное предпочитает северный угол клетки, где один нейрон гиппокампа будет давать электрическую активность, а другой будет молчать. И только когда животное начнет перебегать, скажем, в юго-западный угол клетки, другой нейрон будет демонстрировать другую активность. Происходит пространственная дифференциация клеток. Активность клеток «привязывается» к положению животного в пространстве. Чем более зрелыми становятся нейроны, тем точнее происходит дифференциация.

Есть основания считать, что подобные процессы идут и в человеческом мозге. Если учесть, что гиппокамп выполняет очень схожие функции с функциями гиппокампа других млекопитающих и одна из его задач - ориентация в пространстве, то у человека этот процесс должен проходить схожим образом.

Характерной особенностью зубчатой фасции гиппокампа является продолжающийся во взрослом возрасте нейрогенез - генерация новых нейронов из стволовых клеток. Однако роль этих взрослорожденных нейронов в поведении до последнего времени оставалась неизвестной. Используя методы визуализации кальциевых волн и оптогенетические манипуляции, Дэниелсон и соавторы (Danielson et al., 2016) задались этим фундаментальным вопросом.

Визуализация кальциевых сигналов позволяет ученым следить за электрической активностью нейронов. Появление кальция в клетке тесно связано с генерацией ею потенциалов действия или пачек импульсов. Разработаны специальные белковые молекулы, при связывании кальция с которыми они начинают светиться. Этот сигнал можно увидеть при помощи микроскопа, не внедряясь в ткань мозга электродами.

Оптогенетика позволяет управлять активностью отдельных нейронов, возбуждая или тормозя их активность светом определенной длины волны. Этот подход расширил арсенал методов управления активностью мозга. Он основан на внедрении в мембрану клеток светочувствительных молекул-каналов, которые при освещении способны пропускать в ту или другую сторону, внутрь клетки или наружу определенные ионы. Движение ионов определяет способность клетки давать электрический разряд или, наоборот, замолкать. Освещение «активирующих» белков приведет к возбуждению нейронов, а освещение «ингибирующих», соответственно, к торможению. Таким образом, оптогенетика позволяет регулировать светом активность отдельных нейронов в ограниченных областях мозга, не затрагивая соседние структуры.

Регистрируя кальциевый сигнал, авторам удалось установить, что взрослорожденные нейроны оказались более активными, демонстрируя большую частоту кальциевых ответов, чем их зрелые собратья. При этом «настройка» активности клеток также зависела от степени их зрелости: в отличие от зрелых нейронов, взрослорожденные клетки были не так точно пространственно настроены, что выражалось активацией одной и той же клетки при нахождении мыши в разных местах виртуального лабиринта.

Затем авторы сравнили, как меняется кальциевая активность в мозге при последовательном попадании мыши в разные («А-В») или идентичные («В-В») лабиринты. Разные контексты различались по обонятельному, звуковому, тактильному и визуальному окружению. Зрелые нейроны демонстрировали высокую специфичность активации на положение животного в той или иной точке пространстве, при этом их активация воспроизводилась при повторном помещении в ту же обстановку («B-B»). В отличие от этого, взрослорожденные нейроны не демонстрировали воспроизводящейся активности при последовательном помещении животного в один и тот же лабиринт.

Заключительным был вопрос о вовлечении взрослорожденных нейронов в распознавание новой обстановки. Авторы обучали мышей, сочетая помещение в новую обстановку с ударом током. Приобретение такого опыта приводит к модификации поведения животных при повторном попадании в ту же обстановку. Используя оптогенетический конструкт для инактивации светом незрелых нейронов зубчатой фасции гиппокампа при обучении, Дэниелсон с коллегами установили, что активность этих клеток необходима для приобретения памяти об опасности новой обстановки.

Наконец, инактивация взрослорожденных нейронов зубчатой фасции у мышей в камере «А», где они получали удар током, не нарушала способность отличить похожую, но безопасную камеру «В». Однако, если инактивацию проводили при нахождении мыши в камере «В», это затрудняло различение опасного и безопасного контекстов.
Таким образом, авторам удалось установить несколько важных фактов. Во-первых, в новой обстановке взрослорожденные незрелые нейроны демонстрируют более высокий уровень возбудимости, чем их зрелые собратья. Однако они менее специфичны в представлении пространства. Во-вторых, установлена необходимость вновь появившихся нейронов для дискриминации сходных обстановок in vivo. Авторы предполагают, что, созревая, взрослорожденные нейроны приобретают способность более точно кодировать пространство и точнее различать сходные обстановки.

Источник: postnauka.ru

Комментарии: