В головном мозге функционирует нейронный «компас»

Кольцо нейронов в зрительном бугре реагирует на повороты головы, определяя её направление.

Нейроны, которые отвечают за ориентацию в пространстве, открыли достаточно давно, и за них даже успели дать Нобелевскую премию.

Нобелевской премии в 2014 году удостоились американский нейробиолог Джон О'Киф и норвежские исследователи Мэри-Бритт и Эдвард Мозеры – за открытие двух классов нервных клеток, помогающих нам ориентироваться в пространстве.

Способность ориентироваться на местности – процедура настолько важная и сложная, что в мозге этим занимаются сразу две группы нервных клеток. Одни расположены в гиппокампе, который благодаря им, кроме «центра памяти», стал называться ещё и «центром навигации» (или «центром пространственной ориентации»); других нашли в энторинальной коре, которая с гиппокампом тесно связана. Хотя обе группы нейронов нужны для того, чтобы индивидуум понимал, где он находится и куда двигается, функции у них во многом отличны друг от друга.

В конце 60-х годов американский исследователь Джон О'Киф (John O’Keefe), первый из нынешних нобелеатов, заметил, что у блуждающих по комнате крыс в мозге включаются особые нейроны, чью активность нельзя было объяснить просто поступлением в мозг новых визуальных стимулов. Оказалось, что эти клетки активируются в ответ на совокупные особенности ландшафта, окружающие в крысу в данный момент – нейроны будто реагировали на специфическое место и на переход из одного окружения в другое. Дальнейшие эксперименты показали, что в гиппокампе действительно хранится множество карт местности, каждая из которых кодируется особой комбинацией специальных клеток. Их так и назвали – нейроны места.

В 2005 году норвежские нейробиологи Мэй-Бритт и Эдвард Мозеры (May-Britt, Edvard Moser) обнаружили в энторинальной коре другую группу нервных клеток, которые быстро получили прозвище GPS-системы мозга. Они по очереди возбуждаются, пока индивидуум передвигается в пространстве, – то есть, можно сказать, что эти нейроны отмечают участки территории. Особенность же их в том, что включаются такие нейроны по особой схеме, разбивая пространство на шестиугольные фрагменты, делая его похожим на огромную решётку. Отсюда и их название – grid-нейроны, или нейроны решётки. Когда в эксперименте крыса проходила вершину «виртуального» шестиугольного элемента, grid-клетка реагировала импульсом. Их отличие от нейронов места в том, что grid-клетки просто задают систему координат, в которой мозгу удобно описывать конкретный ландшафт и собственные перемещения в пространстве. За своё открытие супруги Мозеры и удостоились чести разделить Нобелевскую премию вместе Джоном О'Кифом в 2014.

Хотя эксперименты по выяснению функций навигационных нейронов ставили – и ставят – на животных, такие клетки, очевидно, есть и у человека. Считается, что именно из-за гибели таких нейронов при синдроме Альцгеймера больные теряют способность ориентироваться в пространстве уже на ранних стадиях недуга.

Часть нейронов навигации в прямом смысле работают картографами – они хранят карты конкретных мест. Другие нейроны по очереди возбуждаются, пока индивидуум передвигается в пространстве, – то есть они отмечают участки территории. Их особенность в том, что включаются такие нейроны по особой схеме, разбивая пространство на шестиугольные фрагменты, делая его похожим на огромную решётку. Нейроны решётки чем-то похожи на GPS-систему. О каком компасе в таком случае речь?

Мы всегда знаем, где у нас право, где лево, в какую сторону повёрнута голова, в какую сторону мы идём. Если мы смотрим на настоящий компас, то с ним всё понятно: стрелка отклоняется туда или сюда, и мы понимаем, что идём на северо-запад, или северо-восток или куда ещё. Но если мы имеем дело с мозгом, то, очевидно, тут нужно следить за активностью нейронов: когда мы поворачиваем голову, то одни нейроны включаются, а другие выключаются. Эти нейроны выполняют иную работу, нежели нейроны решётки и нейроны-картографы, и известно, что располагаются они в зрительном бугре, или таламусе, точнее, в той его части, которая называется антеродорсальным (то есть переднеспинным) таламическим ядром. Таламус служит сенсорным хабом – к нему стекаются нейронные сигналы от всех органов чувств, кроме обоняния, так что естественно, что в нём находится и нейронный «компас», определяющий направление головы.

Исследователи из Техасского университета в Остине и Массачусетского технологического института записали активность множества нейронов антеродорсального ядра в мозге мыши, пока сама мышь свободно бегала. Работу тех нейронов, которые реагировали на повороты головы, потом анализировали с помощью топологических методов. В статье в Nature Neuroscience говорится, что несколько тысячи таких клеток образуют изогнутую кольцеобразную структуру.

https://www.nature.com/articles/s41593-019-0460-x

(Похожее кольцо раньше открыли в мозге дрозофилы.) Разнородные сведения, которые поступают в мозг извне, это кольцо преобразует в информацию о том, в каком направлении голова – поворот головы соответствует включению нейронов в том или другом сегменте кольца. Причём если какой-то нейрон ошибётся, его исправят соседи, то есть активность нервных клеток притягивается к определённой траектории, как в математических аттракторах.

Даже во сне, когда нейроны почти отключены от внешнего мира, «компас»-кольцо всё равно работало – скорее всего, потому, что даже во сне голова всё равно куда-то направлена, и компас это направление всё равно чувствует. Правда, во сне форма и размеры кольца менялись – другое число клеток анализировало положение головы, и опирались на информацию иного рода, чем во время бодрствования.

В данном случае важно не только то, что удалось обнаружить «компас», но и то, что исследователям впервые удалось увидеть нейронную систему, которая преобразует множество конкретных фактов в достаточно абстрактную информацию – как абстрактное направление головы получается из конкретных раздражителей, действующих на органы чувств. Возможно, что и другие когнитивные процессы, опирающиеся на обобщения, выполняются в похожих нейронных структурах, которые, впрочем, могут иметь самую разную форму.

Автор: научный журналист Кирилл Стасевич

https://www.nkj.ru/news/36751/

https://www.nkj.ru/news/25016/

Источник: www.nkj.ru

Комментарии: