Без определение места, где мы находимся, невозможно наше существование. Поэтому в ходе эволюции в мозге животных сформировалась специальная система, не только отслеживающая локализацию в пространстве, но и позволяющая находить путь из одного места в другое. Подобно GPS в телефонах, наш мозг оценивает, где мы находимся и куда движемся, интегрируя множество сигналов, относящихся к нашему положению в пространстве и во времени. Наш нейрокомпьютер обычно производит эти расчёты с минимальными усилиями, поэтому мы едва замечаем их. Области мозга, задействованные в поиске пути, также тесно связаны с формированием новых воспоминаний. Когда нервные пути, обеспечивающие передачу информации, выходят из строя, это может вызвать сильную дезориентацию в пространстве, которую, к примеру, испытывают пациенты с болезнью Альцгеймера.
Навигация у животных
Сложность данной системы становится особенно очевидной при её сравнении с другими животными. Например, Caenorhabditis elegans, червь длиной около 1 мм, имеет всего 302 нейрона и перемещается почти исключительно в ответ на обонятельные сигналы, следуя по пути увеличения или уменьшения градиента запаха. У насекомых эта система значительно более развита. К примеру, муравьи или медоносные пчёлы находят дорогу с помощью дополнительных стратегий. Один из этих методов называется интеграцией пути, механизм, подобный GPS, в котором нейроны вычисляют положение на основе постоянного отслеживания направления и скорости движения организма относительно начальной точки. Эта задача выполняется без привязки к внешним сигналам, таким как физические ориентиры, используется лишь информация, полученная на основании проделанного ранее пути.
У позвоночных, особенно у млекопитающих, репертуар поведения, позволяющего животному определять своё местоположение в окружающей среде, расширился ещё значительнее. Млекопитающие больше, чем какой-либо другой класс животных, полагаются на способность формировать нейронные карты окружающей среды – образцы электрической активности в мозге, при которых группы нервных клеток возбуждаются таким образом, который отражает расположение окружающей среды и положение животного.
Динамическая карта местности
За последние несколько десятилетий учёные достигли некоторого понимания того, как мозг формирует, а затем пересматривает эти карты по мере передвижения организма. Исследования показали, что навигационные системы состоят из нескольких специализированных типов клеток, непрерывно вычисляющих местоположение, пройденное расстояние, направление движения и скорость. В совокупности эти разные клетки образуют динамическую карту локального пространства, которая не только действует в настоящем, но и может быть сохранена как память для последующего использования.
Изучение пространственных карт мозга началось с работ Эдварда Толмена, профессора психологии Калифорнийского университета в Беркли. До работ Толмена считалось, что крысы при обучении прохождению лабиринта запоминают только последовательность поворотов и затем лишь повторяют своё движение. Толмен же предположил, что животные формируют мысленные карты окружающей среды, отражающие пространственную геометрию внешнего мира. Эти когнитивные карты не просто помогают животным найти путь, они также записывают информацию о событиях, которые животные пережили в определённых местах.
Однако у Толмена в то время не было инструментов для проверки того, действительно ли в мозге животного существует внутренняя карта окружающей среды. Поэтому потребовалось около 40 лет, прежде чем в исследованиях нейронной активности появились прямые доказательства существования такой карты.
«Внутренний компас» мозга
В 1950-х годах прогресс в разработке микроэлектродов позволил контролировать электрическую активность отдельных нейронов у животных. В 1971 году Джон О'Киф из университетского колледжа Лондона сообщил, что нейроны активируются, когда крыса в коробке проводит время в определённом месте. Он назвал их клетками места. Было высказано предположение, что клетки места получали многие важные вычисления, связанные с навигацией, из других областей гиппокампа. В результате ещё нескольких десятилетий исследований были открыты и другие клетки, отвечающие за ориентацию в пространстве, которые находились в энторинальной коре головного мозга, относящейся к так называемой формации гиппокампа. Первые из них, нейроны направления головы оказались «внутренним компасом» мозга. Они активируются при строго определённом направлении головы организма (не имеют никакого отношения к восприятию магнитного поля Земли). Другой, уникальный тип клеток – это нейроны решётки (grid cells). Они возбуждаются при пересечении животным воображаемой координатной сетки в пространстве, в котором оно находится. Сетка состоит из шестиугольников, напоминая пчелиные соты и подобна квадратам, образованным координатными линиями на дорожной карте.
В формации гиппокампа были также обнаружены нейроны границы (boundary vector cells), которые чувствительны к геометрии окружающей среды и срабатывают, когда среда изменяется. Ещё один тип нервных клеток, участвующих в навигации, это нейроны скорости. Они активируются при перемещении и не зависят от обстановки, в которой находится объект, что подтверждает гипотезу о существовании автономной внутренней системы пространственной ориентации в мозге, способной работать независимо от внешних сенсорных сигналов.
Несколько десятилетий скрупулёзных исследований привели к пониманию того, что гиппокамп формирует пространственные карты, адаптированные к конкретным условиям: эксперименты, проведённые в лабораториях с крысами в различных комнатах, показали, что каждая комната быстро порождает свою собственную независимую карту. Напротив, карты медиальной энторинальной коры являются универсальными. Нейроны решётки, а также нейроны направления головы и границы, которые срабатывают вместе в определённом наборе мест на карте сетки для одной среды, также срабатывают в аналогичных позициях на карте для другой среды. Это, как если бы линии широты и долготы с одной карты были наложены на новую обстановку. Последовательность клеток, которые срабатывают, когда животное движется, к примеру, на юго-запад в одной комнате, повторяется, когда крыса идёт в том же направлении в другой комнате.
Эти коды затем передаются из энторинальной коры в гиппокамп и используются для формирования карт, специфичных для конкретного места. С точки зрения эволюции, два набора карт, которые объединяют информацию, кажутся эффективным решением для системы, используемой животными для пространственной навигации. Решётки, сформированные в медиальной энторинальной коре и измеряющие расстояние и направление, не меняются от одной комнаты к другой. Напротив, клетки места гиппокампа формируют индивидуальные карты для каждой комнаты.
«Умственная прогулка»
Навигационная система гиппокампа не просто помогает животным добраться из одной точки в другую. Помимо информации о положении, расстоянии и направлении, полученной из медиальной энторинальной коры, гиппокамп записывает, что находится в определённом месте, а также события, которые там происходят. Таким образом, карта пространства, созданная клетками места, содержит не только данные о местонахождении, но и информацию об опыте. Подробности о предметах и событиях сливаются с координатами и откладываются в памяти. Часть этой дополнительной информации, по-видимому, поступает от нейронов латеральной части энторинальной коры.
Эта связь места с памятью напоминает стратегию запоминания, изобретённую ещё древними греками и римлянами. Так называемый метод локусов, или «умственная прогулка» позволяет человеку запомнить список предметов, представляя, что каждый из них помещается в определённую зону на известном пути через место, скажем, ландшафт или здание – такое расположение часто называют дворцом памяти. Участники соревнований по памяти до сих пор используют эту технику, чтобы вспомнить длинные списки цифр, букв или игральных карт.
К сожалению, энторинальная кора является одной из первых областей, где у людей с болезнью Альцгеймера происходит сбой. Заболевание приводит к гибели клеток головного мозга, и уменьшение его размера считается надёжным показателем для выявления лиц, находящихся в группе риска. Склонность бродить и теряться также является одним из самых ранних признаков расстройства. На более поздних стадиях болезни Альцгеймера клетки гиппокампа умирают, что приводит к неспособности вспоминать переживания или запоминать даже названия цветов. Фактически, недавнее исследование предоставило доказательства того, что молодые люди с геном, который подвергает их повышенному риску развития болезни Альцгеймера, могут иметь нарушения в функционировании своих сетей решётчатых клеток – открытие, которое может привести к новым способам диагностики этого заболевания.
Платформа Дзен по определённым причинам меняет алгоритмы показов. Если вы уверены, что подписаны на канал рекомендуется проверить это в связи с возможной автоматической отпиской.
Также материалы по теме «Загадки мозга»:
