Как мы учимся. Почему мозг учится лучше, чем любая машина… пока

Клетки решетки – это нейроны, локализованные в особой области мозга крысы, так называемой энторинальной коре. В 2014 году Эдвард Мозер и Мэй-Бритт Мозер получили Нобелевскую премию за открытие их замечательных геометрических свойств. Именно эти ученые первыми записали активность нейронов энторинальной коры во время перемещения животного по очень большой комнате⁸¹. Тогда мы уже знали, что в соседней структуре – гиппокампе – имеются специальные «нейроны места», которые срабатывают только в том случае, если животное находится в некой определенной точке пространства. Революционное открытие Мозеров заключалось в том, что клетки решетки не реагируют на одно конкретное место, а имеют множественные области возбуждения, распределенные по всей окружающей среде. Области возбуждения строго упорядочены: они образуют сеть равносторонних треугольников, сгруппированных в шестиугольники, похожие на пятна жирафа или базальтовые колонны в вулканических породах! Когда животное движется даже в темноте, нейроны решетки подсказывают ему, где оно находится по отношению к сети треугольников, охватывающей все пространство. Нобелевский комитет справедливо назвал эту систему «навигатором мозга»: она обеспечивает надежную нейронную систему координат, отображающую внешнее пространство в виде карты.

Но почему нейроны используют треугольники и шестиугольники, а не прямоугольники и перпендикулярные линии обычных карт? Начиная с Декарта, математики и картографы всегда полагались на две перпендикулярные оси, получившие название «декартовых координат» (x и y, абсцисса и ордината, долгота и широта). Почему же мозг крысы предпочитает набор треугольников и шестиугольников? Скорее всего потому, что нейроны решетки самоорганизуются в процессе развития, а в природе такая самоорганизация часто приводит к образованию шестиугольников – от шкуры все того же жирафа до ульев и вулканических колонн. Сегодня физики наконец-то разобрались, почему гексагональные формы так распространены: они самопроизвольно возникают всякий раз, когда за счет постепенного остывания система переходит от неорганизованного «горячего» состояния к устойчивой структуре (см. цветную иллюстрацию 10). Похожую теорию исследователи предложили и для объяснения появления клеток решетки в энторинальной коре в ходе развития мозга: дезорганизованные группы нейронов постепенно формируют организованную группу клеток решетки, при этом шестиугольники появляются как самовозникающий аттрактор динамики коры⁸². Согласно этой теории, крысе не требуются какие-либо обучающие сигналы, чтобы создать сеткообразную карту. На самом деле, формирование этой нейронной сети не предполагает никакого обучения вообще: она естественным образом возникает из динамики развивающейся коры.

В настоящее время теорию самоорганизации карт мозга проверяют ученые. Эксперименты показывают, что у крыс «встроенный навигатор» в самом деле появляется на очень ранних стадиях развития. Двум независимым группам исследователей удалось вживить электроды в новорожденных крысят, которые только-только начали ходить⁸³. Главный вопрос был сформулирован следующим образом: действительно ли к этому времени в энторинальной коре уже имеются нейроны решетки, нейроны места и нейроны направления головы – третий тип клеток, действующих наподобие корабельного компаса и срабатывающих, когда животное движется в определенном направлении, например на северо-запад или юго-восток. В итоге исследователи обнаружили, что вся система является практически врожденной: активность нейронов направления головы регистрируется с самого начала, а нейроны места и нейроны решетки появляются через один или два дня после того, как крысята начинают самостоятельно перемещаться в пространстве.

Эти данные, безусловно, интересны, но неудивительны: для большинства животных, от муравьев до птиц, рептилий и млекопитающих, составление карт – важнейшая задача. Начиная исследовать мир, щенки, котята и человеческие младенцы должны точно знать, где находятся, и уметь найти дорогу домой, где их ждут мамы. Без этого выживание невозможно. В далеком прошлом эволюция, похоже, нашла способ снабдить новорожденный мозг компасом, картой и подробным «журналом» всех мест, в которых он побывал.