Models of the Mind

Но кольцевая сеть не только объясняет, как знание о направлении головы сохраняется с течением времени, но и служит моделью того, как сохраненное направление может меняться, когда животное меняет направление. Клетки, определяющие направление головы, получают входные сигналы от других нейронов, например от нейронов зрительной системы и вестибулярного аппарата (который следит за движением тела). Если эти входы правильно подключены к кольцевой сети, они могут подтолкнуть бугорок активности к новому месту на кольце. Например, если вестибулярная система говорит, что тело сейчас движется влево, бугорок сдвигается влево. Таким образом, движение по кольцу не создает ошибок в памяти, а скорее обновляет ее на основе новой информации. Рабочая" память оправдывает свое название.

Рисунок 11

Кольцевые сети - прекрасное решение сложной проблемы создания надежных и функциональных систем рабочей памяти. Они также являются прекрасными математическими объектами. Они демонстрируют желаемые свойства простоты и симметрии. Они точны и тонко настроены, даже элегантны.

Как таковые, они совершенно нереальны. Потому что для биолога, конечно, "тонкая настройка" - это грязные слова. Все, что требует тонкого планирования и первозданных условий для нормальной работы, не выживет в хаосе, которым является развитие и деятельность мозга. Многие из желаемых свойств кольцевых сетей проявляются только при очень специфических предположениях о связности между нейронами, предположениях, которые просто не кажутся очень реалистичными. Поэтому, несмотря на все их желательные теоретические свойства и полезные возможности, шансы увидеть кольцевую сеть в мозге представляются незначительными.

Поэтому открытие, сделанное в исследовательском центре недалеко от Вашингтона в 2015 году, стало еще более захватывающим.

Janelia Research Campus - это исследовательский центр мирового класса, спрятанный на идиллических бывших сельскохозяйственных угодьях в Эшберне, штат Вирджиния. Вивек Джаяраман работает в Janelia с 2006 года. Он и его команда из примерно полудюжины человек работают над пониманием навигации у Drosophila melanogaster, вида плодовой мушки, широко изучаемого в нейронауках. Размер этих животных, сравнимый с рисовым зерном, является одновременно и благословением, и проклятием. Хотя их трудно достать, у этих крошечных мушек всего около 135 000 нейронов, что примерно на 0,2 процента больше, чем у другого популярного лабораторного животного - мыши. Кроме того, об этих нейронах известно очень многое. Многие из них легко классифицировать по генам, которые они экспрессируют, а их количество и расположение очень похожи у разных особей.

Как и у грызунов, у мух тоже есть система для отслеживания направления движения головы. Эллипсоидное тело расположено в центре мозга мухи и имеет уникальную форму: в его центре находится отверстие, вокруг которого расположены клетки, образующие пончик из нейронов - или, другими словами, кольцо.

Однако нейроны, расположенные кольцом, не обязательно образуют кольцевую сеть. Поэтому в лаборатории Джаярамана решили выяснить, действительно ли эта группа нейронов, похожая на кольцевую сеть, ведет себя так же. Для этого они поместили в нейроны эллипсоидного тела специальный краситель, который заставляет их светиться зеленым светом, когда они активны. Затем они заставили муху ходить, а нейроны снимали на видео. Если бы вы посмотрели на эти нейроны на экране, когда муха направляется вперед, вы бы увидели мерцание маленьких зеленых точек в одном месте на черном экране. Если муха решит повернуть, мерцающий участок переместится в другое место. Со временем, когда муха перемещается, а вместе с ней перемещается и зеленое пятно на экране, загоревшиеся точки образуют четкую кольцевую структуру, соответствующую основной форме тела эллипсоида. Если выключить в комнате свет, чтобы муха не могла видеть, в какую сторону она направлена, зеленое мерцание все равно останется в том же месте кольца - явный признак того, что память о направлении движения сохраняется.

Помимо наблюдения за активностью кольца, экспериментаторы также манипулировали им, чтобы исследовать крайние варианты его поведения. Настоящая кольцевая сеть может поддерживать только одну "шишку" активности, то есть в данный момент времени активными могут быть только нейроны в одном месте кольца. Поэтому исследователи искусственно стимулировали нейроны на стороне кольца, противоположной тем, которые уже были активны. Такая сильная стимуляция противоположных нейронов привела к тому, что первоначальный бугорок выключился, а бугорок в новом месте сохранился даже после того, как стимуляция былавыключена. В ходе этих экспериментов стало ясно, что эллипсоидное тело - не самозванец, а яркий пример воплощения теории в жизнь.