Путеводный нейрон. Как наш мозг решает пространственные задачи

Исследование пространственного восприятия – того, как мозг получает и использует информацию о пространстве, – превратилось в одну из самых быстроразвивающихся областей нейробиологии. В немалой степени этому способствовало то, что Джону О’Кифу за его исследования нейронов места, которым он посвятил четыре десятилетия, присудили Нобелевскую премию по физиологии и медицине. Вместе с ним премию получили Мэй-Бритт Мозер и Эдвард Мозер, первооткрыватели нейронов решетки[66]. Это очень интересная и технологически сложная задача.

Нейробиологам трудно получить разрешение этических комитетов на вживление микроэлектродов в мозг здоровых людей, и поэтому большинство исследований нейронов пространства проводились на крысах или мышах, мозг которых больше похож на наш, чем кажется на первый взгляд. Требуется немалое мастерство, чтобы разместить электроды толщиной с человеческий волос точно в том месте мозга крысы, которое вы намерены изучить. Когда животное восстановится после операции (это занимает несколько дней), исследователи получают возможность записывать импульсы напряжения от отдельных нейронов, так называемые «потенциалы действия», которые вырабатываются, когда нейрон реагирует на поступающую информацию и передает ее дальше по своей сети связей. Другими словами, они могут заглянуть в «материнскую плату» крысы, где обрабатываются ее взаимодействия с внешним миром. После того как О’Киф открыл нейроны места у крыс, другие нейробиологи обнаружили эти клетки у мышей, кроликов, летучих мышей и обезьян, а также у страдавших эпилепсией людей, которым в процессе лечения уже вживили в мозг электроды. Все нейроны места выполняют одну и ту же функцию.

Чтобы понять роль этих нервных клеток, представьте на минуту, что вы – нейрон в гиппокампе крысы по кличке Роланд. Когда Роланд попадает в маленький отсек, где он раньше не был, и начинает принюхиваться, с вами поначалу ничего не происходит. Но, когда он добирается до определенного места в пространстве, вырабатываемое вами напряжение вдруг резко возрастает и остается на этом уровне, пока Роланд не двинется дальше. Вы остаетесь в спокойном состоянии до тех пор, пока крыса не вернется в это особое место, – и ваше напряжение снова выходит на пик. Взглянув на другие нейроны места – ваших соседей по гиппокампу, – вы замечаете, что то же самое происходит и с ними, только в других местах – каждый вырабатывает импульс в определенной зоне, так называемом «поле места».

Через несколько минут Роланд через дверцу попадает в другой отсек, и вы обнаруживаете, что все изменилось. Ваше поле места смещено, поля места соседних клеток перемешаны. Роланд попадает в третий отсек, и все снова меняется: здесь вы не проявляете никакой активности. Затем Роланд, проголодавшись и рассчитывая найти вкусные колечки, возвращается в первый отсек, и поля места в нем располагаются точно так же, как в первый раз. Мозг Роланда подчиняется определенной логике, хотя правила ее довольно сложны.

Переведем этот мысленный эксперимент на язык науки: когда животное попадает в незнакомое пространство и начинает исследовать его, в гиппокампе активизируется уникальная комбинация нейронов места, а когда оно попадает в это же пространство снова, возбуждается та же самая комбинация, причем каждый нейрон активизируется в том же месте пространства, что и раньше; этот паттерн и есть когнитивная карта, сообщающая животному, что оно уже здесь было. О’Киф выяснил, что для того, чтобы освоиться в коробке площадью один квадратный метр, крысе требуется около 32 нейронов места, которые возбуждаются, когда крыса находится в разных частях коробки. Чем чаще животное возвращается в ту или иную область, повторно активизируя ту же самую последовательность нейронов места, тем устойчивее становятся связи между нейронами, а значит, и память. Разные пространства отображаются разными комбинациями нейронов места, то есть разными картами. Нейробиологи, изучающие поведение крыс в лабиринтах, иногда могут с точностью до сантиметра определить местоположение крысы по сигналам от нейронов места – это впечатляющий пример чтения мыслей животных.

Как бы то ни было, когнитивная карта отличается от тех карт, которые вы можете увидеть в Королевском географическом обществе в Лондоне или в Библиотеке Конгресса в Вашингтоне. Гиппокамп не хранит копии последовательной активации нейронов места; эти нейроны возбуждаются только тогда, когда животное находится в соответствующей области[67]. Мозг должен где-то хранить пространственную память, но никто не знает, где он ее хранит и в какой форме.