Путеводный нейрон. Как наш мозг решает пространственные задачи

Одна из самых больших загадок когнитивной карты состоит в том, как взаимодействуют друг с другом разные элементы, которые помогают ее создать, – нейроны места, нейроны границы, нейроны направления головы, нейроны решетки и другие, о которых мы еще не знаем[93]. Мы точно знаем, что нейроны места получают информацию о геометрии пространства от нейронов границы, которые, в свою очередь, получают информацию об ориентации от нейронов направления головы, и еще нам известно, что нейроны решетки как-то связаны с расстоянием. Но эти механизмы настолько сложные, а эксперименты, требующие мониторинга отдельных нейронов диаметром около 0,2 миллиметра в мозге крыс или мышей, отнимают столько времени и сил, что общую картину получить пока не удается.

Не так давно Пол Дудченко и его аспирант Родди Гривс[94] выполнили серию экспериментов, чтобы понять, как нейроны пространства взаимодействуют друг с другом и какой вклад они вносят в формирование чувства места. Они сосредоточились на конкретной проблеме: почему крысы, как кажется, не могут отличить друг от друга одинаковые помещения, расположенные параллельно? Исследователи уже выяснили, что при перемещении между четырьмя прямоугольными помещениями, выглядевшими одинаково, нейроны места у крыс возбуждаются одинаково, и можно сделать вывод о том, что животные не различают эти помещения[95]. Дудченко и Гривс предположили, что все дело в одинаковом ориентировании помещений. А нейроны места различат их только в том случае, если эти помещения по-разному ориентировать – другими словами, если нейронам поможет система направления головы животного.

Для проверки своей гипотезы они взяли четыре прямоугольных отсека, разместили в их задней части горшочки с песком, пропитанным разными ароматами (базилик, кориандр, зира и розмарин), и закопали угощение (колечки со вкусом шоколада!) так, чтобы в каждом отсеке награда находилась в разных горшочках. Затем они повторили эксперимент, но теперь отсеки были расставлены полукругом под углом 60 градусов друг к другу. Чтобы добраться до угощения, крысы должны были выяснить, где оно спрятано в каждом из отсеков, например в розмарине в помещении А или в зире в помещении В.

6. Схема эксперимента Пола Дудченко

Как и предсказывали Дудченко и Гривс, большинство крыс не могли найти угощение, когда отсеки располагались параллельно. Крысы не видели разницы между ними и не создавали отдельные когнитивные карты, способные подсказать, где в каждом случае искать колечки[96]. Но стоило расположить отсеки иначе, и поиски были гораздо успешнее – животные быстро запоминали, в каких коробках может быть еда. Это подтверждали нейроны места крыс: при перемещении между параллельными отсеками нервные клетки возбуждались в той же последовательности (похоже, животные всегда пользовались одной и той же когнитивной картой), но перестраивались, или «меняли карту» в отсеках, расположенных под углом друг к другу: формируя для каждого из них свою карту[97].

Чтобы убедиться в правильности выводов, Дудченко сделал следующий шаг: химически выключил нейроны направления головы в мозге другой группы крыс и выпустил их исследовать расположенные под углом отсеки. В этом случае крысы справлялись не лучше своих собратьев в параллельных отсеках. «Их нейроны места во всех отсеках возбуждались одинаково, как будто крысы их не отличали, – отмечал Дудченко. – Это совершенно четко указывает, что система направления головы позволяет животному различать похожие места. По крайней мере, это справедливо для крысы – а возможно, и для нас»[98].

Когда Дудченко и Гривс впервые познакомили с этими открытиями своих коллег на симпозиуме по когнитивной нейробиологии в Австрии, элегантная симметрия эксперимента и однозначные результаты вызвали бурную реакцию. И дело не в том, что результаты опровергали привычные представления о когнитивных картах; скорее наоборот, они их подтверждали. Исследование подтвердило, что полностью функциональные пространственные нейроны чрезвычайно важны для способности животного запоминать окружающую среду, о чем многие нейробиологи уже догадывались. Эксперимент прояснил и кое-что еще: чувство направления влияет на чувство места.

В июне 2016 года я встретился с Дудченко в его лаборатории в Эдинбургском университете (он работает в Эдинбурге и Стерлинге). Недавно он начал новый эксперимент по изучению еще одного важного компонента когнитивной карты, нейрона решетки, и предложил мне взглянуть. Высокий и худощавый, он держится очень прямо и спокойно наблюдает за всем происходящим вокруг. Дудченко умеет терпеливо и без суеты рассказывать о науке. Обучив сотни студентов основам нейробиологии пространственного восприятия, он написал книгу по этой теме[99].