Как мозг помнит, где он был

Специальные нейроны в центре памяти помогают мозгу помнить, где он был давно, где недавно, и что его ждёт впереди.

Как мы знаем, в мозге есть особые нейроны, называемые нейронами навигации – они активируются в ответ на совокупные особенности ландшафта, в котором в данный момент находится индивидуум.

Находятся нейроны навигации в гиппокампе, одном из главных мозговых центров памяти, и множество экспериментов показали, что в нём действительно хранится множество карт местности, каждая из которых кодируется особой комбинацией специальных клеток. Джон О'Кифи (John O’Keefe), обнаруживший такие клетки ещё в 60-е годы прошлого века, получил за них в 2014 году Нобелевскую премию по физиологии и медицине. (Напомним, что премию он разделил с супругами Мозерами, которые открыли другую группу навигационных нейронов, работающих как GPS-система: они не хранят никаких определённых карт, их задача – отслеживать перемещения индивидуума в пространстве.)

Благодаря мозговой системе навигации животные и мы понимаем, где находимся – нейроны места предоставляют нам соответствующие карты. Но наверняка многим в голову приходил такой вопрос: как мозг соотносит эти карты с текущим временем? Например, мы идём знакомым маршрутом через три улицы, и вот, выйдя на вторую улицу, мы понимаем, что первая осталась у нас позади, и скоро мы выйдем на третью, и представляем мы себе именно улицу номер три, а не номер один. И как же мозгу удаётся управлять «картографическим отделом»?

Стивен Миддлтон (Steven J Middleton) и Томас Макхью (Thomas J McHugh) из Института исследований мозга при японском Института физико-химических исследований (RIKEN) описывают в Nature Neuroscience механизм, с помощью которого мозг осуществляет смену карт местности. В гиппокампе есть несколько отделов, и «механизм смены карт» связан с одним из них, называемым CA3, который служит своеобразным «дирижёром», распределяющим время активации между картографическими клетками.

Эксперименты ставили на мышах: когда животные двигались, у них можно было зарегистрировать активность нейронов места. Когда животное переходит с места на место, можно заметить изменения в активности нервных клеток, соответствующие тому, как меняется всё вокруг. Можно сказать, что в нейронах происходит что-то вроде обновления информации, и такое обновление осуществляется с тета-частотой в 8 Гц. В результате рисунок активности меняется, и карты местности сдвигаются во времени – что-то мы оставили за спиной, куда-то пришли, куда-то сейчас придём.

Но авторы работы следили не только за активностью отдельных нейронов, они также измеряли общую активность больших кластеров нервных клеток. У некоторых мышей при этом отключали область CA3 от других зон мозга – сами её клетки были активны, но не могли общаться с нейронами из других «департаментов». Оказалось, что у таких модифицированных мышей прекращались согласованные обновления на уровне нейронных групп (хотя отдельные нейроны продолжали корректировать собственную активность). В результате, хотя путь животного и был известен, нельзя было заранее предсказать, как сработают его нейроны места.

Таким образом, выяснилось, что зона CA3 работает чем-то вроде хронометра, который помогает навигационной системе мозга не теряться во времени. Если из CA3 отключить, то в картографической системе начнут накапливаться ошибки из-за рассогласованной работы нейронов-картографов – те клетки, которые должны сработать раньше, будут включаться немного позже, те, которые должны сработать позже, будут активироваться с опережением и т.д. В результате, хотя мозг всё равно будет понимать, где он находится в данный момент, недавние места или цель путешествия окажутся размыты во времени. Например, может показаться, что совсем недавно, буквально минут десять назад перед нами была местность, которую на деле мы проходили час назад, или что до какого-то места нужно идти и идти, хотя в действительности оно вот тут, за углом.

Здесь можно вспомнить, что подобные симптомы – потерянность в пространстве-времени – встречаются у людей как с психоневрологическими расстройствами (такими, как шизофрения), так и с нейродегенеративными болезнями (такими, как синдром Альцгеймера).

Очевидно, всё это происходит из-за нарушенного взаимодействия между вышеупомянутой зоной СА3 и нейронами места, хранящими в гиппокампе картографическую информацию. И если найти способ, как восстановить или усилить контакт между СА3 и другими отделами мозга, то это позволит, по крайней мере, смягчить психические аномалии, связанные с пространственно-временной дезориентацией.