Как мозг ориентируется в больших пространствах
Нейроны-картографы запоминают несколько разных ландшафтов разного размера.
Чтобы ориентироваться в пространстве, у мозга есть двойная система навигации. В неё входят так называемые grid-нейроны, или нейроны решётки, и нейроны места. Нейроны решётки – это что-то вроде системы GPS: во время движения они включаются по особой схеме, разбивая пространство на шестиугольные фрагменты, делая его похожим на огромную решётку. Нейроны решётки задают систему координат, в которой мозгу удобно описывать конкретный ландшафт и собственные перемещения в пространстве.
Нейроны места – это клетки-картографы. Они активируются в ответ на совокупные особенности ландшафта, запоминая какое-нибудь новое место, где оказался индивидуум. Нейроны места находятся в гиппокампе, который называют одним из главных центров памяти в мозге. Множество экспериментов показали, что в гиппокампе действительно хранятся различные карты местности. За открытие нейронов решётки и нейронов места в 2014 году была присуждена Нобелевская премия.
Однако с нейронами-картографами оставалась одна проблема. Их работу изучали на мышах, которых запускали исследовать совсем небольшое пространство, площадью несколько десятков квадратных сантиметров. Из экспериментов следовало, что каждый отдельно взятый нейрон места запоминает только какое-нибудь одно место. Но в реальности нам – да и мышам тоже – приходится иметь дело с ландшафтами и территориями, намного бо́льшими, чем несколько десятков сантиметров. И если посчитать, сколько нейронов нужно, чтобы запоминать реальные ландшафты, то получится, что у мозга в гиппокампе просто нет столько нервных клеток.
Например, если взять летучих мышей, то число нейронов в их гиппокампе равно 10⁵, тогда как для того, чтобы ориентироваться в их многокилометровых полётах, число нейронов должно быть 10¹³–10¹⁵. Чтобы понять, как работает система навигации на больших территориях, сотрудники Института Вейцмана поставили эксперимент с египетскими летучими собаками, которые летели по туннелю длиной 200 метров. Активность нейронов гиппокампа отслеживали с помощью вживлённых в мозг электродов, а точное положение летучих мышей оценивали с помощью специальных антенн, которые очень точно следили за перемещениями животных.
В статье в Science авторы работы пишут, что на самом деле нейроны места реагируют и запоминают не какое-то одно-единственное место, а много мест. Более того, эти ландшафты, за которые отвечает нейрон места, могут двадцатикратно отличаться друг от друга по величине. То есть один и тот же нейрон кодирует не просто разные места, но места разного масштаба.
Исследователи не просто констатировали, что нейроны места работают не так, как считалось, но и расшифровали новый пространственный код и смоделировали его с помощью машинных алгоритмов. Компьютерная модель показала, что если на малых масштабах этот код так же эффективен, как и другие варианты кодирования местности, то на обширных территориях он работает с большей точностью. Можно предположить, что та же система пространственного кодирования работает и у других млекопитающих, которые путешествуют чаще и дальше, чем летучие мыши.
