Путеводный нейрон. Как наш мозг решает пространственные задачи - Майкл Бонд

пространство; изучить новое место для крысы важнее, чем утолить голод. Нейробиолог Пол Дудченко из Стерлингского университета исследовал процесс обучения животных и долго наблюдал за поведением крыс в лабиринте. «Крысы склонны к неофобии, им не нравится все новое, – говорит он. – Но если поместить их в незнакомую среду – а мы делаем это постоянно, – то они с готовностью исследуют ее, причем всегда одинаковым образом, пока не изучат все пространство».

В этом отношении крысы ничем не отличаются от других животных. Почти все млекопитающие ведут себя в незнакомых местах точно так же. Если у вас есть кошка, попробуйте принести ее в дом своих друзей и понаблюдайте, как она обследует незнакомое место, прежде чем успокоиться или поесть. Люди тоже привыкают к незнакомой обстановке. Самые ненасытные исследователи – дети, если, конечно, им позволить. Похоже, и людям, и животным очень важно познакомиться с новым местом.

Что это за процесс? Что происходит в мозге крысы, когда она исследует лабиринт, или в нашем мозге, когда мы гуляем по незнакомому городу? Эти вопросы занимали нейробиологов и психологов не одно десятилетие, но особое внимание они привлекли к себе после 1971 года, когда Джон О’Киф и Джонатан Достровски, сотрудники кафедры анатомии Университетского колледжа Лондона, обнаружили в мозге крысы нервные клетки, не похожие на все, что исследователи видели раньше[65]. Большинство нервных клеток, или нейронов, возбуждаются – то есть посылают сообщение в другие участки мозга – в ответ на сенсорную информацию, поступающую от тела животного. А эти клетки, напротив, реагировали на положение животного в окружающей среде и активизировались только в определенных местах. О’Киф назвал их нейронами места и предположил, что участок мозга, в котором они расположены, – гиппокамп, по форме напоминающий морского конька, – обеспечивает крысу пространственной системой координат, или когнитивной картой, которая помогает запоминать окружающую среду и ориентироваться в ней.

С тех пор нейробиологи, изучающие мозг крыс, открыли еще несколько типов нейронов, имеющих отношение к восприятию пространства. Существуют нейроны направления головы, которые работают как внутренний компас, сообщая животному, в какую сторону оно смотрит; и нейроны решетки, указывающие на местоположение; и нейроны границы, которые возбуждаются на определенном расстоянии от стены или края. Каким-то образом все эти разные типы клеток работают совместно, чтобы животное могло понять, где оно находится, и, что еще важнее, запомнить, где оно уже побывало.

Если информация, регистрируемая этими нейронами пространства, действительно формирует когнитивную карту – а большинство исследователей описывает это именно так, – то это не настоящая карта: заглянув внутрь гиппокампа, вы не увидите там ничего напоминающего Google Maps для тех мест, которые вы посетили или помните. Нейроны места, направления головы, решетки, границ и другие типы нейронов пространства совместными усилиями формируют у нас картину внешнего мира и позволяют на основе этой информации делать удивительные вещи; без них мы никогда и нигде не могли бы найти дорогу и все время сбивались бы с пути. Но как они это делают и в какой форме хранят воспоминания – все это до сих пор остается загадкой, которую нейробиологи надеются рано или поздно разрешить.

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