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

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.

Нейроны места в гиппокампе – в отличие от своих полей места – явно не похожи на карту: соседние нейроны места не обязательно соответствуют соседним точкам пространства, и распределение полей по нейронам выглядит случайным. Более того, вся эта схема перемешивается – или «составляется новая карта», как выражаются нейробиологи, – когда животное попадает в новую обстановку. До сих пор никто не сумел предсказать, как будут вести себя нейроны места при смене обстановки или где могут находиться соответствующие поля места.

«Отсутствие у нейронов места топографической структуры всегда приводило меня в замешательство, – говорит О’Киф. – Я всю жизнь работал на кафедре анатомии. Если вы посмотрите на кору головного мозга, то клетки, соответствующие пальцу, располагаются рядом с клетками, соответствующими соседнему пальцу, то есть мы видим своего рода топографическое отображение. Но когда перед вами структура, в которой этого не наблюдается, и два нейрона места, отображающие соседние точки пространства, расположены далеко друг от друга, и все это должно быть картой… Это не карта».

В 1998 году покойный Роберт Мюллер, коллега О’Кифа, продемонстрировал случайный характер расположения нейронов места, регистрируя электрическую активность этих нервных клеток у крыс, исследовавших незнакомое пространство. Затем он перезагрузил эти клетки, стерев пространственную память крыс, и снова поместил животных в то же место, чтобы проверить, будут ли возбуждаться те же нейроны места. Оказалось, что нет. Когнитивная карта крысы – схема возбуждения ее нейронов места – была совсем не похожа на первоначальную[68]. Это указывает не только на непредсказуемость отображения в мозге местоположения в пространстве, но и вообще на отсутствие какой-либо предопределенности[69]. Возможно, на то есть серьезная биологическая причина, но в таком случае понять идею гиппокампа как карты еще сложней.

За время, прошедшее с тех пор, как О’Киф открыл нейроны места, стало ясно, что когнитивные карты не просто отображают информацию о пространстве. Если крыса бежит по определенному маршруту, потом поворачивает и бежит назад, когнитивные карты путешествий туда и обратно будут отличаться. В данном случае карта регистрирует не только топографию маршрута, но и направление движения. Как мы увидим, когнитивные карты отображают множество аспектов опыта животного (если по дороге встречается еда или крысе уже знаком этот маршрут, карта тоже будет выглядеть иначе). Нам не выжить без когнитивных карт, но никто точно не знает, что они собой представляют.

Давайте на минуту прервемся и поразмыслим о физическом пространстве. Что это? Реально ли оно? Существует ли оно за пределами нашего восприятия и, если да, откуда нам это знать, если информацию мы получаем только через наши органы чувств? Философы и физики не одно столетие бились над ответами на эти вопросы, но так и не пришли к единому мнению. Поэтому неудивительно, что мы не понимаем, как работает когнитивная карта, то есть как абстрактные отображения в гиппокампе переводятся в геометрическое восприятие пространства. Разрешив эту загадку, мы не только узнаем, как мозг запоминает дорогу из пункта А в пункт Б, но также поймем природу физического мира.

Мы не знаем, как гиппокамп строит свои карты или что это за карты, но их важность не вызывает сомнений. Проще говоря, если бы нейроны места не возбуждались в нашем мозге именно так, как они это делают, мы бы не знали, где находимся. Следующий вопрос состоит в том, на какие характеристики окружающей среды реагирует гиппокамп, – другими словами, почему нейроны места активизируются в одних местах и молчат в других? За время, прошедшее с начала 1970-х, когда О’Киф начал исследовать эти нервные клетки, нейробиологи выяснили, что нейроны места чувствительны к самым разным аспектам окружающей среды и связаны с ориентирами, объектами, цветами, запахами и геометрическими свойствами пространства. Недавно исследователи обнаружили характеристику пространства, которая, похоже, особенно важна для составления когнитивных карт: границы.

По всей видимости, все животные обращают внимание на границы в пространстве. Вспомним, например, лабораторных крыс, жмущихся к стенам[70]. Кошки очень любят коробки и другие ограниченные пространства. Маршруты поиска корма у диких крыс, кроликов, барсуков и оленей зачастую пролегают вдоль заборов, живых изгородей или лесных опушек. Люди – тоже не исключение из правила: на больших городских пространствах, таких как Трафальгарская площадь в Лондоне или внутренний двор парижского Лувра, по краям посетителей собирается больше, чем в центре. Когда волонтеры поисково-спасательных отрядов ищут заблудившихся в сельской местности, они обращают особое внимание на заборы, ручьи, канавы, стены, трубы, линии электропередачи и лесные опушки, потому что в этих местах выше вероятность найти человека.

Но почему? В XX веке Джейн Джейкобс, городской активист и писательница, которая много наблюдала за поведением жителей Нью-Йорка на улицах, отмечала: «Думаю, людей потому привлекают края, что там интереснее всего»[71]. Немало значит и безопасность. В эксперименте с лабиринтом венгерские психологи обнаружили, что люди, испытывающие страх, больше времени проводят по краям, прежде чем отваживаются выйти на середину. И еще у них дольше формируется когнитивная карта пространства, хотя непонятно, в чем причина, – то ли они меньше времени тратят на разведку, то ли страх ослабляет способность к пространственному восприятию, как полагают многие психологи и спасатели[72].

Границы связывают нас с миром и указывают на его структуру. Кроме того, они чрезвычайно полезны для ориентирования. В 1980-х годах Кен Чен, нейробиолог из Сассекского университета[73], обнаружил, что дезориентированные крысы, пытаясь понять, где они находятся и как найти еду, прежде любых других подсказок (визуальные ориентиры, запахи и прочее) использовали геометрическую форму коробки – другими словами, расположение ее границ. Чен помещал своих крыс в черную прямоугольную коробку с белой полосой вдоль одной из внутренних стен и приучал их находить еду в определенном углу. Когда животных выпускали точно в такую же коробку, они часто совершали ошибку и начинали искать еду в противоположном углу по диагонали – то есть игнорировали белую полосу и ориентировались на