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

головы формируются на самой ранней стадии развития животного, и это значит, что они очень важны для выживания. Они не только позволяют нам ориентироваться в пространстве, но также передают важную информацию о направлении другим пространственным нейронам, в том числе нейронам границы и нейронам решетки (роль которых мы рассмотрим ниже).

Систему нейронов направления головы часто называют внутренним компасом мозга. В отличие от нейронов места и нейронов границы, которые реагируют на структуру окружающей среды, нейроны направления головы активизируются тогда, когда ваша голова повернута в определенном направлении. Разные клетки реагируют на разное направление, а все вместе они охватывают весь диапазон в 360 градусов. Покружитесь, и ваши нейроны направления головы по очереди активизируются, один набор за другим. Система направления головы отличается жесткой координацией: если в какой-либо обстановке клетка В возбуждается правее клетки А, то так будет везде[84].

Как нейроны определяют, что моя голова повернута вправо или влево на определенный угол? Скорее всего, источником этой информации служит вестибулярный аппарат, сеть каналов и полостей внутреннего уха, реагирующая на линейное и угловое ускорение. Вот почему нейробиологи называют систему направления головы внутренним компасом. Сигналы от вестибулярного аппарата позволяют нейронам возбуждаться в зависимости от направления головы даже в темноте или когда мы закрываем глаза. При повреждении вестибулярного аппарата люди не только теряют чувство равновесия – они утрачивают способность к ориентированию, что значительно затрудняет перемещение в окружающем мире и его понимание.

Но аналогия с компасом окажется не совсем точной, если внимательнее присмотреться к тому, как нейроны направления головы формируют чувство направления. Они не реагируют на магнитное поле Земли или на направления по странам света (север, юг, восток, запад), а связаны с ориентирами. Если первым, на что вы обратите внимание в Эдинбурге, будет замок, часть ваших нейронов направления головы свяжет себя с ним, а поскольку система обеспечивает последовательное возбуждение нейронов при повороте на определенный угол, в результате быстро формируется весь «компас» (в котором замок играет роль севера).

Так будет до тех пор, пока вы не уйдете и не окажетесь в другом окружении. Например, если вы зайдете внутрь Эдинбургского замка и начнете бродить по нему в поисках Скунского камня, древнего символа шотландской монархии, система направления в вашем мозге перезагрузится и настроится на внутреннее пространство замка, поскольку уже не может привязаться к первоначальному северу (если только вы не видите его в окно или не обладаете исключительной пространственной памятью). В этот момент вам будет трудно закрыть глаза и уверенно указать направление на Национальный архив или Трон Артура: вестибулярный аппарат способен поддерживать ориентацию только короткое время, а затем ему понадобится новая визуальная информация (или другая сенсорная подсказка)[85].

Зависимость от ориентиров[86] объясняет, почему система направления головы легко путается в незнакомых местах, особенно если мы невнимательны. Приведенный ниже рассказ шведского инженера Эрика Джонсона, который увлекался вопросами навигации, будет понятен каждому, кто терял верную дорогу в городе, твердо уверенный, что знает, куда идет. В 1948 году Джонсон посетил Кёльн. Он приехал на поезде глубокой ночью, немного вздремнул на скамейке прямо на вокзале и направился к Рейну, чтобы сесть на пароход. Когда он не смог найти реку и обратился за помощью к кому-то из прохожих, то, к своему удивлению, услышал, что идет в противоположную сторону:

Я шел в неверном направлении, на восток, а не на запад, как мне казалось. Потом я увидел солнце, восходившее над туманом, окутавшим пароходы. Солнце встает на западе! Да, это все объясняло. Должно быть, я сбился с пути, когда приехал на поезде ночью и, вместо того чтобы идти на восток, пошел на запад, удаляясь от реки. Теперь, когда стало понятно, что произошло, все будет в порядке, подумал я. Как бы не так! Я убеждал себя, что утром солнце должно быть на востоке, но все равно чувствовал, что оно на западе, а когда приблизился к Рейну, то «увидел», что оно смещается на юг. Никакая логика не могла изменить мое внутреннее убеждение. Вероятно, какая-то система ориентации, действующая на подсознательном уровне, раз и навсегда решила, что в Кёльне юг находится на севере[87].

Система направления головы, однажды настроенная, не склонна менять выбранную ориентацию, как будто это вопрос жизни и смерти (что почти наверняка было справедливо для наших предков, кочующих по саванне). Когда Джонсон сел на пароход и покинул Кёльн, его внутренний компас перестроился, но вечером, после возвращения в город, вернулся в первоначальное состояние: «В мгновение ока мир повернулся на 180 градусов»[88]. Джонсону казалось, что солнце садится на востоке. Выбитый из колеи своей неправильно работающей системой ориентации, он сел на ближайший поезд и уехал из города.

Потерять ориентацию можно где угодно, но чаще всего это происходит в местах, в которых мало заметных ориентиров, например внутри больших зданий, где ограничен обзор и нельзя выглянуть из окна. Особенно это относится к больницам: в 1990 году исследование, проведенное в крупном региональном госпитале в США, показало, что персонал тратит 4500 часов в год, объясняя дорогу людям, заблудившимся в сети одинаковых коридоров[89]. Найти дорогу в таких местах трудно даже здоровым, не говоря уже о тех, чьи когнитивные способности могли ухудшиться из-за болезни или возраста.

Непросто ориентироваться и в городах. Если хотите почувствовать почти мгновенный сбой системы направления головы, попробуйте спуститься по одной из глубоких спиральных лестниц, ведущих на платформы лондонского метро на глубине около 50 метров. Несколько однообразных поворотов, по кругу и вниз – и вы утратите представление о направлении, которым обладали на поверхности. Это как принести компас на рудник, где добывают железную руду. Но если вы повернете назад, ваши нейроны направления головы вернутся в исходное состояние в ту же секунду, как только вы окажетесь в знакомой обстановке; это маленькое когнитивное чудо, которое говорит вам: «Я здесь».

Ориентиры необходимы для нашего чувства направления точно так же, как границы – для чувства места. Но как мозг не теряет ориентации при смене обстановки, например когда мы заходим из сада в дом или с улицы в супермаркет? Если это не магазин IKEA и не Эдинбургский замок, то мы, оказавшись в помещении, обычно не теряем ориентацию, хотя заменяем удаленные ориентиры (такие как дерево или небоскреб) на близкие (окно или картина на стене). Мы способны «настраиваться» на геометрию своего дома, не теряя ориентации во внешнем мире, то есть одновременно держим в уме две пространственные системы координат. Как нам удаются такие когнитивные трюки?

Это происходит в ретроспленальной коре, части мозга, играющей