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

что нейроны решетки могут вести себя совсем не так, как предполагали большинство нейробиологов, и что некоторые из главных допущений исследователей неверны[119]. «Иногда мир более странен, чем мы о нем думаем. Вряд ли мы узнали всё. Возможно, это только начало, и подозреваю, нас ждет еще много открытий. Будут и другие сногсшибательные новости», – говорит он.

Без когнитивной карты, которая напоминает, что в этом месте мы уже были, мир был бы непознаваем. Но недостаточно просто знать, где мы находимся. Нам нужно еще знать, как попасть в то или иное место и как не сбиться с пути. Оказывается, наши когнитивные карты превосходно умеют вычислять маршруты к цели и запоминать их. Нейробиологи наблюдали, что, когда крыса прокладывает путь в лабиринте и идет по тому ответвлению, в конце которого находится, в гиппокампе животного активизируется больше нейронов места, и когнитивная карта получается более подробной[120]. Крыса стремится к еде, и есть смысл хорошо запомнить дорогу к ней. Это справедливо для всех млекопитающих; слоны из пустыни Намиб превосходно помнят, где находятся все далекие источники воды, хотя посещают их редко. Нетрудно понять, как могла сформироваться эта стратегия: способность легко находить дорогу к месту, где много фруктов, ягод или съедобных кореньев, давала серьезные преимущества.

Механизмы, выделяющие важные маршруты, – это один из самых интересных аспектов когнитивной карты. Нейробиологи обратили внимание, что, после того как крыса прошла лабиринт и добралась до вознаграждения, паттерны возбуждения нейронов места и нейронов решетки в гиппокампе и энторинальной коре повторяются во время отдыха или сна – как песня в режиме повтора[121]. По всей видимости, крыса закрепляет в памяти карту маршрута, подсознательно повторяя его, но со скоростью, в десять или двадцать раз превышающей изначальную. Это очень важно для навигации: если помешать повторению, лишив крысу отдыха, на следующий день ей сложнее справляться с тем же заданием[122].

Когнитивное повторение играет большую роль в закреплении памяти о поиске пути[123], но это не единственная его функция: повторение используется для планирования маршрута. Когда крысы ищут еду, они часто останавливаются перед разветвлением лабиринта, выбирая путь. Нейробиологи из Университетского колледжа Лондона изучали, что происходит в мозге крысы, когда она выбирает, куда свернуть, и регистрировали последовательность нервных импульсов в гиппокампе. К их удивлению, выяснилось, что гиппокамп не только формирует память, но и, по всей видимости, предсказывает будущее. Перед тем как крыса снова отправится в путь, нейроны места начинают выдавать характерную последовательность стремительных импульсов, словно повторяя недавнее путешествие, – с той лишь разницей, что путешествие еще только предстоит: когда крыса делает выбор и бежит в одно из ответвлений, точно такая же последовательность импульсов возникает в ее гиппокампе. Создается впечатление, что крыса просчитывает варианты, затем выбирает один из них и следует выбранному плану[124]. Обратите внимание: это не сложный процесс принятия решения, поскольку крыса сначала представляет будущее, а затем выбирает только те маршруты, которые, как ей известно, точно ведут к еде. Это значит, что когнитивное повторение, когда бы оно ни происходило – до путешествия или после, – сформировалось как способ помочь животному достичь явной цели: если вознаграждения нет, зачем тратить ресурсы мозга?

Основываясь на данных о последовательности возбуждения нейронов места в гиппокампе, когда животное останавливается у развилки, исследователи недавно научились успешно предсказывать – по крайней мере, в некоторых случаях, – куда повернет крыса в лабиринте[125]. «Мы заглядываем в мозг животного и говорим: “Ага, вот что теперь оно будет делать”, – рассказывает Фрейя Олафсдоттир с кафедры клеточной и эволюционной биологии Университетского колледжа Лондона. – Это немного пугает».

Мы не можем точно сказать, как реагирует на перемещение в пространстве мозг человека: люди, по очевидным причинам, не склонны вживлять электроды себе в голову. Однако ученые могут измерять активность мозга иначе, используя метод сканирования под названием функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ). В данном случае регистрируются не паттерны возбуждения отдельных нейронов, а изменение кровотока, происходящее по причине их возбуждения: оно служит довольно надежным показателем их активности. Аппараты фМРТ весят несколько тонн и требуют, чтобы испытуемый неподвижно лежал на спине внутри сканера, совершать «навигацию» там можно с помощью виртуальной реальности, имитирующей движения, – несмотря на отсутствие чувства движения и сигналов от вестибулярного аппарата, видеороликам довольно хорошо удается убедить мозг.

Технология фМРТ помогает исследователям понять, что происходит в нашем мозге, когда мы строим путь к месту назначения – например, идем из дома в магазин или с работы в банк. Хьюго Спирс, заведующий Лабораторией пространственного восприятия в Университетском колледже Лондона, посвятил поискам ответа на этот вопрос большую часть своей научной карьеры. Недавно он разработал видеоигру, в которой участникам нужно проложить путь через лабиринт узких улиц и переулков лондонского Сохо – своего рода эквивалент лабиринта, в который запускают крыс. Сначала он проводит с испытуемыми прогулку по этому району, чтобы они познакомились с расположением улиц и разных магазинов, ресторанов и других ориентиров. Затем участник эксперимента ложится в сканер фМРТ, и ему показывают ряд видео с путешествиями по улицам Сохо. Путешествия интерактивны: нужно найти кратчайший путь к цели, а на перекрестках решать, куда свернуть. И еще Спирс, усложняя задачу, порой менял место назначения в середине пути и заставлял испытуемых на ходу вырабатывать новую стратегию.

Как и предполагали Спирс и его коллеги, сама навигация и размышления о ней вызывают активизацию нейронов в гиппокампе и энторинальной коре. Но степень возбуждения и его локализация зависят от типа навигационной задачи, которую решает мозг. Энторинальная кора по большей части озабочена тем, насколько далеко человек находится от пункта назначения: если это расстояние (по прямой) меняется, как в том случае, когда Спирс неожиданно менял цель, то в последовательности возбуждения наблюдается сильный всплеск. Гиппокамп, напротив, больше заинтересован в анализе точного маршрута, которым следует испытуемый: чем длиннее и сложнее маршрут, тем активнее эта область мозга[126]. Гиппокамп занят подробностями навигации: в этом эксперименте он был особенно чувствителен к связности уличной сети – наибольшая активность наблюдалась на улицах с максимальным количеством перекрестков, как будто гиппокамп просчитывал разные варианты, чтобы найти кратчайший путь к цели[127].

Что говорят нам полученные результаты о поведении нейронов в этих отделах мозга? Наилучшее объяснение заключается в том, что активность гиппокампа людей, как и гиппокампа крыс, обусловлена нейронами места, которые составляют карту местности при движении, а активность энторинальной коры обусловлена нейронами решетки, которые регистрируют расстояния и углы. Напрашивается вывод, что наши когнитивные карты, а также способность помнить о том,