Мозг-навигатор: как мы ориентируемся в пространстве?

Пространственность — базовая характеристика любой среды. Как бы активно мы ни переезжали с места на место, нас неизменно окружает определенное, четко очерченное пространство. Для полноценного существования в этих условиях нам нужны ориентиры — карты, маршруты, направления, список близлежащих магазинов и кафе, желательно с привязкой к местности. И было бы странно, если бы мозг не «придумал» хитрую систему своей собственной внутренней навигации для того, чтобы все запоминать.

Анна Хоружая

Эти «карты» открыли всего лишь около 10 лет назад, и они принесли авторам находки Нобелевскую премию по физиологии и медицине 2014 года. А нейрофизиология обогатилась рядом новых видов клеток. В дальнейшем, возможно, открытие станет толчком к эффективному лечению нейродегенеративных заболеваний — бича XXI века.

Где я?

Иными словами систему мозговой навигации можно назвать «чувством пространства». Это чувство аналогично нашему сенсорному восприятию: мы касаемся пальцем стола и чувствуем его гладкую и прохладную поверхность. Или берем в руки смартфон и точно понимаем, что это именно он, а не блокнот, визитница или какая-либо другая вещь, напоминающая его формой.

То же самое происходит в новом пространстве, когда мы его изучаем. В определенных местах, названных place field, или «поле места», в определенной области мозга — гиппокампе — активизируются конкретные клетки, и так на протяжении всего нашего пути. Это парный участок архикортекса — старой коры головного мозга или, проще говоря, его ствола. Он играет важную роль в процессах запоминания, обучения, а во сне именно здесь происходит процесс консолидации памяти — перезаписи ее из кратковременной в долговременную.

В итоге после обследования какой-либо территории у нас внутри остается «карта», и теперь, если мы снова пройдем по тому же маршруту, наш мозг в точности воспроизведет записанный рисунок активизирующихся по очереди клеток. Над их наименованием особо не думали, поэтому они называются просто клетки места (place cells).

Карта внутри мозга

Открыл эту закономерность американский исследователь Джон О’Киф в 1971 году. Однако началось все еще раньше. До середины прошлого века считалось, что на животных в пространстве влияют сигналы, получаемые от органов чувств. Но в 1948 году появилась альтернативная теория американского психолога Эдварда Толмена, согласно которой в мозге формируются конкретные когнитивные карты (cognitive maps) окружающей обстановки, которые и служат основой поведения. Но наука в то время была еще слишком слаба, чтобы экспериментально продемонстрировать, какая же зона мозга строит эти карты и как они работают.

Ситуация изменилась кардинально, когда появилась методика внутримозговой регистрации электрических сигналов непосредственно от маленьких групп нейронов. То есть животным вживляется электрод, и после этого они могут свободно перемещаться, изучая пространство, взаимодействуя с ним, с другими животными, а ученые в этот момент в режиме реального времени наблюдают, что происходит в мозге и какие области активируются. Этой методикой и воспользовался Джон О’Киф.

Таким образом, стало ясно, что каждое положение животного обозначается в гиппокампе конкретной сетью возбужденных клеток, которые сохраняют свою стабильность до тех пор, пока животное находится в этом месте. Как только оно начинает передвигаться, эти сети модифицируются и формируют карты нового пространства по отношению к нему. Если животное вернуть на старое место, то исходная сеть возбужденных клеток восстанавливается.

На расстоянии вытянутой руки

Теория и модель О’Кифа была неполной до того момента, пока в 2005 году семейная пара норвежских ученых (Эдвард и Мэй-Бритт Мозеры) не открыла еще один компонент внутреннего навигатора — нейроны координатной сетки или клетки решетки (grid cells). Они располагаются в соседней с гиппокампом области, называемой энторинальной корой, и отвечают за изучение животным пространства вокруг себя. Будучи тесно связанными с клетками места, эти нейроны обрабатывают информацию, поступающую от них, и своей активностью дополняют «карту».

Помимо этих клеток в последние годы открыты и некоторые другие, например, нейроны поворота головы, границы, времени, а также нейроны, маркирующие трехмерное пространство у летучих мышей. Наверняка в дальнейшем будут открыты и другие функциональные группы. Но изучение энторинальной коры важно еще и с медицинской точки зрения, так как это первая область головного мозга, поражающаяся при болезни Альцгеймера. И чем лучше ученые будут знать об ее организации, тем более эффективное лечение они смогут подобрать в случае нарушения ее функций.


Текст: Анна Хоружая, заместитель главного редактора портала «Новости нейронаук и нейротехнологий», научный и медицинский журналист