Нил Берджесс: Как мозг сообщает вам, где вы находитесь

Когда вы паркуете машину на просторной стоянке, как вы запоминаете ее точное местоположение? Этой проблемой озадачен и Гомер. Мы попытаемся понять, что именно происходит у него в голове.

Начнем с этой желтой извилины морского конька, отвечающей за память. Если она повреждена, как при болезни Альцгеймера, вы ничего не помните, включая место парковки машины. Название извилины происходит от латинского «морской конек», который она напоминает. Как и весь мозг, она состоит из нейронов.

Человеческий мозг содержит около 100 млрд нейронов. Нейроны общаются между собой, посылая друг другу по связям электрические импульсы. Гиппокамп состоит из двух пластов нейронов, тесно связанных между собой. Ученые начали понимать принципы работы пространственной памяти при помощи записи отдельных нейронов у крыс и мышей, когда те исследуют окрестности в поисках еды.

Посмотрим на запись сигнала одного нейрона гиппокампа вот этой крысы. Когда он посылает электрический импульс, вы увидите красную точку и услышите щелчок. Мы видим, что этот нейрон знает о передвижениях крысы в пространстве. Он подает сигнал мозгу, посылая электрический импульс. Мы можем сказать, что КПД этого нейрона зависит от местоположения животного. Если мы проследим за множеством нейронов, окажется, что разные нейроны реагируют при перемещении животного в пространстве, как показано вот здесь. Вместе нейроны формируют карту для всего мозга, постоянно сообщая ему местоположение в данный конкретный момент.

Нейроны места обнаружены и у человека. Поэтому иногда больные эпилепсией нуждаются в контроле электрической активности мозга. Некоторые из пациентов играли в видеоигру — ездили на машине по небольшому городу. Нейроны места в гиппокампе становились активными, посылали электрические импульсы, когда пациенты ехали по определенной местности в том городе.

Как нейрон места понимает, где именно находится крыса или человек? Эти два нейрона показывают, что границы пространства очень важны. Нейрону сверху нравится реагировать на полпути от стен коробки, в которой находится крыса. Чем больше коробка, тем шире активное пространство нейрона. Нейрону снизу нравится реагировать поблизости от стены на юге. И если поместить еще одну стену в коробку, нейрон реагирует оба раза при приближении животного к стене на юге. Поэтому можно предположить, что ощущение расстояний и направление границ вокруг, в огромных зданиях и т.д. особенно важно для гиппокампа. Нейроны на входе гиппокампа передают ему информацию, реагируя непосредственно на выявление границ или углов в направлении или на местности, которую исследует крыса или мышь.

Вы видите, что нейрон слева реагирует, как только животное приближается к стене или границе на востоке, будь это угол или стена квадратной коробки, округлая стена круглой коробки, или же край стола, по которому бегает животное. Нейрон же справа реагирует на наличие границы на юге, будь это край стола или стена, или же щель между двумя раздвинутыми столами. Это один из способов, по которому нейроны места определяют местонахождение животного при его перемещении.

Мы можем также в обычных условиях проверить наше восприятие местонахождения вот этого флажка – или вашей машины. Мы попросим людей изучить обстановку и посмотрим, какой участок они запоминают. Затем мы снова поместим их в эту обстановку. Обычно люди справляются с задачей и помнят, где именно находился флажок или машина. В некоторых экспериментах мы изменяем форму и размер окружения, как в эксперименте с нейронами места.

Здесь мы наблюдаем следующее: идеи о местонахождении флажка изменяются в зависимости от того, как мы изменяем форму и размер окружающей среды. Например, если флажок находился на месте красного крестика в небольшом квадратном пространстве, и если вы спросите людей о его местонахождении, увеличив при этом пространство, их представление о местоположении флажка расширяется точно так же, как расширяется зона активности нейронов места. Как будто вы запоминаете местонахождение флажка по карте, созданной нейронами места для этого участка пространства. Затем вы сможете вернуться к этому участку, перемещаясь по местности и пытаясь соотнести текущую создаваемую нейронами места карту с той, которая сохранена в памяти. Это возвращает вас на место, которое вы запоминаете.

Не теряемся мы и во время движения. Если мы отдалимся от начальной точки — паркуем машину и прогуливаемся по местности — объединив наши передвижения в один путь, мы приблизительно знаем, как вернуться назад. Нейроны места получают эту обобщенную информацию от так называемых grid-нейронов.

Grid-нейроны находятся на входе гиппокампа и напоминают нейроны места. Когда крыса исследует местность, каждая клетка реагирует во множестве различных точек, которые создают на местности удивительно правильную треугольную решетку. И если мы изучим несколько grid-нейронов, показанных здесь разным цветом, активность каждого из них напоминает решетку, и эта решетка немного сдвинута по отношению к другим клеткам. Красная клетка реагирует по этой решетке, зеленая вот по этой, и синяя вот по этой.

Все вместе они создают для крысы виртуальную решетку активных участков пространства. Она напоминает линии широты и долготы на карте, только сделанные при помощи треугольников. Крыса продолжает передвигаться, и электрическая активность переходит от одной клетки к другой, чтобы крыса знала, где она находится. Она использует собственные передвижения для определения своего местоположения.

Есть ли grid-нейроны у людей? Поскольку все решетки активности клеток имеют одинаковые оси симметрии, одинаковую ориентацию, как показано здесь оранжевым, решетчатая активность всех grid-нейронов в определенной части мозга должна изменяться согласно нашему передвижению в этих шести направлениях, или в одном из промежуточных направлений. Мы можем поместить человека в МРТ аппарат и попросить его поиграть в видеоигру — например ту, что мы уже видели — и попытаться отыскать сигнал. Оказывается, мы наблюдаем его в энторинальной зоне коры головного мозга. У крыс в этом месте мозга находятся grid-нейроны.

Вернемся к Гомеру. Скорей всего, он помнит, где его машина, учитывая направление и расстояние от границ парковки и зданий вокруг нее. Это возможно благодаря активности нейронов определения границ. Он также помнит путь, по которому вышел из парковки, что возможно благодаря активности grid-клеток. Эти два вида нейронов активизируют нейроны места. Он может вернуться к месту парковки машины, передвигаясь вокруг и сопоставляя текущую карту местности, создаваемую в этот момент мозгом, с той, которая уже имеется в памяти. Это и подводит его к нужному месту, независимо от зрительных подсказок или того факта, что его машина находится именно там. Возможно, ее отбуксировали. Но он помнит, где она была, и знает, как туда вернуться.

Кроме пространственной памяти, мы встречаем решетчатую активность по всему головному мозгу. Она отмечается на множестве постоянно активных участков, отвечающих за выполнение автобиографических задач, например, припоминание последней свадьбы, на которой вы были. Возможно, нейронные механизмы представления пространства вокруг нас используются также для создания зрительных образов, и мы можем воссоздать как минимум пространственные сцены произошедших с нами событий, когда мы этого хотим.

В этом процессе ваша память начинается с активации нейронов места между собой по множественным связям. Затем активируются нейроны границ, создавая пространственную схему того, что находится в вашем поле зрения. Grid-нейроны могут перемещать поле зрения в пространстве. Еще один вид нейронов — нейроны ориентации. О них я еще не говорил. Они активизируются, как компас, в зависимости от вашего направления. Они могут определить направление обзора, в котором вы хотите создать зрительный образ. Так вы представляете, например, что произошло на свадьбе.

Это лишь один пример новой эры в когнитивной нейробиологии. Мы начинаем понимать такие психологические процессы, как запоминание, воображение или мышление. Они зависят от активности несчетного числа нейронов, составляющих человеческий мозг.

Перевод: Ольга Дмитроченкова
Редактор: Александр Автаев

Источник