Как мозг строит сложные карты для навигации и запоминания мира

Мозг создает внутренние "карты", чтобы помочь нам ориентироваться и учиться на основе окружающей среды, но то, как эти карты формируются, остается сложной задачей для понимания. Теперь исследование, возглавленное Лисет М. де ла Придой из Центра нейронаук имени Хахала (CNC-CSIC) в Мадриде в сотрудничестве с Имперским колледжем Лондона, предлагает новый взгляд на то, как пространственная и опытная информация кодируется в гиппокампе — ключевой области мозга для навигации и памяти.

Исследование, опубликованное сегодня в журнале Neuron, показывает, что два типа нейронов гиппокампа работают совместно у мышей, чтобы создавать пространственные карты, которые являются более сложными и адаптируемыми, чем считалось ранее. Эти результаты открывают новые пути для понимания того, как мозг обрабатывает и представляет пространственную информацию, и могут иметь последствия для разработки будущих методов лечения неврологических заболеваний, связанных с памятью и ориентацией, таких как болезнь Альцгеймера.

Исследователи выяснили, что две разные подгруппы пирамидальных нейронов, классифицируемые как поверхностные и глубокие в зависимости от их расположения в гиппокампе, по-разному реагируют на движения и повороты, что позволяет мозгу генерировать дополнительно геометрические представления. Исследование показало, что глубокие пирамидальные нейроны реагируют на локальные изменения, такие как положение мебели в комнате. Напротив, поверхностные пирамидальные нейроны поддерживают более стабильное пространственное представление, сосредоточенное на глобальных особенностях, таких как ориентация окон или дверей.

Эта стабильность имеет решающее значение для поддержания постоянного ориентира в окружающей среде. Это исследование расширяет открытия, признанные Нобелевской премией 2014 года, которую получили Май-Бритт и Эдвард Мозер вместе с Джоном О'Кифом за их открытия клеток местоположения и решетчатых клеток, которые составляют основу системы позиционирования мозга. Открытия Лисет М. де ла Приды развивают эти знания, предлагая более глубокое понимание того, как гиппокамп кодирует и обрабатывает пространственную информацию, интегрируя различные системы отсчета.

Пространство, скорость и направление

Для исследования этих представлений команда использовала простые коридоры, напоминающие лабиринты, с визуальными и тактильными маркерами, по которым мыши могли бегать вперед и назад. Было обнаружено, что нейроны глубоких слоев более чувствительны к пространству, скорости и направлению движения, чем нейроны поверхностных слоев. Интересно, что глубокие нейроны реагировали на близлежащие ориентиры, в то время как поверхностные нейроны больше реагировали на визуальные сигналы в более широком окружении комнаты. «Гиппокампальные нейроны создают абстрактные пространственные представления, которые действуют как карта, позволяя ориентироваться и запоминать прошлые переживания.

До сих пор было неясно, как различные типы нейронов способствуют созданию этих абстрактных карт, поскольку такие представления возникают из коллективной активности. Это похоже на попытку определить, какие музыканты в оркестре ответственны за ритм, а какие за мелодию — хотя все они вносят свой вклад, некоторые играют ключевые роли в итоговом результате», — говорит Лисет М. де ла Прида.

Прорыв стал возможен благодаря современным методам визуализации, которые позволяют одновременно наблюдать за активностью сотен нейронов каждого типа. «Мы использовали датчики двух разных цветов, чтобы отслеживать активность как поверхностных, так и глубоких клеток в реальном времени», — объясняет Хуан Пабло Кинтанилья, соавтор, ответственный за эти эксперименты. Эта микроэндоскопическая клеточная визуализация была впервые реализована в Испании в Центре нейронаук имени Хахала Испанского национального исследовательского совета (CSIC).

Карты, обновляемые в реальном времени

Еще одной важной инновацией исследования было использование топологических методов — ветви математики, изучающей свойства геометрических объектов — для декодирования структуры этих абстрактных нейронных карт. Когда мыши исследовали коридоры, гиппокампальные карты, сформированные активностью сотен нейронов из каждой подгруппы, принимали форму трехмерных колец. Когда окружение менялось — например, после перестановки мебели в комнате — глубокие и поверхностные пирамидальные нейроны реагировали по-разному. Это позволяет мозгу обновлять свою пространственную карту, сохраняя согласованную и гибкую информацию о местоположении и ориентации, несмотря на внешние изменения.

Эти разные пространственные представления (локальные и глобальные) сосуществуют параллельно в гиппокампе. Эта способность поддерживать несколько систем отсчета одновременно является замечательной особенностью когнитивных карт. «Карты, создаваемые этими двумя подгруппами нейронов, переплетаются, представляя как глобальную (например, комнату), так и локальную (например, мебель) информацию», — объясняет Хулио Эспарса, биомедицинский инженер, ответственный за топологический анализ. Чтобы проверить эту гибкость, исследователи использовали хемогенетику, чтобы временно "приглушить" активность определенных типов клеток. «Мы обнаружили, что можем вращать внутренние пространственные карты и переориентировать кольца, избирательно "приглушая" поверхностные или глубокие нейроны», — объясняет Эспарса.

Способность мозга создавать ментальные карты может быть использована для улучшения памяти, как, например, в методе "дворца памяти". Этот метод помогает людям запоминать информацию, представляя знакомые места, такие как дом или соседство, и мысленно размещая идеи в разных местах, чтобы их было легче вспомнить. Результаты работы команды CSIC открывают новые пути для понимания того, как мозг обрабатывает и представляет пространственную информацию, и могут иметь значение для разработки будущих методов лечения неврологических заболеваний, связанных с памятью, таких как болезнь Альцгеймера.

• Пластиковый лед
• Исследования показывают, что захват углерода дороже, чем переход на возобновляемые источники энергии
• Саудовской Аравии продолжает расти, страна ставит большие ставки на искусственный интеллект
• Новинка — наушники с обворачивающим дизайном для качественного звучания
• Если какой-либо ИИ станет «несоответствующим», система скроет это настолько долго, чтобы нанести вред — управление им — это заблуждение
• Модульный дизайн робота использует привязанные прыжки для исследования планет
• Воздушный робот может безопасно ориентироваться в незнакомых условиях на высоких скоростях
• Закрученный свет: лампа Эдисона снова обрела смысл