В исследовании, опубликованном в журнале Nature, авторы рассказывают о том, как обнаружили детали работы нашего внутреннего компаса. Оказывается, нейроны определяют направление и позволяют мыши понимать и запоминать свое положение в пространстве даже после первого осмотра места.
Во многих областях мозга, включая гиппокамп (отвечающий за воспроизводство памяти), нейроны постоянно дрейфуют. Этот феномен называется «репрезентативный дрейф», то есть индивидуальные нейроны постоянно меняют свою роль в рамках большой популяции. Это может казаться неустойчивостью, но на самом деле такой дрейф обеспечивает гибкость, обучаемость и надежность всей нейронной сети. В гиппокампе наблюдается сильный дрейф, что может быть связано с тем, что гиппокамп должен кодировать не только «здесь и сейчас», но и огромное количество эпизодических воспоминаний, которые постоянно обновляются. Однако как ведет себя система внутреннего компаса, которая дает чувство направления и должна обеспечивать стабильную привязку к пространству, оставалось загадкой.
В новом исследовании ученые в течение долгого времени наблюдали за активностью одних и тех же нейронов у мышей. Исследователи измерили два разных типа стабильности в системе внутреннего компаса: насколько точно один и тот же нейрон помнит свое положение и насколько точно вся система (взаимное расположение нейронов) сохраняет свою форму. Оказалось, что вся система стабильнее, чем отдельные нейроны – это означает, что нейроны внутреннего компаса связаны друг с другом очень жесткими взаимными связями.
Более того, сотни нейронов системы компаса совместно создают жесткий, неизменный математический объект – «виртуальный циферблат», который служит эталоном, относительно которого мозг вычисляет любое направление. Поворот головы мыши при исследовании нового места соответствует движению стрелки по этому циферблату, и положение любой точки на кольце однозначно соответствует направлению головы мыши.
Связь нейронов в кольцо очень устойчивая, но одновременно система действует гибко: при переходе в новое место вся популяция нейронов, по-прежнему организованных в кольцо, перестраивается относительно внешних ориентиров, то есть привязывается к новом ориентиру в новом помещении. Это фундаментальное свойство, позволяющее животному всегда знать, «куда смотрит его нос», даже в полной темноте и спустя много недель после посещения определенного места.
Открытие имеет фундаментальное значение для понимания того, как мозг строит карту окружающего мира, и может помочь в понимании нарушения пространственной ориентации при болезни Альцгеймера и других нейродегенеративных заболеваниях, где внутренний компас «ломается» одним из первых.
Текст: Юлия Баимова