Как мы понимаем, где мы? Как мы находим путь из одного места в другое? И как мы храним это знание в памяти, мгновенно извлекая его, когда нам вновь приходится идти по знакомому маршруту? Нобелевские лауреаты этого года открыли навигационную систему, «встроенный в мозг GPS», дающий нам возможность ориентироваться в пространстве — и, тем самым, продемонстрировали клеточную основу одного из механизмов поведения.
В 1971 году, О’Кифи открыл первую составляющую этой навигационной системы. Он обнаружил, что определенные нервные клетки части мозга, называемой гиппокампом, всегда активируются, когда крыса оказывается в определенном месте вольера. Другие нервные клетки активировались, когда крыса находилась в других местах. О’Кифи заключил, что эти «клетки места» образуют карту комнаты.
Более трех десятилетий спустя, в 2005 году, Мэй-Бритт и Эдвард Мозер открыли другую ключевую часть встроенного в мозг навигатора. Они обнаружили новый класс нервных клеток, «координатные клетки», образующие координатную сетку и отвечающие за определение точного местонахождения и маршрута. Их дальнейшие исследования показали, как именно клетки места и координатные клетки позволяют определять местонахождение и прокладывать маршрут.
Открытия О’Кифи, Мэй-Бритт Мозер и Эдварда Мозера дали ответ на вопрос, века занимавший философов и ученых — как мозг генерирует карту окружающего нас пространства, и как мы ориентируемся, находя дорогу.
Как мы воспринимаем окружающий мир?
Способность понимать, где мы находимся — чувство места, и способность находить дорогу, являются важнейшей частью нашего существования. Чувство места дает нам информацию о нашем положении в окружающем мире. В процессе поиска пути, оно работает совместно с чувством расстояния, опирающимся на движение и на знание о предыдущем положении.
Вопросы ориентации в пространстве и навигации давно волновали философов и ученых. Более 200 лет назад немецкий философ Иммануил Кант утверждал, что некоторые способности существуют в виде «готового знания», не опирающегося на предшествующий опыт. Он считал идею пространства исходно встроенной в сознание и определяющей восприятие мира. С появлением бихевиористской психологии в середине 20 века появилась возможность получить ответ на эти вопросы экспериментальным путем. Эдвард Толман, исследовавший поведение крыс в лабиринтах, обнаружил, что они способны обучаться находить дорогу. Он предположил, что при этом в мозге образуется карта, которой крысы затем пользуются при ориентировании. Но оставался неотвеченным вопрос — как такая карта может быть закодирована?
Джон О’Кифи и место на карте
Джон О’Кифи был заинтригован тем, как мозг определяет поведение, и в конце 1960х годов решил использовать методы нейрофизиологии для поисков ответа на этот вопрос. Он записывал активность отдельных клеток гиппокампа у крыс, свободно перемещавшихся по вольеру. О’Кифи обнаружил, что некоторые нервные клетки активизируются каждый раз, когда крыса оказывается в одном и том же месте вольера. Ему удалось показать, что эти «клетки места» не просто отвечают на зрительные стимулы, а создают встроенную в мозг «карту местности». О’Кифи заключил, что внутри гиппокампа образуется множество карт, записанных в виде активности групп «клеток места», которые включаются в разных местах вольера. Таким образом, память об определенном месте хранится в виде комбинации активности клеток гиппокампа.
Мэй-Бритт и Эдвард Мозер находят координаты
Мэй-Бритт и Эдвард Мозер занимались картированием нервных путей, ведущих в гиппокамп, у свободно перемещавшихся по вольеру крыс, когда они вдруг обнаружили удивительную пространственную организацию нервной активности в соседнем с гиппокампом участке мозга, энторинальной области коры. Некоторые клетки активизировались каждый раз, когда крыса пробегала через вершины воображаемых шестигранных сот, расположенных на полу вольера. Каждая из этих клеток активизировалась несколько иначе в ответ на разные вершины, а их совокупность образовывала систему координат, достаточную для навигации в пространстве. Вместе с другими клетками энторинальной области, распознающими ориентацию головы и стенки вольера, «координатные клетки» работают вместе с «клетками места» гиппокампа, образуя единую систему навигации, внутримозговой «GPS».
Место для карт в мозге человека.
Результаты недавних исследований мозга здоровых людей и исследования пациентов во время операций на мозге дали свидетельства того, что у людей также присутствуют клетки места и координатные клетки. На ранних стадиях болезни Альцгеймера часто происходит поражение гиппокампа и энторинальной области коры. Такие пациенты часто теряют ориентацию в пространстве, не понимают, где они, и не могут найти дорогу. Понимание того, как устроена система навигации в мозге, может помочь выяснить механизм катастрофической потери пространственной памяти у людей с болезнью Альцгеймера.
Открытие системы навигации в мозге представляет новую парадигму нашего понимания того, как группы специализированных клеток кооперируются, обеспечивая работу сознания и сложное поведение. Эта работа кладет начало исследованиям других сторон сознания, таких, как память, мышление и планирование.
* * *
Решение Нобелевского комитета оказалось неожиданностью для аналитиков и букмейкеров. Вероятными кандидатами на премию по физиологии и медицине в этом году были ученые, обнаружившие роль повторов ДНК в наследственных заболеваниях человека, а также исследователи, открывшие механизмы регуляции генов и клеточные механизмы восприятия боли.
Нобелевская премия этого года в некотором роде уникальна. Впервые она была присуждена за исследование клеточных механизмов, лежащих в основе сложного поведения. Только дважды за более чем столетнюю историю Нобелевских премий лауреатами становились ученые, чьи открытия дали ответ на похожие вопросы. В 1973 году премия была присуждена Карлу Вон Виршу (Karl von Virsch), Конраду Лоренцу (Konrad Lorenz) и Николасу Тинбергену (Nikolaas Tinbergen), которые исследовали поведение пчел, птиц и рыб и продемонстрировали, что многие схемы поведения являются врожденными, «прошитыми в мозг», а не выученными. Восемь лет спустя, в 1981 году, Нобелевская премия была присуждена Роджеру Спери (Roger Sperry), Давиду Хубелу (David Hubel) и Торстену Визелу (Torsten Wiesel) за исследования разницы между полушариями мозга и обработки мозгом зрительных сигналов. Ученые продемонстрировали, что оба полушария по-разному участвуют в работе сознания, и показали, как визуальная информация подвергается многоступенчатому анализу в зрительной коре.
Работа лауреатов этого года впервые связывает функцию отдельных клеток мозга с работой сознания млекопитающих. Это важный шаг в направлении ответа на вопрос «как мы думаем?».
Фото превью: Geir Mogen/ Интернет-газета с новостями норвежских и международных исследований Forskning.no
