Нейроны навигации подстраиваются под окружающую среду

Для ориентации в пространстве мозг использует два типа нейронов. Первые – нейроны-картографы, или нейроны места. Они сидят в гиппокампе и запоминают характерные особенности окружающего ландшафта. Нейроны места реагируют и запоминают не какое-то одно-единственное место, а много мест, и один и тот же нейрон кодирует не просто разные места, но места разного масштаба. Другие клетки, сидящие в энторинальной коре, по очереди активируются, пока индивидуум передвигается в пространстве – то есть они отмечают участки территории. Их особенность в том, что они срабатывают по особой схеме, разбивая пространство на шестиугольные фрагменты и делая его похожим на огромную решётку. Отсюда и их название – grid-нейроны, или нейроны решётки, или, как их ещё называют GPS-нейроны. Они задают систему координат, в которой мозгу удобно описывать конкретный ландшафт и собственные перемещения в пространстве. За открытие обоих типов нейронов навигации в 2014 году дали Нобелевскую премию по физиологии и медицине.

Постоянна ли пространственная решётка, которую создают нейроны решётки? Раньше считалось, что постоянна, что ни от каких особенностей окружающего ландшафта работа этих нейронов не зависит; в конце концов, для особенностей ландшафта есть нейроны места. Однако активность нейронов решётки обычно исследовали в экспериментах, когда животные перемещались, имея в виду определённую цель и видя вокруг себя из раза в раз одни и те же объекты. Сотрудники Гейдельбергского университета и Немецкого центра исследования рака сделали иначе: у них мыши сначала бегали по пустой экспериментальной площадке, а потом на той же площадке появлялось устройство с рычагом. Нажав на рычаг, мышь получала угощение, но чтобы его получить, нужно было вернуться от рычага обратно в домашнюю нору. Смысл был в том, чтобы проверить, как будут вести себя нейроны решётки, когда окружающие приметы непостоянны, а твои перемещения из случайного блуждания переключаются в целенаправленное движение к угощению.

От исследователей требовалось одновременно фиксировать активность сразу большого набора нейронов решётки, а потом эту активность анализировать методами искусственного интеллекта. «Решёточность» нейронов видна не в том, как они расположены физически в мозге, а в том, как они работают. Их активность вписывают в тороидальную систему координат, из которой с помощью математических преобразований получают перемещения индивидуума в более привычной нам прямоугольной системе координат. 

В статье в Nature Neuroscience говорится, что нейроны решётки строят не одну, а много решёток: система шестиугольников зависит от цели, а также от меняющейся точки отсчёта во внешнем мире. У мыши, которая просто блуждает по экспериментальной площадке, нейроны решётки работают по одной схеме, но если та же мышь вдруг натыкается на рычаг, который, как она помнит по опыту, даёт ей угощение, то навигационная решётка перестраивается так, чтобы мышь от очень важного элемента ландшафта, то есть от этого самого рычага, как можно быстрее добралась до норы, где её ждёт что-то вкусное. Сами исследователи предлагают представить, что вы вошли в абсолютно тёмную комнату и пытаетесь по ней передвигаться. До поры до времени для вас точкой отсчёта будет входная дверь, но как только вы наткнётесь в темноте на диван или стул, окружающие координаты изменятся – дверь никуда не денется, но система навигации свяжет её с новым элементом окружающего пространства.

Несколько лет назад мы уже писали о том, что решётка нейронов навигации может изменяться, но тогда речь шла о том, что узлы этой решётки отдаляются друг от друга или сближаются, искажая шестиугольники нейронной активности. Однако и сами узлы тоже способны меняться, и вся решётка способна перестраиваться, как это видно по новым данным. Поэтому сравнивать нейроны решётки с системой GPS не совсем корректно; в то же время, учитывая разнообразие жизненного опыта, жизненных целей, жизненных ситуаций и т. д., можно было ожидать, что правила работы нейронов решётки не такие жёсткие, как было принято считать.