Приглашенный редакторЧем наш мозг отличается от наручных часов и Google Maps
Чего мы ещё не знаем о времени и пространстве
Текст
Олег Виноградов
Пространство и время в нашем мозге непрерывно связаны. Исследования последних лет показывают, что нервные клетки, кодирующие карты окружающего нас пространства, считывают секунды или минуты. И что самое интригующее — именно эти клетки могут быть связаны с формированием воспоминаний так называемой эпизодической памяти. Look At Me попросил журналиста и учёного Олега Виноградова рассказать о том, как мы воспринимаем пространство и время.
GPS в мозге и Нобелевская премия этого года
В середине прошлого века люди научились регистрировать активность всего одной нервной клетки в мозге с помощью супертонких электродов, пока крыса, обезьяна или даже человек выполняют разные действия. Именно с помощью этой техники Джон О’Киф в 60-х годах открыл нервные клетки, разряжающиеся в ответ на определённое положение в пространстве. В его лаборатории крысе вживляли электрод в гиппокамп — одел мозга в глубине височной доли. К тому времени гиппокамп уже успел стать «суперзвездой» в нейробиологии после случая пациента ГМ, забывающего всё через 10 минут (об этом ниже). В тот момент, когда крысы Джона О’Кифа находились в определённом участке клетки, специальные нейроны в их мозге разряжались. Продолжая работу, учёные выяснили, что эти клетки образуют настоящие карты пространства. Например, несколько клеток разряжаются, пока крыса находится в левом верхнем углу, а другие — пока она в правом нижнем углу.
→ Щелчки озвучивают то, как нервные клетки разряжаются
Позже оказалось, что эти карты могут изменяться, если крысу пересадить в другую клетку. Нейроны правого верхнего угла квадратной клетки станут нейронами левой стороны в круглой клетке. Также эти карты меняются, если вы переехали из одной квартиры в другую.
Карты пространства (или когнитивные карты, как их назвал О’Киф) не объясняют того, как именно мы ориентируемся в окружающей среде. В некотором смысле это всего лишь ярлыки кухни или ванной комнаты в мозге. Крысы и люди с повреждением гиппокампа могут ориентироваться в пространстве. Именно этот факт и заставил супружескую пару из Норвегии изучать клетки в соседнем участке мозга — энторинальной коре. Эти исследования принесли им Нобелевскую премию по физиологии и медицине.
Эти клетки образуют карты пространства, которые меняются, если вы переехали из одной квартиры в другую
Энторинальная кора — очень древний в эволюционном плане участок мозга.
К нему тянутся нервные отростки от обонятельных луковиц, и до последнего времени этот отдел был известен только тем, что анализирует запахи. Исследования норвежской пары были похожи на работы О’Кифа, но за 40–50 лет методы значительно улучшились. Оказалось, что существуют группы клеток, которые разряжаются, если крыса пробегает границы гексагонального пространства. Можно представить, что крыса бегает не в клетке, а по полю, расчерченному в виде пчелиных сот. В момент, когда крыса перебегает из одной соты в другую, активируются разные клетки. Эти нервные клетки решили назвать — grid-клетки (или нейроны-решётки, перевод на русский язык достаточно глупый). Сами авторы часто объясняют работу этих клеток по аналогии с работой GPS — grid-клетки дают нам понять, где мы находимся в пространстве, опираясь на условную систему координат. Grid-клетки — это наша карта из пчелиных сот, а клетки места — ярлыки на этой карте.
Забыть всё через 10 минут:
Как работает мозг без гиппокампа
За десять лет до открытия клеток места внимание исследователей к гиппокампу привлёк случай пациента Генри Молейсона. После черепно-мозговой травмы в детстве Генри страдал эпилепсией, не поддающейся лечению лекарственными препаратами. В 20 лет ему удалили участок мозга, в котором располагался очаг эпилепсии. Он находился в глубине височной доли в гиппокампе, о функциях которого никто толком ничего не знал. Особенностью операции было то, что хирург решил удалить гиппокамп из правой и левой долей, хотя это противоречило общепринятой практике. В результате Генри больше не страдал эпилепсией, но приобрёл тяжелое расстройство памяти. Всё, что произошло у него в жизни до операции, он хорошо помнил, события после запоминал лишь на несколько минут.
После удаления гиппокампа Генри Молейсон забывал всё через 10 минут
Работая с Генри, американский психолог Бренда Милнер обнаружила, что, несмотря на отсутствие осознанных воспоминаний, он всё ещё может приобретать моторные навыки. Именно тогда была открыта эксплицитная (сознательная) и имплицитная память, но, несмотря на множество усилий и огромное количество информации, до конца непонятно, как гиппокамп работает. Сам Генри прожил, забывая события каждого нового часа, до 82 лет.
Чем мозг отличается от наручных часов
Данные о пространственных картах в гиппокампе и о том, что этот отдел мозга участвует в формировании памяти, провоцировали вопрос — нет ли там и клеток, кодирующих промежутки времени?
В одном из исследований группы Георгия Бузаки из Университета Нью-Йорка крысы должны были выполнять последовательно несколько действий: строго определённое время бежать (точно 10 или 20 секунд) во вращающемся колесе и выбирать правильный поворот в лабиринте. Только после этого они получали награду. Проанализировав активность нейронов, учёные выяснили, что на разных этапах задания последовательно активируются разные нейрональные сети. Это заставило авторов задуматься, не связано ли это с кодированием последовательности во времени. Похожие исследования, но в других экспериментальных условиях (например, крыс заставляли запоминать последовательности запахов) давали похожие результаты. Однако вопрос о том, действительно ли эти клетки связаны со временем, а не с пространством, оставался открыт.
Именно клетки времени играют решающую роль, когда мы запоминаем последовательность событий
В 2011 году Ховарт Эихенбаум ввёл термин «клетки времени». Вместе со своими коллегами из Бостонского университета он провёл ещё одно исследование на крысах. На этот раз крыса должна была запоминать соотношения геометрических фигур и запахов. И только если соотношение было правильным, она получала награду, закопанную в песок в другой камере.
Крыса знала, что если ей покажут шар, а потом запахнет лимоном, то надо копать песок. Если за шаром будет запах орегано, то копать не стоит. Уже обученная крыса смотрела на шар, потом ждала 10 или 20 секунд. Затем её пускали в камеру с запахом и закопанной или не закопанной наградой. Во время ожидания некоторые клетки гиппокампа разряжались. Причём если ожидание было 10 секунд, то одни, а если 20, то другие. Ситуация была похожа на то, как пространственные карты изменяют свою активность в новом окружении. Авторы считают, что именно эти клетки времени играют решающую роль, когда мы запоминаем последовательность событий.
Похожие открытия были сделаны с участием обезьян, запоминающих последовательности картинок. У людей в гиппокампе есть похожие нейроны. Регистрируя активность отдельных нейронов гиппокампа у пациентов перед нейрохирургическими операциями, исследователи из Израиля и США обнаружили похожую последовательную активность, когда люди вспоминали разные фрагменты видеоклипов.
Группа Говарда Эйхенбаума, который и придумал термин «клетки времени», показала, что на самом деле нейроны времени и нейроны места — это зачастую одни и те же клетки. Только в разных ситуациях они участвуют в разных нейронных сетях, отсчитывающих время в последовательности событий или точки в пространстве.
В своём недавнем обзоре, опубликованном в Nature Reviews, Эйхенбаум пишет, что гиппокамп кодирует временные последовательности, и это чуть ли не одна из самых важных его функций. «Это подтверждено теперь многими работами. С другой стороны, несмотря на то что в эксперименте можно разделить клетки времени и пространства, всё ещё возможно, что и те и другие всего лишь отражают главное свойство гиппокампа — формировать разные связи между всевозможными событиями и воспоминаниями», — говорит учёный.
Георгий Бузаки, комментируя одну из статей, в которой говорилось о нейронах памяти у крыс, утверждает, что исследования клеток памяти, как и любое другое хорошее исследование, порождает больше вопросов, чем ответов. Он считает, что в отличие от часов, в мозге время может течь как сменяющаяся последовательность активности разных нейронных сетей. Именно эта сменяющаяся активность может быть основой наших воспоминаний или может помогать нам предсказывать последствия тысяч возможных действий.
Комментарии
Подписаться