Ученые изучают, как мозг ориентируется в пространстве

В течение десяти лет ученые были озадачены тем, как «внутренние карты» человеческого мозга соединяются с внешним миром. Новое исследование, опубликованное в журнале Nature, попыталось решить эту головоломку.

Ученые из Норвежского университета науки и технологии в Тронхейме сравнили внутреннюю карту мозга с тем, как мы могли бы использовать карту и компас, чтобы связать линии долготы с территорией вокруг нас во время пешей прогулки.

Лауреаты Нобелевской премии Эдвард Мозер (Edvard Moser) и Май-Бритт Мозер (May-Britt Moser) ранее обнаружили «клетки координатной сетки» в мозге, которые являются главным ориентиром в пространственной навигационной системе нашего мозга. Эти клетки позволяют внутренним картам сетки «подтянуться» при необходимости и вести нас в правильном направлении. Новое исследование помогает объяснить, как эти карты соединены с нашим окружением. Норвежская команда записала деятельность ячеек сетки у крыс, когда животные охотились за крошками печенья вокруг коробки объемом 1,5 квадратных метра.

«При анализе информации из более чем 800 ячеек сетки мы заметили, что схемы сетки, как правило, были ориентированы в одном из нескольких направлений», – объясняет исследователь Тор Стенсола (Tor Stensola). «Это было характерно для всех изученных животных. Это предполагает, что карта сетки выравнивает ее окружение в систематическом порядке. Клетки сетки, казалось, все были закреплены на одной из местных стен, но всегда с определенным смещением на несколько градусов. Поэтому мы решили исследовать этот вопрос».

Как способ визуализации, исследователи объясняют, что если карта представляла деятельность ячеек сетки, представленных в коробке, то она должна быть выровнена каждый раз, когда крыса находилась в коробке.

Вследствие анализа данных ученые обнаружили, что эти записанные карты были непоследовательны и что каждый рисунок сетки был связан с одной из стенок ящика. Тем не менее, оси решеток были не идеально ровны – они имели наклон. Угол всегда был примерно 7,5 градусов. Стенсола сделала некоторые расчеты и обнаружила, что могло явиться серьезным основанием для этого конкретного угла:

«При 0 и 15 градусов карта будет симметричной. Другими словами, если бы это были идеально выровненные стены, то они отразили бы или кардинальную ось, или диагональ квадратной коробки соответственно, что, вероятно, способствовало бы путанице мест. Угол поворота в 7,5 градусов – это тот угол, который минимизирует симметрию с осями в окружающей среде, тем самым минимизируя эти виды потенциальных ошибок».

Если бы карта была симметрична, то модель была бы идеально шестиугольна – вместо этого, исследователи обнаружили, что точки образуют эллипс. Это искажение точек «почти идеально» соответствовало направлению эллипса и показывало в сторону закрепленной сетки.

Опять же, исследователи используют визуальную метафору, чтобы объяснить это искажение и как оно вытесняет части объекта по-разному в зависимости от местоположения. Подумайте о движении колоды карт по столу. Нижняя карта остается на том же месте, и верхняя карта будет перемещена больше всего, в то время как карты в середине перемещаются в пространстве, которое отражает его положение в колоде.

С учетом этого, исследователи предположили, что, когда животное встречается с новой средой, его мозг образует карту окружающей среды, где одна из осей выравнивается идеально с соседней стеной. Постепенно движение в пределах пространства деформирует и искажает карту в 7,5 градусов от закрепленной стены, что создает «стабильную и надежную карту с низкой вероятностью ошибки».

В больших коробках, которые были объемом 2,2 квадратных метра, исследователи обнаружили, что крысиные карты были той же асимметрии, но теперь они раскололись и превратились в самостоятельные локальные карты для той же самой коробки, закрепленной на противоположных стенах.

«Результаты дают нам больше подсказок о том, как наши внутренние карты могут взаимодействовать с окружающей средой. Теперь мы должны выяснить в деталях, как информация об ориентации стен и границ в окрестностях достигает карт сетки, и каким образом эта информация обрабатывается. Возможно, пограничные клетки помогут найти ответ, пока мы не знаем этого точно».

ПОДРОБНЕЕ В НАУЧНОЙ СТАТЬЕ:

Shearing-induced asymmetry in entorhinal grid cells, Tor Stensola, et al., Nature, doi:10.1038/nature14151, published online 12 February 2015.