Нейробиолог Нил Берджесс о клетках места, механизмах определения местоположения и пространственной памяти
Вместе с Британским Советом в России мы подготовили проект «Британские ученые»,
посвященный истории британской науки. В этой лекции профессор
когнитивной и вычислительной нейронауки Университетского колледжа
Лондона Нил Берджесс рассказывает о способности мозга ориентироваться в
пространстве.
Для всех подвижных организмов и в особенности млекопитающих, включая нас с вами, умение определять свое местоположение, а также ориентироваться в пространстве, например находить дорогу домой и отыскивать путь к ресурсам, таким как пища, — это важнейшая когнитивная способность. Относительно недавно мы начали понимать, какие нервные процессы находятся в основе такого типа пространственной ориентации — осознания того, где мы находимся и как попасть в нужное нам место. В настоящий момент мы действительно начинаем разбираться в том, что именно происходит в мозге, что позволяет нам знать, где мы, ориентироваться и запоминать нахождение важных для нас мест в пространстве.
Этот прорыв в понимании начался в конце 1960-х — начале 1970-х годов, когда Джон О’Киф из Университетского колледжа Лондона обнаружил клетки места — нейроны, находящиеся в гиппокампе — одной из частей мозга, проводя работу на животных моделях, таких как крысы и мыши. Эти нейроны возбуждаются всякий раз, когда животное находится в определенной части среды, а другие нейроны возбуждаются, когда оно находится где-то еще. Вместе они образуют большую популяцию нейронов. Если вы посмотрите на то, как изменяется ее активность по мере перемещения животного в среде, вы сможете определить местонахождение животного, то есть какие нейроны места возбуждены и передают маленькие электрические импульсы другим нейронам в мозге — это указывает на то, где находится животное в среде. Эти нейроны сообщают остальной части мозга, где находится животное, все то время, пока оно перемещается.
Вскоре после этого открытия, в 1980-х годах, Джим Ранк и его коллеги в Нью-Йорке обнаружили нейроны направления головы. Они представляют собой что-то вроде нейронного компаса. Нейроны места активны в соответствии с тем, где находится животное в среде, нейроны направления головы активны в зависимости от того, куда обращено животное. Так что само местонахождение неважно, а важно только то, куда повернута голова животного. Отдельно взятый нейрон направления головы возбуждается всякий раз, когда животное ориентировано, например, на север, где бы оно ни находилось. Другой нейрон возбуждается, когда оно смотрит в другом направлении, так что среди популяции нейронов направления головы характер возбуждения клеток сообщает остальному мозгу, куда ориентировано животное, в течение всего времени его перемещения.
А затем, гораздо позже, в 2005 году, профессор Э. Мозер в Норвегии обнаружил третий тип клеток навигации — нейроны решетки. Они в каким-то смысле напоминают клетки места и также возбуждаются по мере того, как животное перемещается в среде. Конкретный нейрон места будет возбуждаться в зависимости от местонахождения животного, в то время как конкретный нейрон решетки возбуждается, когда оно оказывается в одном из ряда мест, которые распределены в окружающей среде животного в виде правильной треугольной решетки. Это очень удивительная вещь — сложность поведения, которое животное демонстрирует, блуждая по окружающей среде. Но отдельно взятый нейрон места возбуждается в тот момент, когда животное попадает в определенные места среды, организованные в треугольные последовательности. В то время как отличный нейрон решетки возбуждается в тех же самых последовательных местонахождениях, но с временным сдвигом от другой клетки. Так что в целом в популяции нейронов решетки активность будет переходить от одной клетки к другой по ходу перемещения животного.
Так же как и нейроны места, эти клетки сообщают мозгу о местонахождении животного, но в своеобразной манере. Вы можете вычислить нахождение животного исходя из характера активности нейронов решетки, которые располагаются в энторинальной коре головного мозга рядом с гиппокампом и проецируются туда, где находятся нейроны места. Из-за того что у этих клеток такой забавный повторяющийся регулярный характер возбуждения в среде и каждая клетка содержит смещенный вариант того же самого характера возбуждения, легко представить, что эти клетки могут обновлять свою активность в популяции в соответствии с движением животного. Таким образом, когда животное двигается в одном направлении, активность переходит от одного нейрона решетки к другому, характер возбуждения которого сдвинут относительно первой клетки. И это справедливо для любого местонахождения в среде, так как клетки обладают этим забавным повторяющимся характером возбуждения. Полагается, что нейроны решетки позволяют связывать знания о перемещении животных или людей с их представлением о том, где они действительно находятся в пространстве. Нейроны места сообщают о том, где вы, а нейроны решетки обновляют эту информацию, учитывая факт, что вы переместились, например, на 10 метров на север, то есть теперь вы знаете, где вы должны были бы находиться с учетом вашего перемещения.
Совсем недавно в Университетском колледже Лондона мы обнаружили клетки, которые обозначают наше местоположение относительно нашего окружения, — нейроны границы. Всякий раз, когда вы сталкиваетесь с большим расширенным компонентом среды, эти клетки, которые также находятся рядом с гиппокампом, указывают на то, что животное или, возможно, человек находится на определенном расстоянии и направлении относительно большого здания или другого большого расширенного компонента среды; эти клетки открыл Колин Ливер, работая вместе со мной и Джоном О’Кифом. А еще раньше Джим Книрем из США нашел клетки, которые сообщают о расстоянии и направлении животного относительно индивидуальных объектов среды. В общем, мы видим, что клетки в составе или вокруг гиппокампа в этой части мозга (у людей она находится в середине медиальных височных долей). Все эти клетки кодируют наше местоположение и направление и способные обновлять их активность с учетом наших передвижений.
Также клетки, обозначающие, где мы находимся относительно компонентов или объектов среды, дают нам возможность понять на уровне нейронов механизмы того, как мы определяем, где мы находимся, как расположены объекты вокруг нас и куда мы направляемся. Не менее важно для понятий навигации и пространственной памяти то, что паттерны возбуждения нейронов, определяющие, где мы и где все остальное вокруг нас, могут храниться в мозге. Если они связаны с важными местами, такими, как наш дом, мы можем хранить записи о характере активности нейронов, связанные конкретно с этим местонахождением. Затем, когда вы оказываетесь в другом месте, можно воспроизвести эту нейронную активность, сравнить ее с текущей активностью, рассчитать расстояние от одной точки до другой и понять, как вернуться назад, если вам это потребуется. Еще один аспект регулярной повторяющейся схемы возбуждения нейронов решетки — это то, что они используют что-то похожее на двоичный код, очень мощный способ кодировки потенциально больших пространств, так что, если вы знаете схему возбуждения нейронов решетки в их популяции для определенного местоположения, а также для вашего текущего расположения, вы можете вычислить вектор между ними, расстояние и направление между двумя точками, даже если в реальности они находятся далеко друг от друга. Возможно, эта система представляет собой мощное средство для определения того, где вы находитесь и как попасть в нужное вам место. Это чрезвычайно важная способность для подвижных организмов.
В будущем мы надеемся начать понимать нейронные механизмы пространственной памяти, чтобы разобраться в том, почему, например, люди с нарушениями этой части мозга, гиппокампа, как при болезни Альцгеймера, начинают сбиваться с пути, блуждать вокруг и теряться в пространстве, что создает большую проблему для их опекунов. Может быть, также станет возможно создать искусственные устройства. Такие как беспилотные машины или роботы, которые смогут находить дорогу, используя сходный с людьми механизм. Необязательно потому, что это лучший из возможных способов ориентироваться для механических устройств. Спутниковая система может быть более точной. Если искусственные навигационные устройства смогут понимать, как люди обычно ориентируются, то это, возможно, сделает их более легкими для взаимодействия, и они смогли бы иметь встроенную информацию о том, какие аспекты навигации люди считают сложными, а какие — простыми. Все эти научные эксперименты и разработки, за которые, например, недавно дали Нобелевскую премию по физиологии или медицине в 2014 году, помогают нам сформировать хорошее детальное представление о том, как ведут себя разные типы нейронов. Однако в действительности они всегда включают в себя очень простые лабораторные установки. В частности, мы должны проводить несложные и понятные эксперименты, а также имеются ограничения, связанных с необходимостью проводить эксперименты на маленьких площадках в лаборатории. Большинство этих экспериментов проводятся в очень простых условиях маленького масштаба. И перед нами все еще стоит вопрос о том, как эти репрезентации местонахождения и расстояния и схемы возбуждения нейронов решетки ведут себя в естественных условиях сложной городской среды в случае человека. Или в крупномасштабных средах многометровых нор и ходов в случае крыс и так далее. Таким образом, несмотря на наше уверенное понимание простейших возможных ситуаций и поведения нейронов, все еще не до конца ясно, как это работает в сложных условиях повседневной жизни и как оно объясняет повседневную навигацию в непростых ситуациях. Однако это очень хороший первый шаг.
Несмотря на то что изначальные эксперименты проводились на грызунах, в настоящее время, используя функциональную нейровизуализацию, мы можем изучать особенности того же самого кодирования у людей. Довольно часто люди ориентируются в виртуальной реальности компьютерной игры, в то время как ученые сканируют их мозг. И мы в действительности можем делать специфические предсказания о том, какие типы паттернов метаболической активности мы увидим с помощью сканера, основываясь на знаниях о том, что должны делать индивидуальные нейроны, в случае если человеческая пространственная память работает аналогично крысиной или мышиной памяти. К нашему удивлению, мы обнаружили много комплементарных примеров того же типа обработки информации. Мы видим доказательства того, что в нашем мозге также присутствуют нейроны места, нейроны направления головы, нейроны решетки и нейроны границы. Фактически эксперименты с людьми, ориентирующимися в виртуальной реальности во время сканирования мозга. А также с пациентами с трудноизлечимой эпилепсией, которым необходимо хирургическое удаление фокуса эпилепсии. Их мозговая электрическая активность в большинстве случаев записывается в течение многих дней, в том числе во время ориентирования в виртуальной реальности.
Это позволяет увидеть записи индивидуальных нейронов, показывающих, где они находятся и в каком направлении они двигались в этой виртуальной реальности. Эти эксперименты были проведены Майком Кахана, Ицхаком Фридом и другими сотрудниками. Невзирая на тот факт, что эксперименты проще контролировать и проводить на грызунах, мышах и крысах, которые бегают вокруг в поисках кусочков еды, мы можем использовать эти важные результаты для того, чтобы рассчитать, что они значат для экспериментов на людях. Те результаты, что мы рассматривали, обычно оказывалась довольно похожими. Конечно же, у людей все намного сложнее, существуют разные виды вербальных обозначений и семантических знаний и так далее. Их мы обычно не изучаем у грызунов, и в действительности изучать это, наверное, было бы невозможно. Все это накладывается друг на друга. Однако эти базовые пространственные образующие компоненты, которые мы наблюдаем у грызунов, дают нам отправной пункт для исследования людей. И до сих пор нам кажется, что это допустимая исходная точка.
Для всех подвижных организмов и в особенности млекопитающих, включая нас с вами, умение определять свое местоположение, а также ориентироваться в пространстве, например находить дорогу домой и отыскивать путь к ресурсам, таким как пища, — это важнейшая когнитивная способность. Относительно недавно мы начали понимать, какие нервные процессы находятся в основе такого типа пространственной ориентации — осознания того, где мы находимся и как попасть в нужное нам место. В настоящий момент мы действительно начинаем разбираться в том, что именно происходит в мозге, что позволяет нам знать, где мы, ориентироваться и запоминать нахождение важных для нас мест в пространстве.
Этот прорыв в понимании начался в конце 1960-х — начале 1970-х годов, когда Джон О’Киф из Университетского колледжа Лондона обнаружил клетки места — нейроны, находящиеся в гиппокампе — одной из частей мозга, проводя работу на животных моделях, таких как крысы и мыши. Эти нейроны возбуждаются всякий раз, когда животное находится в определенной части среды, а другие нейроны возбуждаются, когда оно находится где-то еще. Вместе они образуют большую популяцию нейронов. Если вы посмотрите на то, как изменяется ее активность по мере перемещения животного в среде, вы сможете определить местонахождение животного, то есть какие нейроны места возбуждены и передают маленькие электрические импульсы другим нейронам в мозге — это указывает на то, где находится животное в среде. Эти нейроны сообщают остальной части мозга, где находится животное, все то время, пока оно перемещается.
Вскоре после этого открытия, в 1980-х годах, Джим Ранк и его коллеги в Нью-Йорке обнаружили нейроны направления головы. Они представляют собой что-то вроде нейронного компаса. Нейроны места активны в соответствии с тем, где находится животное в среде, нейроны направления головы активны в зависимости от того, куда обращено животное. Так что само местонахождение неважно, а важно только то, куда повернута голова животного. Отдельно взятый нейрон направления головы возбуждается всякий раз, когда животное ориентировано, например, на север, где бы оно ни находилось. Другой нейрон возбуждается, когда оно смотрит в другом направлении, так что среди популяции нейронов направления головы характер возбуждения клеток сообщает остальному мозгу, куда ориентировано животное, в течение всего времени его перемещения.
А затем, гораздо позже, в 2005 году, профессор Э. Мозер в Норвегии обнаружил третий тип клеток навигации — нейроны решетки. Они в каким-то смысле напоминают клетки места и также возбуждаются по мере того, как животное перемещается в среде. Конкретный нейрон места будет возбуждаться в зависимости от местонахождения животного, в то время как конкретный нейрон решетки возбуждается, когда оно оказывается в одном из ряда мест, которые распределены в окружающей среде животного в виде правильной треугольной решетки. Это очень удивительная вещь — сложность поведения, которое животное демонстрирует, блуждая по окружающей среде. Но отдельно взятый нейрон места возбуждается в тот момент, когда животное попадает в определенные места среды, организованные в треугольные последовательности. В то время как отличный нейрон решетки возбуждается в тех же самых последовательных местонахождениях, но с временным сдвигом от другой клетки. Так что в целом в популяции нейронов решетки активность будет переходить от одной клетки к другой по ходу перемещения животного.
Так же как и нейроны места, эти клетки сообщают мозгу о местонахождении животного, но в своеобразной манере. Вы можете вычислить нахождение животного исходя из характера активности нейронов решетки, которые располагаются в энторинальной коре головного мозга рядом с гиппокампом и проецируются туда, где находятся нейроны места. Из-за того что у этих клеток такой забавный повторяющийся регулярный характер возбуждения в среде и каждая клетка содержит смещенный вариант того же самого характера возбуждения, легко представить, что эти клетки могут обновлять свою активность в популяции в соответствии с движением животного. Таким образом, когда животное двигается в одном направлении, активность переходит от одного нейрона решетки к другому, характер возбуждения которого сдвинут относительно первой клетки. И это справедливо для любого местонахождения в среде, так как клетки обладают этим забавным повторяющимся характером возбуждения. Полагается, что нейроны решетки позволяют связывать знания о перемещении животных или людей с их представлением о том, где они действительно находятся в пространстве. Нейроны места сообщают о том, где вы, а нейроны решетки обновляют эту информацию, учитывая факт, что вы переместились, например, на 10 метров на север, то есть теперь вы знаете, где вы должны были бы находиться с учетом вашего перемещения.
Совсем недавно в Университетском колледже Лондона мы обнаружили клетки, которые обозначают наше местоположение относительно нашего окружения, — нейроны границы. Всякий раз, когда вы сталкиваетесь с большим расширенным компонентом среды, эти клетки, которые также находятся рядом с гиппокампом, указывают на то, что животное или, возможно, человек находится на определенном расстоянии и направлении относительно большого здания или другого большого расширенного компонента среды; эти клетки открыл Колин Ливер, работая вместе со мной и Джоном О’Кифом. А еще раньше Джим Книрем из США нашел клетки, которые сообщают о расстоянии и направлении животного относительно индивидуальных объектов среды. В общем, мы видим, что клетки в составе или вокруг гиппокампа в этой части мозга (у людей она находится в середине медиальных височных долей). Все эти клетки кодируют наше местоположение и направление и способные обновлять их активность с учетом наших передвижений.
Также клетки, обозначающие, где мы находимся относительно компонентов или объектов среды, дают нам возможность понять на уровне нейронов механизмы того, как мы определяем, где мы находимся, как расположены объекты вокруг нас и куда мы направляемся. Не менее важно для понятий навигации и пространственной памяти то, что паттерны возбуждения нейронов, определяющие, где мы и где все остальное вокруг нас, могут храниться в мозге. Если они связаны с важными местами, такими, как наш дом, мы можем хранить записи о характере активности нейронов, связанные конкретно с этим местонахождением. Затем, когда вы оказываетесь в другом месте, можно воспроизвести эту нейронную активность, сравнить ее с текущей активностью, рассчитать расстояние от одной точки до другой и понять, как вернуться назад, если вам это потребуется. Еще один аспект регулярной повторяющейся схемы возбуждения нейронов решетки — это то, что они используют что-то похожее на двоичный код, очень мощный способ кодировки потенциально больших пространств, так что, если вы знаете схему возбуждения нейронов решетки в их популяции для определенного местоположения, а также для вашего текущего расположения, вы можете вычислить вектор между ними, расстояние и направление между двумя точками, даже если в реальности они находятся далеко друг от друга. Возможно, эта система представляет собой мощное средство для определения того, где вы находитесь и как попасть в нужное вам место. Это чрезвычайно важная способность для подвижных организмов.
В будущем мы надеемся начать понимать нейронные механизмы пространственной памяти, чтобы разобраться в том, почему, например, люди с нарушениями этой части мозга, гиппокампа, как при болезни Альцгеймера, начинают сбиваться с пути, блуждать вокруг и теряться в пространстве, что создает большую проблему для их опекунов. Может быть, также станет возможно создать искусственные устройства. Такие как беспилотные машины или роботы, которые смогут находить дорогу, используя сходный с людьми механизм. Необязательно потому, что это лучший из возможных способов ориентироваться для механических устройств. Спутниковая система может быть более точной. Если искусственные навигационные устройства смогут понимать, как люди обычно ориентируются, то это, возможно, сделает их более легкими для взаимодействия, и они смогли бы иметь встроенную информацию о том, какие аспекты навигации люди считают сложными, а какие — простыми. Все эти научные эксперименты и разработки, за которые, например, недавно дали Нобелевскую премию по физиологии или медицине в 2014 году, помогают нам сформировать хорошее детальное представление о том, как ведут себя разные типы нейронов. Однако в действительности они всегда включают в себя очень простые лабораторные установки. В частности, мы должны проводить несложные и понятные эксперименты, а также имеются ограничения, связанных с необходимостью проводить эксперименты на маленьких площадках в лаборатории. Большинство этих экспериментов проводятся в очень простых условиях маленького масштаба. И перед нами все еще стоит вопрос о том, как эти репрезентации местонахождения и расстояния и схемы возбуждения нейронов решетки ведут себя в естественных условиях сложной городской среды в случае человека. Или в крупномасштабных средах многометровых нор и ходов в случае крыс и так далее. Таким образом, несмотря на наше уверенное понимание простейших возможных ситуаций и поведения нейронов, все еще не до конца ясно, как это работает в сложных условиях повседневной жизни и как оно объясняет повседневную навигацию в непростых ситуациях. Однако это очень хороший первый шаг.
Несмотря на то что изначальные эксперименты проводились на грызунах, в настоящее время, используя функциональную нейровизуализацию, мы можем изучать особенности того же самого кодирования у людей. Довольно часто люди ориентируются в виртуальной реальности компьютерной игры, в то время как ученые сканируют их мозг. И мы в действительности можем делать специфические предсказания о том, какие типы паттернов метаболической активности мы увидим с помощью сканера, основываясь на знаниях о том, что должны делать индивидуальные нейроны, в случае если человеческая пространственная память работает аналогично крысиной или мышиной памяти. К нашему удивлению, мы обнаружили много комплементарных примеров того же типа обработки информации. Мы видим доказательства того, что в нашем мозге также присутствуют нейроны места, нейроны направления головы, нейроны решетки и нейроны границы. Фактически эксперименты с людьми, ориентирующимися в виртуальной реальности во время сканирования мозга. А также с пациентами с трудноизлечимой эпилепсией, которым необходимо хирургическое удаление фокуса эпилепсии. Их мозговая электрическая активность в большинстве случаев записывается в течение многих дней, в том числе во время ориентирования в виртуальной реальности.
Это позволяет увидеть записи индивидуальных нейронов, показывающих, где они находятся и в каком направлении они двигались в этой виртуальной реальности. Эти эксперименты были проведены Майком Кахана, Ицхаком Фридом и другими сотрудниками. Невзирая на тот факт, что эксперименты проще контролировать и проводить на грызунах, мышах и крысах, которые бегают вокруг в поисках кусочков еды, мы можем использовать эти важные результаты для того, чтобы рассчитать, что они значат для экспериментов на людях. Те результаты, что мы рассматривали, обычно оказывалась довольно похожими. Конечно же, у людей все намного сложнее, существуют разные виды вербальных обозначений и семантических знаний и так далее. Их мы обычно не изучаем у грызунов, и в действительности изучать это, наверное, было бы невозможно. Все это накладывается друг на друга. Однако эти базовые пространственные образующие компоненты, которые мы наблюдаем у грызунов, дают нам отправной пункт для исследования людей. И до сих пор нам кажется, что это допустимая исходная точка.
Нил Берджесс
Professor of Cognitive and Computational Neuroscience, University College London
