Наш мозок становить свої карти місцевості. Але де він їх зберігає? Коли оновлює? І як нам вдається балансувати між чіткими інструкціями «пройти прямо двадцять кроків і повернути ліворуч» і розмитими відчуттями кшталт «пам’ятається, я тут вже був і також роздивлявся це безглузде графіті на стіні»? Quanta Magazine розповідає про відкриття в мозку системи навігації, за яке в 2014 році дослідники отримали Нобелівську премію з фізіології і медицині.

Google Maps, потужний онлайн-інструмент для створення карт, своїм успіхом зобов’язаний двом головним складовим: системі GPS, яка визначає місце об’єкта на Землі, і «особистої» карті, яка містить вичерпну інформацію про вашому будинку або улюбленому ресторані, куди ви любите заглядати після роботи за пончиками. З’ясувалося, що наша внутрішня система навігації в чому працює схожим чином. До таких висновків прийшли троє вчених, які отримали цього року Нобелівську премію з психології та медицині.

Приз «За відкриття системи клітин у мозку, яка дозволяє орієнтуватися в просторі» розділили між собою Джон Про. Киф​​, нейрофізіолог з Університетського коледжу Лондона, і подружжя-нейрофізіологи Мей-Брітт і Едвард Мозер з Норвезького університету природничих і технічних наук. Ще в 1971 році Джон Про «Киф ​​виявив спеціальні нейрони,« нейрони місця »(place cells), які допомагають тваринам визначати точне положення в просторі. Набагато пізніше Мозер, учні та послідовники про «Кифа, відкрили координатні нейрони» (grid cells), необхідні для того, щоб вибудовувати правильну траєкторію. Перші дослідження проводились на щурах, але незабаром обидва ці типи клітин були виявлені і в мозку ссавців, у тому числі і людини.

Така система орієнтування може використовувати і деякі абстрактні властивості або відчуття. Так, координатні нейрони не просто реагують на сенсорні сигнали (такі, як запах землі, наприклад). Вони вибудовують певну внутрішню систему координат, яку разом з інформацією від різних сенсорів використовують вже нейрони місця для формування нашого відчуття простору.

Подальше вивчення того, як мозок створює когнітивні карти, може привести до нових відкриттів в області нейрофізіології. «Є якась глибока зв’язок між пам’яттю і простором» – говорить Метью Вілсон, нейрофізіолог з Массачусетського технологічного інституту. Крім того, що координатні нейрони і нейрони місця виконують функцію внутрішньої GPS, вони, можливо, ще відповідальні за збереження наших спогадів.

Почуття простору

Нейрони місця були знайдені в гіпокампі – довгий час вважалося, що саме в цій області зберігається пам’ять. Якщо його видалити, як у випадку зі знаменитим пацієнтом Г. М., мозок втрачає здатність створювати нові спогади.

Але відкриття про “Кифа показало, що крім цього гіпокамп відповідальний і за навігацію”.

Про “Киф ​​реєстрував електричні імпульси в гіпокампі щурів, вільно переміщалися в новому просторі. Він побачив, що ті чи інші нейрони активізувалися в залежності від місця, де знаходилося тварина. Змінюючи звичне середовище, Про «Киф ​​показав, що пацюки не просто реагують на сенсорні сигнали, – справа тут в складнішому почутті простору.

У книзі «Гіпокамп як когнітивна карта», опублікованій в 1978-му, Джон О “Киф ​​і його співавтор Лінн Нейдел розповідали про те, що ця просторова система, крім виконання основної функції, ще впорядковує особисті спогади залежно від того, де відбувалися події”. Скажімо, коли ви сидите за кухонним столом у будинку, де провели дитинство, вам напевно згадується улюблений яблучний пиріг з останнього проведеного тут дня народження.

Три десятиліття потому Мозер відкрили систему клітин, які, як вважали вчені, забезпечують просторовою інформацією нейрони місця. Вони ставили датчики на деякі нейрони в енторінальной області кори мозку щурів, яка пов’язана з гиппокампом, а потім залишали тварин бігати в клітці. Складаючи карту тих ділянок, де у щурів активізувалися певні нейрони, вчені виявили, що підлога клітки розбивався на кілька рівносторонніх трикутників. Карта вийшла настільки точною, що вчені спершу запідозрили збій обладнання.

Одна з найцікавіших деталей цього відкриття в тому, що координатні нейрони працюють, навіть якщо тварина знаходиться в повній темряві, тобто без будь-яких візуальних підказок. «Цей факт відображає внутрішню динаміку мозку, яка, в якомусь сенсі, не залежить від даних зовнішнього світу. Ось чому це настільки феноменальне відкриття – воно дає нам можливість зрозуміти що відбуваються всередині процеси» – говорить Джим Кирим, нейрофізіолог з Університету Джона Хопкінса в Балтіморі.

Розшифровуючи мозок

Вчені до цих пір не знають, як саме мозок створює просторові карти або як вони використовуються при навігації. Але робота про Кифа та Мозера пояснює не просто навігаційну систему мозку – тепер нейрофізіологи можуть використовувати дані координатних клітин і нейронів місця, щоб відповісти на безліч питань.

Наприклад, вчені хочуть дізнатися більше про те, як мозок перетворює інформацію про світ в електричні сигнали і як нова інформація об’єднується зі старою. «Якщо ми хочемо зрозуміти роботу мозку, ми повинні знати, як дані із зони А перетворюються в дані для зони Б», – говорить Джим Кирим. Процес, в ході якого координатні нейрони доставляють інформацію до нейронів місця в гіпокампі, дає можливість вченим досліджувати це питання.

Вчені також використовували властивості нейронів місця, щоб дізнатися більше про пам’ять. Як тільки пацюк пробігає через лабіринт, активізується послідовність певних нейронів місця. Коли щур засинає, ця послідовність знову «програється» в її мозку – вчені вважають, що це допомагає перевести інформацію з гіпокампа в область довгостроковій пам’яті.

Свіжіші дослідження сну показують, що в мозку щура програватиметься ця ж послідовність, коли вона знову опиниться в лабіринті і повинна буде вибирати правильний шлях. «Ми знаємо, що пацюки можуть здійснювати подорожі в часі в своїй голові, і ми змогли це з’ясувати тільки завдяки нейронам місця», – говорить Девід Редіш, нейрофізіолог з Університету Міннесоти в Міннеаполісі про те, що пацюки можуть переживати події минулого.

Багато дослідників вважають, що пам’ять і простір ще більш тісно пов’язані між собою. У Древній Греції оратори, щоб запам’ятати мова, мислення пов’язували кожен уривок промови з якимось ділянкою дороги, що веде через місто. В основі такої мнемотехніки лежить той факт, що гіпокамп кодує як просторову інформацію, так і автобіографічні спогади. «Виходить, що простір – це хороший спосіб організації особистого досвіду», – резюмує Метью Вілсон.