Внутренний GPS: за что дали Нобелевскую премию по физиологии и медицине

Лауреаты этого года, Джон о’Киф и супруги Мэй-Брит и Эдвард Мозер, описали систему, которая позволяет животным (в первую очередь, крысам, на которых были выполнены их эксперименты) ориентироваться в пространстве, полагаясь не на органы чувств, а на внутреннее представление о пространстве, когнитивную карту.

Термин «когнитивная карта» предложил в первой половине XX века американский психолог Эдвард Толман, пытаясь ответить на вопрос, мучающий биологов и философов многие столетия: как устроена система, позволяющая мозгу ориентироваться в пространстве. Он предположил, что местность, в которой перемещается животное, так или иначе проецируется на нервные клетки. Но вот как именно это может происходить в его время было неизвестно. Чтобы ответить на этот вопрос, понадобились исследования лауреатов 2014 года.

Первый из них, Джон о’Киф в конце 1960-х начал изучать поведение крыс, пользуясь ультрасовременным по тем временам методом: он вживлял в мозг грызуна электроды и записывал электрическую активность отдельных нейронов, или, по меньшей мере, небольших групп нейронов, прилегающих к электроду. В 1971 году он опубликовал статью с удивительным открытием. В мозгу у крысы, в отделе под названием гиппокамп, есть «нейроны места», срабатывающие в тот момент, когда она пробегает через определенное место в лабиринте. Позже он показал, что нейроны эти срабатывают каждый раз, когда зверь возвращается на то же место. Когда крыса бежит по известному ей маршруту, нейроны загораются как лампочки в гирлянде, один за другим. «Регистрируя работу какого-то числа нервных клеток, вы можете, не глядя на самое животное, сказать, где оно находится и куда удалилось. Мозг отражает нахождение в пространстве очень точным образом», — говорит член-корреспондент Академии Наук нейробиолог Константин Анохин.

Это открытие сильно продвинуло нейробиологов, но его все равно было недостаточно, чтобы объяснить, как животные могут ориентироваться в пространстве. Хотя бы потому, что нейронов места меньше, чем собственно мест – одна нервная клетка срабатывает в нескольких разных географических точках.

Открытие супругов Мозер, сделанное через 35 лет, в 2005-м, дополнило картину, которая начала складываться в 1970-е. В своей лаборатории в норвежском Тронхейме они ставили эксперименты, методически похожие на оригинальные работы о’Кифа — вживляли электроды в мозг свободно передвигающихся крыс. Только исследовали они другую область мозга — экторинальную кору, связанную с гиппокампом. Там они обнаружили второй важный компонент «внутренней карты» пространства, grid-нейроны.

Grid-нейроны (синие), расположенные в экторинальной коре крысы. Каждый нейрон срабатывает, когда животное находится в определенных точках пространства, образующих гексагональную решетку.

(Фото: nobelprize.org)

Нервные клетки, обнаруженные Мозерами, тоже реагировали на географическое положение зверя. Но срабатывали они не в одной случайной точке, а в множестве разных, организованных в гексагональную структуру (сродни той, которую образуют сотовые вышки мобильной связи). Когда крыса шла в одном направлении, клетка срабатывала через равные промежутки в узлах координатной сетки. Вместе с открытыми ранее нейронами места гексагональная координатная сетка, моделирующая в мозгу евклидову поверхность, позволяет теоретически ориентироваться в пространстве совсем без внешних стимулов. Последовательные сигналы одного grid-нейрона маркируют расстояние, а последовательность срабатывания нескольких таких клеток — направление движения.

В последние десять лет нейробиологи провели множество исследований grid-нейронов — в них принимал деятельное участие и Джон о’Киф. Во-первых, они выяснилось, что координатные сетки в разных слоях экторинальной коры имеют разный масштаб — нейроны срабатывают через разное расстояние. Во-вторых, они одинаково работали на свету и в темноте; таким образом, можно было предположить, что «внутренний GPS» работает сам по себе, без помощи зрительных стимулов. В-третьих, помимо крыс, такие нейроны были обнаружены у летучих мышей, приматов и (в прошлом году) у человека. На летучих мышах, говорит Анохин, ученые смогли показать, что координатная сетка, описанная Мэй-Брит и Эдвардом Мозерами, трехмерная, а не двухмерная.

«Другая удивительная сторона открытия Мозеров, — добавляет он, — в том, что эти нейроны очень сильно связаны с памятью: животное сначала запоминает места, в которых бывало, чтобы появились «клетки места». Память всегда привязана к пространству: когда вы вспоминаете события из своей жизни, вы всегда должны ответить на три вопроса: «Что? Когда? Где?». Связка всех трех вопросов происходит в структурах, изученных Мозерами, поэтому их исследование так важно для лечения болезни Альцгеймера и нейордегенеративных заболеваний».