Нейроны-навигаторы распределены по ролям

В мозге есть клетки, называющиеся нейронами места. Они сгруппированы в гиппокампе и отвечают за ориентацию в пространстве, за память о старых, знакомых местах, за исследование новых. Понятно, что такие нейроны должны интенсивно общаться с другими клетками, чтобы собирать информацию для построения карты и, наоборот, давать справки другим нейронам об ориентации и о том, как лучше обследовать новое окружение. Также понятно, что такие нейроны должны иметь какую-то специализацию. Ведь всякая территория имеет границы, имеет свои характерные особенности, и, следовательно, можно выделить клетки, которые отвечают за пограничные области, особые приметы и т. п.

Однако взаимоотношения нейронов места в мозгу долгое время оставалось загадкой. Прежде нужно было восстановить все соединения между клетками, картировать все синапсы, все цепи, а обычными методами этого не сделаешь — плотность нейронов в мозге чудовищно велика, и нет никакой возможности разобраться «на глаз», кто с кем соединён и за что это соединение отвечает.

Поэтому исследователи из Норвежского научно-технологического университета под руководством Эдварда Мозера пошли по другому пути. Они использовали оптогенетические технологии, когда клетка снабжается белком, который становится активен в ответ на свет. Доставка таких белков обычно осуществляется модифицированными вирусами, а источником света служит вживлённое в ткань оптоволокно. Когда в мозг подавали свет, белок активировался и включал определённый нейрон. Активность нейрона регистрировалась с помощью вживлённого электрода (нет нужды говорить, что все опыты ставились на крысах).

Крысу с оптоволокном и с электродами сажали в ящик, который она должны была исследовать на предмет угощения. Пространственную активность нейронов регистрировали с помощью микроэлектродов, кроме того, на эту активность можно было влиять, включая и выключая свет. Оптобелки были вставлены во множество клеток, о которых не было известно, помогают ли они строить пространственную карту или нет, учёные лишь подозревали, что они как-то связаны с соответствующими нейронами гиппокампа. Понятно, что таких измерений должно быть очень много, но цифра всё равно поражает: более 10 тысяч оптических включений-выключений.

Собственно, так и удалось выяснить, как нейронная GPS-система получает информацию для создания карты. То, о чём мы говорили выше (информирующие нейроны должны иметь специализацию), стало окончательно ясно как раз после этой работы. Здесь следует чётко разграничивать, что есть нейроны — хранители карты, которые имеют дело с уже сформировавшейся базой данных и формулируют требования для получения новой информации, — они как раз сидят в гиппокампе. А есть другие, работающие «в поле», то есть сканирующие пространство. Информация в нейроны места идёт от клеток, отвечающих за направление головы животного, за чувство границы территории, от grid-нейронов (или нейронов координатной стеки), наконец, ещё от целого ряда клеток, чья функция пока неизвестна. При этом, что любопытно, нейроны места собирают информацию ещё и от таких клеток, которые сами никаких данных от органов чувств не получают. То есть это клетки, участвующие в контроле за движениями животного, но при этом ни со зрительными, ни со слуховыми, ни с какими-либо ещё сенсорными анализаторами они не связаны.

Результаты экспериментов учёные опубликовали в журнале Science. В целом, как признают сами авторы, эти данные породили множество новых вопросов, однако теперь хотя бы более-менее ясно, какие иерархические связи формируют систему пространственной навигации в мозге и в каком направлении нужно двигаться. Также стоит ещё раз подчеркнуть роль оптогенетических методов: без умения произвольно регулировать активность нейронов выяснение их функциональных связей затянулось бы на очень долгое время.

Подготовлено по материалам Норвежского научно-технологического университета.