«Мозг-навигатор: Как мы ориентируемся в пространстве и почему сбиваемся с пути»

В мозге человека существуют группы нейронов, связанных с ориентацией в пространстве — они обновляют когнитивную карту, которая накапливает и хранит информацию о знакомых и незнакомых местах. Однако в процессе навигации неизбежно возникают сбои. В книге «Мозг-навигатор: Как мы ориентируемся в пространстве и почему сбиваемся с пути» («Альпина нон-фикшн»), переведенной на русский язык Марией Багоцкой и Павлом Купцовым, молекулярный биолог Кристофер Кемп рассказывает о нейронных механизмах, лежащих в основе нашей способности выстраивать маршруты и находить дорогу, а также о том, почему они часто нас подводят. Предлагаем вам ознакомиться с фрагментом, посвященным нейронам направления головы.

Глава 4. Восприятие дверей

15 января 1984 году Джеймс Рэнк-младший занимался тем, что вводил регистрирующий электрод в мозг крысы в своей лаборатории в Центре медицинских наук при Университете штата Нью-Йорк в Бруклине. Это произошло после полудня в воскресенье. Рэнк использовал тот же метод, что и О’Киф в Лондоне более десяти лет назад. Он тогда даже посетил захламленную лабораторию О’Кифа и Нэйдела, окна которой выходили на оживленную Гауэр-стрит. Как и они, Рэнк записывал отчетливые сигналы отдельных нейронов, чтобы разобраться в механизмах сложных нейронных систем. Таким образом, нейрон за нейроном, он пытался расшифровать работу мозга. 

«Джим Рэнк решил для начала посмотреть, что происходит с сигналами, когда они выходят из гиппокампа», — рассказывает Джеффри Тауб, нейробиолог из Дартмутского колледжа (оценивает себя на 9 баллов из 10). В гиппокампе выделяют несколько отдельных субрегионов, похожих на слои в булочке с корицей. По словам Тауба, в одном из них, который нейроанатомы назвали «поле CA1», имеется слой плотно упакованных тел пирамидных клеток, длинные аксоны которых выходят за пределы гиппокампа и устремляются к соседним участкам мозга. «Поле СА1 в некотором смысле является областью выхода из гиппокампа». Иными словами, так гиппокамп взаимодействует со множеством других областей мозга. И в первую очередь он связан со структурой, которая называется «субикулюм», что в переводе с латыни означает «подставка» или «опора». 

Субикулюм образует основание гиппокампа как первый этаж структуры, часть которой S-образно изгибается над ним. «Идея Рэнка была такова: посмотреть, что происходит ниже по течению, в субикулюме», — говорит Тауб. 

Сама идея была хорошая. Но Рэнк промахнулся. 

В учебниках по нейроанатомии мозг четко разделен на функциональные области. Представьте себе схему разделки туши коровы, висящую в мясном магазине, на которой разные участки туши четко разделены пунктиром. Грудинка. Пашина. Оковалок. Анатомы потратили столетия, кропотливо пытаясь установить строение и функции разных областей мозга, найти границы между ними, определяющие, где заканчивается одна структура и начинается другая. 

В 1909 году немецкий нейробиолог Корбиниан Бродман опубликовал ставшую революционной работу, содержащую схему картирования мозга, которой мы пользуемся до сих пор. Он методично разделил кору больших полушарий — складчатую структуру с бороздами и извилинами — на 52 отдельных региона, основываясь на их клеточной структуре. Его теория заключалась в том, что каждая из этих областей (сейчас мы называем их «поля Бродмана») обособлена и у каждой есть своя собственная функция. Впоследствии оказалось, что в некоторых случаях он ошибался, но часто Бродман оказывался прав. И работы в этом направлении продолжаются до сих пор. 

В ноябре 2018 года австралийский нейробиолог греческого происхождения Джордж Паксинос, специалист по нейрокартированию, объявил об открытии новой, ранее неизвестной области мозга. Она представлена маленьким обособленным островком клеток в середине пучка волокон, образующих нижнюю ножку мозжечка, недалеко от места, где спинной мозг переходит в головной. Паксинос назвал новую структуру «эндорестиформное ядро». Предположительно, оно есть только у людей и отсутствует как у наших близких родственников — приматов, так и у более далеких от нас видов млекопитающих. Его функции до сих пор не ясны. Но теперь у него есть свое название. Открыть его, как сказал тогда Паксинос, было все равно что обнаружить новую звезду.

Итак, в тот воскресный день в 1984 году Рэнк нацелился регистрирующим электродом на ту далекую звезду — на субикулюм. Но вместо этого попал в его соседа. Находясь совсем рядом с целью, электрод перехватил сигналы нейронов постсубикулюма. И хотя эти две структуры находятся в миллиметре друг от друга, по словам Тауба, они четко разделены. Граница между ними узкая, но различия глубоки. Представьте, что вы сели на рейс в Южную Корею, а самолет внезапно приземлился в Северной. Ничуть не обескураженный своим промахом, Рэнк продолжил исследование. 

«Именно тогда он открыл клетки, которые работали подобно компасу», — говорит Тауб. 

Спустя годы Рэнк вспоминал тот момент, когда он обнаружил первую клетку направления головы. Каждый раз, когда крыса поворачивалась на восток, клетка возбуждалась. У Рэнка, так же как и у О’Кифа в Лондоне, сигнал от электрода передавался через усилитель на динамик. Когда клетка генерировала импульс, Рэнк слышал отрывистый хлопок — поп, — похожий на статическую помеху. «Вечером я отправился на вечеринку и был на седьмом небе от счастья, — писал Рэнк. — О любопытной записи активности нейрона, которую я сделал в тот день, я рассказал по крайней мере одной подруге на вечеринке. У нее не было ни малейшего представления, о чем я говорю, но это был первый человек, которому я сообщил о своем открытии». 

«Был на седьмом небе». Если крыса смотрела на восток, раздавался звук: поп, поп, поп, поп. Как только крыса поворачивалась в другую сторону, наступала тишина. Рэнк понял, что открыл нечто значимое. Он принес в лабораторию магниты, чтобы убедиться, что эти нейроны не связаны каким-то образом с магнитным полем Земли. Они связаны не были. «Я подключил к крысе шестиметровый кабель и носил ее по комнате, затем отнес в другую комнату, и все это время направление сохранялось, — писал Рэнк. — Клетки активировались строго в зависимости от абсолютного направления, а не от местоположения крысы». 

Неожиданное понимание того, что мы все ориентируемся с помощью внутреннего компаса, казалось столь же поразительным, как и открытие клеток места О’Кифом и Нэйделом несколькими годами ранее. Позже выяснилось, что у людей, как и у крыс, тоже есть клетки направления головы. Если открытие Паксиносом эндорестиформного ядра можно приравнять к обнаружению новой звезды, то открытие Рэнком клеток направления головы сравнимо с обнаружением экзопланеты, похожей на Землю. Словно нашли еще одну планету, застроенную городами и пересеченную автомагистралями. 

***

Джеффри Тауб, вероятно, знает о клетках направления головы больше, чем кто-либо другой. Он потратил более тридцати лет, чтобы понять их — разобраться в их функциях и значении. На фотографии Рэнка и Тауба, сделанной в 1987 году, Рэнк выглядит как классический нейробиолог из фильма: он худощав, немного зануден, близоруко щурится, глядя на вас через большие очки в черной оправе. Его галстук в стиле 1970-х годов — в шотландскую клетку коричневого, оранжевого и кремового цветов — похож на широкую стрелу, указывающую на землю. Из нагрудного кармана торчат ручки. Тауб, напротив, выглядит модно — в джинсах, с бородкой, он похож то ли на дублера одного из братьев из Bee Gees, то ли на их малоизвестного кузена. В левой руке он держит крысу, а в правой зажата длинная петля кабеля, который присоединен к электродам на голове животного. Он регистрирует стаккато импульсов клеток направления головы. 

В каждый конкретный момент большинство этих клеток неактивны. Однако небольшая их популяция генерирует импульсы с частотой до 200 импульсов в секунду, указывая направление движения, подобно стрелке компаса. У каждой клетки направления головы было свое, как назвал это Тауб, предпочитаемое направление. Этих клетки отличались самым высоким соотношением «сигнал/шум» среди почти всех известных нейронов мозга. Иначе говоря, они либо включены, указывая свое предпочитаемое направление, либо выключены и молчат. Например, если я стою у входной двери своего дома и поворачиваюсь лицом к улице, я буду смотреть на север. Группа клеток направления головы, настроенных на север, начинает разряжаться и посылать сигналы, сначала медленно, по мере того как я поворачиваюсь на север, затем все быстрее и быстрее и достигает своей максимальной частоты, когда я смотрю точно на север. Если я продолжу поворачиваться, то клетки направления на север понемногу будут затихать, а другие клетки с другим предпочитаемым направлением начнут активироваться, подобно стрелке компаса. 

«Мы называем это всплеском активности», — рассказывает Тауб. Если я буду крутиться на месте, то все мои клетки направления головы будут активироваться в тот или иной момент во время поворота. Они распределены по десятку разных областей мозга: в постсубикулюме, переднем таламусе, маммилярных ядрах, ретросплениальной коре и участках, расположенных глубоко в стволе мозга — его древней части, которая регулирует основные жизненно важные функции, такие как дыхание и сердцебиение. В совокупности они образуют сеть по всему мозгу. Тем не менее ученые не могут разобраться даже в некоторых основных деталях, касающихся клеток направления головы, например определить, сколько их всего в мозге. «Это невозможно выяснить, — объясняет Тауб, — потому что они разбросаны по всему мозгу. Вероятно, их так же много, как и клеток места, если не больше». 

Тауб говорит, что можно выключить свет и оставить крысу в полной темноте. Это не имеет значения. Клетки направления головы продолжат генерировать импульсы, по крайней мере некоторое время. Даже если удалить некоторые структуры мозга, содержащие эти клетки, например так, как удалили гиппокамп, вызвав серьезную амнезию у пациента Г. М., вся система клеток направления головы не прекратит свою работу, что является одним из преимуществ сети, разбросанной по разным отделам мозга. 

Подробнее читайте:
Кемп К. Мозг-навигатор: Как мы ориентируемся в пространстве и почему сбиваемся с пути / Кристофер Кемп ; Пер. с англ. [Марии Багоцкой и Павла Купцова] — М. : Альпина нон-фикшн, 2026. — 320 с.