Израильские ученые обнаружили в гиппокампе египетских летучих собак (Rousettus aegyptiacus) нейроны, которые отвечают за направление движения к цели и расстояние до нее, обеспечивая векторное представление конечной точки перемещений в пространстве. Результаты работы опубликованы в журнале Science.
Как показали предыдущие исследования, за восприятие положения в пространстве и движения отвечают определенные группы нервных клеток: нейроны решетки, места, скорости, направления головы и границы. Эксперименты на крысах показали, что нейроны места, формирующие когнитивную карту местности, находятся в гиппокампе, а остальные типы перечисленных нейронов — в тесно связанных с ним структурах, таких как энторинальная кора и другие части гиппокамповой формации.
Несмотря на эти достижения, вопрос о том, как в мозге кодируется цель перемещения в пространстве, оставался открытым. На этот счет существовало две гипотезы. Согласно первой из них пространственная цель задается последовательностью нейронов места, соответствующей пути от текущего положения к конечной точке. Вторая гипотеза гласит, что цель имеет векторное представление, то есть кодируется направлением и расстоянием.
Чтобы изучить механизмы представления цели, сотрудники Института Вейцмана обучили трех египетских летучих собак летать по сложным траекториям в просторном помещении, возвращаясь к единственному месту (пространственной цели), где можно поесть и отдохнуть. Полеты снимали на камеры, регистрируя угол между направлением движения и целью в каждый момент времени. В ходе этого процесса ученые с помощью беспроводного электрофизиологического устройства регистрировали в общей сумме активность 309 отдельных нейронов отдела CA1 гиппокампа летучих собак (этот отдел тесно связан с энторинальной корой, в нем расположены нейроны места).
Выяснилось, что 58, или 19 процентов этих нейронов можно отнести к «клеткам направления на цель», существенная часть которых проявляет максимальную активность при движении в сторону пространственной цели. Из них 26 клеток обеспечивали угловую настройку направления, а остальные 32 — как настройку направления, так и представление о текущем местонахождении. Анализ записей показал, что все 58 упомянутых нейронов стабильно настроены на направление к цели в течение всего продолжительного полета по сложной траектории и в ходе всех экспериментальных сессий.
Активность других 49, или 16 процентов нейронов менялась в зависимости от расстояния до цели, резко возрастая при приближении к ней, что позволило отнести эти клетки к «нейронам расстояния до цели». При этом настройка направления четко коррелировала с настройкой расстояния. Таким образом, верной оказалась гипотеза о векторном представлении движения к цели.
Чтобы выяснить роль памяти в движении к цели, в начале каждого дня работы ученые загораживали цель экраном, непрозрачным для зрения, эхолокации и обоняния. При этом они записывали траектории полетов двух летучих собак и активность их нейронов (в общей сумме 158 клеток). Настройка на невидимую цель оценивалась только в те периоды, когда животные действительно ее не видели.
Оказалось, что существенная доля нейронов (43 из 158, или 27 процентов), сохраняли настройку направления, когда цель не была видна, причем настройка на саму цель была значительно резче, чем настройка на края экрана, которые приходилось облетать по пути. Такая настройка не зависела от текущего направления движения животных. Перемещение цели в ходе экспериментов вызывало перенастройку большинства клеток на новое направление, что свидетельствует об их специфичности в отношении направления на цель. Как пишут авторы, эти наблюдения свидетельствуют о том, что настройка направления основана на памяти, а не на сенсорном восприятии.
Это соответствует результатам предыдущих работ, которые указывали на то, что те «нейроны ориентирования», для функционирования которых нужны долгосрочные воспоминания, находятся в самом гиппокампе (этот отдел мозга помимо прочего отвечает за консолидацию памяти), а остальные — в соседних структурах гиппокамповой формации. Так, недавно американскому научному коллективу удалось продемонстрировать, что гиппокамп не принимает участия в непосредственной пространственной ориентации, не требующей долгосрочных воспоминаний (например, при ходьбе по проложенному на карте маршруту).
Олег Лищук