Крысы прошлись по виртуальному пространству силой мысли

Исследователи из США выяснили, что крысы способны произвольно активировать нейроны места в гиппокампе, чтобы перемещаться по виртуальному пространству или двигать по нему предметы. Для этого ученые разработали нейроинтерфейс, с помощью которого декодировали нейронную активность крыс, которая возникает, пока они ходят по виртуальной арене. Затем они убедились, что крысы способны ходить по арене, даже когда беговая дорожка отключена от системы виртуальной реальности, а сами они не двигаются — то есть исключительно за счет активации соответствующих нейронов гиппокампа. Работа опубликована в Science.

Люди могут моделировать в уме сценарии: вспоминать что-то, фантазировать, представлять себя в месте, где они уже были, и так далее. Все это помогает нам оценивать прошлый опыт, планировать будущее и принимать решения. Важную роль в памяти и воображении играет гиппокамп, в котором, в том числе, расположены нейроны места, формирующие когнитивную карту окружающей среды. Так, например, всякий раз, когда мы проходим по конкретной улице, в гиппокампе последовательно активируются нейроны, ассоциированные с этой местностью. Предполагается, что те же нейроны активируются, когда мы просто воображаем прогулку по этой улице, однако это не проверялось.

Ученые уже замечали, что у крыс нейроны места активируются в тех случаях, когда животное видит пищу в одном из рукавов Т-образного лабиринта, попасть в который не может, а затем многократно во время сна. Можно предположить, что животные способны представлять удаленные места или предметы, и таким образом произвольно активировать связанные с ними нейроны гиппокампа.

Чтобы проверить, могут ли животные действительно контролировать активность гиппокампа, Чунси Лай (Chongxi Lai) из Медицинского института Говарда Хьюза и его коллеги поместили крыс в виртуальную реальность. Сначала зафиксированные животные могли перемещаться по виртуальному пространству, перебирая лапами по беговой дорожке в виде шарика. Крысы в двумерном виртуальном пространстве должны были достигать визуальных целей — за это они получали пищевое вознаграждение. В это время исследователи записывали активность их гиппокампа. Спустя множество таких испытаний активность гиппокампа декодировалась: компьютер сопоставлял ее с положением крысы на виртуальной арене каждые 100 миллисекунд. Далее беговую дорожку отключали от системы виртуальной реальности, и теперь животные могли перемещаться в ней, лишь контролируя активность своего гиппокампа с помощью нейроинтерфейса.

Грызунам нужно было так же, как в первом задании, достичь визуальной цели за вознаграждение. Они могли перебирать лапами по шарику, однако теперь их перемещение по виртуальному пространству зависело только от декодированной активности гиппокампа. Три крысы из четырех справились, хотя на это ушло больше времени. В этих испытаниях также могли бегать по шарику, хотя это уже было необязательно: их реальные движения никак не влияли на перемещение по виртуальной арене. И чем больше испытаний они проходили, тем реже перебирали лапами: в 10 из 161 испытаний животные и вовсе были неподвижны, но при этом все равно достигали цели.

Исследователи проверили, может ли активность гиппокампа помогать крысам двигаться в верном направлении случайным образом: они перемешали декодированные местоположения и получили новые — случайные — траектории. Аналогичным образом они поменяли расположение визуальных подсказок, а первоначальные декодированные траектории в этом случае, наоборот, сохранили. В результате на то, чтобы животное достигло цели, стало уходить намного больше времени. То есть активность гиппокампа крыс не была случайной, и именно благодаря ей животные выстраивали верные маршруты в виртуальном пространстве даже без подключенной беговой дорожки.

Дальше крысам дали другое задание: им больше не нужно было идти к визуальной подсказке самим, теперь они должны были передвинуть виртуальный предмет в нужное место — как если бы мы представили, что берем кружку со стола и относим ее в раковину. Трем крысам это удалось, и в этих испытаниях они еще чаще оставались неподвижными. Контролируя активность гиппокампа, грызуны могли удерживать виртуальный объект в заданной точке в течение нескольких секунд. Так ученые пришли к выводу, что крысы способны представлять как свое перемещение по виртуальному пространству, так и перемещение в нем предметов, и вызывать тем самым такую же активность в гиппокампе, которая бы сопровождала реальное передвижение.

Когда люди вспоминают предметы или видеоролики, в гиппокампе активируются те же нейроны, что и во время просмотра этих роликов или при взгляде на предметы. Вероятно, обнаруженная способность животных избирательно активировать нейроны гиппокампа, связанные с пространственными представлениями, лежит в основе нашей способности активно вспоминать или представлять себе места, в которых мы не находимся прямо сейчас, или, как говорят авторы, «совершать мысленные путешествия во времени». Однако пока нерешенным остается вопрос о том, представляют ли крысы, что перемещаются в виртуальном пространстве сами, или думают лишь о местоположении визуальной подсказки. Так или иначе, подход, использованный учеными, может позволить и дальше изучать ментальную навигацию у животных.

Ранее ученые обнаружили, что нейроны места активируются и тогда, когда животным нужно определить местоположение сородичей, находящихся поблизости.