Внутренний GPS, или Как мы ориентируемся в пространстве и времени

«Внутренний GPS» головного мозга

Способность ориентироваться в пространстве, находить дорогу даже на самых запутанных маршрутах — одна из жизненно важных функций и загадок мозга человека и всех животных. Открытие существования в мозге врождённой системы глобального позиционирования — «внутреннего GPS» — было удостоено в 2014 году Нобелевской премии в области физиологии и медицины.

Изучение ориентационной системы мозга имеет фундаментальное значение. Но, прежде всего, оно является важным с точки зрения медицины: известно, что такие заболевания нервной системы, как болезнь Альцгеймера, сопровождаются нарушением пространственной памяти и пространственного ориентирования. Изучение этих процессов может открыть новые пути для восстановления утраченных функций мозга.

Впервые идея о врождённых качествах и способностях головного мозга была высказана немецким мыслителем, философом И. Кантом. В частности, к таким способностям мозга могла относиться и возможность ориентироваться в пространстве и времени. Однако эта идея мыслителя долгое время не поддерживалась учёными, которые полагали, что навигация осуществляется последовательностью восприятия сенсорных стимулов и ответной двигательной реакцией.

Один из немногих учёных, кто поддерживал идею Канта, был Э. Толмэн, который изучал процесс обучения крыс навигации. В 50-х годах ХХ в. он предположил, что после изучения окружающего пространства в головном мозге крысы формируется когнитивная карта, которая в дальнейшем помогает животному выбирать оптимальный маршрут.

Первые экспериментальные исследования, подтверждающие идею Толмэна, были проведены спустя 20 лет Дж. О’Кифом (Университетский колледж Лондона), который открыл «клетки места» в гиппокампе. Эти клетки активировались, когда подопытные животные оказывались в определённом месте, а при смене места активировался другой набор подобных клеток. Таким образом, эти клетки «превращались» в своеобразную внутреннюю карту места, где находилось животное.

Первые экспериментальные исследования были проведены
Дж. О’Кифом, который открыл «клетки места» в гиппокампе.

Супруги Мозер, которые работали некоторое время в лаборатории Дж. О’Кифа, продолжили изучение «клеток места» и роли гиппокампа в ориентации в пространстве. Усовершенствовав экспериментальную установку, которая позволила животному перемещаться на большие расстояния, учёные смогли обнаружить в участке мозга рядом с гиппокампом т.н. «клеточную координатную сеть». При этом само поведение клеток этой сети оказалось даже более интересным, чем поведение «клеток места». Отдельные нейроны этой сети активировались (по ним непрерывно проходили сигналы), когда животное находилось в нескольких точках поля. Клетки этой сети взаимодействуют с некоторыми другими клетками, которые также используются головным мозгом для определения положения тела и границ воспринимаемого им пространства.

Со временем, были открыты и другие элементы внутренней системы ориентации: «клетки направления» (определяют наклон головы), «краевые клетки» (отмечают расположение границ территории), клетки со смешанной активностью.

Позднее учёные смогли обнаружить в участке мозга рядом
с гиппокампом т.н. «клеточную координатную сеть»

Исследователями было обнаружено, что «клетки места» и «клетки направления» — основные компоненты системы пространственного восприятия — формируются у животных с рождения, до получения «опыта навигации», а «клетки координатной сетки» — появляются позже.

Эти клетки и нейронные сети, представляющие собой «внутренний GPS», существуют и в мозге человека: они были открыты в 2003 и 2013 годах. Разумеется, по сравнению с системой ориентирования в мозге крысы, «внутренний GPS» человека имеет ряд отличий, но в целом такая система ориентации подобна для всех позвоночных животных.

Исследование ориентационной системы мозга может открыть новые пути для восстановления утраченных функций мозга, возникших из-за болезни Альцгеймера.

Открытия О’Кифа и супругов Мозер называют одними из самых значимых в нейробиологии за последние десятилетия. Эти открытия позволили учёным увидеть новый тип работы нейронов, при котором клетки образуют многокомпонентную сеть, благодаря которой становятся возможными сложные когнитивные процессы.

Однако этим не исчерпывается значение этих открытий. Изучение ориентационной системы мозга является важным, в первую очередь, для клинической практики, где происходит непрерывный поиск способов лечения заболеваний нервной системы, сопровождающихся нарушением пространственной памяти и пространственного ориентирования.

За это открытие Дж. О’Киф, супругам Мозер и учёным-нейробиологам из Норвежского университета науки и техники (Тронхейм) в 2014 году была вручена Нобелевская премия в области физиологии и медицины.

В 2014 году Дж. О’Кифу и супругам Мозер была вручена
Нобелевская премия в области физиологии и медицины