За планирование траектории полёта у летучих мышей отвечают нейроны места

Подъезжая к загруженному перекрёстку, водитель, вероятно, будет больше думать о том, где он должен оказаться, а не где он находится на текущий момент. Эта способность важнее, чем знания о своём текущем расположении. С её помощью водитель рассчитывает, когда приедет к месту назначения и нужно ли остановиться или притормозить, чтобы избежать столкновения с проезжающим автомобилем, пешеходом или велосипедистом.

Как предположили американские исследователи, способность мозга сосредоточиться на том, где человек окажется в ближайшее время, может быть ключевым элементом встроенной навигационной системы млекопитающих.

За планирование траектории полёта у летучих мышей отвечают нейроны места Перевод, Биология, Зоология, Летучая мышь, Крыланы, Нейробиология, Нейроны, Длиннопост
На фото: Египетская летучая собака или нильский крылан (Rousettus aegyptiacus)

Нейробиологи из Калифорнийского университета в Беркли (США) по беспроводной связи отслеживали мозговую активность нильских крыланов, пока те летали по специальной лётной комнате. Когда исследователи сравнили траектории полёта летучих мышей с их нейронной активностью, они обнаружили, что активность нейронов места — особого типа нейронов, ответственных за кодирование пространственного расположения животного, — теснее коррелировали с будущим местоположением мыши, а не с тем, где она находилась на данный момент.

«Мы хотели выяснить, действительно ли активность нейронов лучше отображает информацию или о прошлом или будущем местоположении животного, чем о текущем местоположении. И мы обнаружили, что для некоторых групп нейронов это действительно так, — сказал ведущий автор исследования Николас Дотсон, проводивший исследование будучи аспирантом в Калифорнийском университете в Беркли. — Исследование показало: нейроны места в гиппокамповой формации выполняют больше функций, чем отображение текущего положения мыши в пространстве — они выстраивают траекторию полёта».

«Если бы у вас был доступ к данным о нейронной активности в моём гиппокампе, пока я ходил по комнате, проанализировав её, вы могли бы расшифровать, в каких частях комнаты я находился», — сказал Дотсон. Нейроны места, расположенные в гиппокамповой формации, образуют своеобразную GPS-систему. Они присутствуют у всех наземных млекопитающих, включая человека. Когда животное исследует новую территорию, нейроны места активируются в разных частях гиппокампа и образуют внутреннюю карту территории, которую мозг сможет запомнить и сохранить.

Открытие нейронов места в 2014 году было удостоено Нобелевской премии по физиологии и медицине. В 1970—1980 годах исследователи провели множество экспериментов с гиппокампом, но всё ещё не ясно, как работает эта область мозга во время быстрого передвижения и формирования представления о незнакомых местах.

«Поскольку гиппокамп участвует в навигации, было проведено несколько исследований, посвященных шифрованию информации в этой области мозга. Кроме того, возник вопрос: как нейронная активность отражает события, которые должны произойти в будущем или уже произошли? И может ли эта область мозга проявлять активность, отражающую не текущее, а будущее местоположение животного», — сказал старший автор исследования Михаил Ярцев, доцент нейробиологии и биоинженерии в Калифорнийском университете в Беркли.

По словам Ярцева, предыдущие эксперименты не смогли окончательно ответить на этот вопрос. Вероятно, это связано с тем, что в исследованиях участвовали медлительные животные, например, крысы. В экспериментальных вольерах они перемещаются со скоростью всего 2—5 сантиметров в секунду. При перемещении животного на такое расстояние в активности нейронов не наблюдается существенных изменений.

Летучие мыши же в ходе полёта развивают скорости намного выше крысиных.

«Летучие мыши намного, намного быстрее! Они летают со скоростью около 30—50 километров в час в лабораторных условиях. Это огромное преимущество перед крысами. Крыса может передвигаться всего на несколько сантиметров в секунду, тогда как мышь — на несколько метров», — сказал Ярцев.

В ходе эксперимента Ярцев и Дотсон использовали беспроводные нейронные записывающие устройства, отслеживающие нейронную активность мышей во время свободного полёта. Мыши летали в специальной комнате, оборудованной камерами. Камеры записывали точную траекторию полёта мышей. В одной серии экспериментов разные части комнаты оборудовали кормушками, чтобы стимулировать мышей изучать всё пространство в помещении. В другом помещении мышей за исследования комнаты поощряли люди.

Когда Ярцев и Дотсон сравнили время активности нейронов с траекториями полёта летучих мышей, они обнаружили, что при перемещении позиций летучих мышей вперед во времени — путем сравнения нейронной активности с местами, где летучие мыши будут находиться через несколько сотен миллисекунд или через секунду — внезапно нейронная активность намного сильнее коррелировала с пространственным положением.

«Основываясь на полученных данных, можно предположить, что некоторые нейроны вообще не кодируют пространственную информацию, поскольку не было обнаружено корреляций с исходной позицией или позицией в настоящее время, — сказал Ярцев. — Но если сравнить активность с позицией на секунду позже, внезапно корреляция станет ярко выраженной».

Исследователи предположили, что активность нейронов места отражает не просто одно текущее положение, а фактически траекторию, простирающуюся в ближайшее будущее и прошлое. «Мы можем представить, как идём по коридору и где мы только что были или скоро будем. Как выглядит эта активность в мозге? — Сказал Дотсон. — Наши открытия предполагают, что во время полёта мыши представляют в своём сознании не только то, где они находятся, но и где они будут находиться».

Хотя клетки места и основные компоненты этой навигационной системы присутствуют у самых разных млекопитающих, пока не ясно, является ли эта способность проецировать путь на секунду в будущее уникальной для летучих мышей, или она присуща более широкому кругу животных. Однако, как сказал Ярцев, это открытие создаёт множество интересных вопросов о том, как люди обрабатывают информацию о перемещении в пространстве.

Гиппокамп является очагом многих заболеваний, например, болезни Альцгеймера, при которой происходит нарушение памяти и навигации в пространстве. Тщательное изучение нейронных вычислений в этой области мозга даст учёным лучшее понимание нарушений, связанных с болезнью, и поможет им разработать более эффективные методы лечения.

«Наземным животным, возможно, нет необходимости представлять своё положение так далеко в будущем, как летучим мышам. Но даже для людей всё может зависеть от ситуации. Во время пеших прогулок люди, вероятно, чувствуют себя в большей безопасности. Но когда человек за рулём, необходимо знать, что произойдёт в трёх или более метрах от вас, потому что машина двигается с большей скоростью, — сказал Ярцев. — Теперь, когда мы знаем, что у летучих мышей существуют некоторые нейронные представления о своей позиции в будущем, появляются новые вопросы: есть ли общие черты в навигационной системе мышей и других животных, и каким образом эта способность проявляется у людей».

***

Источник — A peek inside a flying bat’s brain uncovers clues to mammalian navigation

Перевод подготовили Екатерина Хананова, Антон Меньшенин и Марлен Тальберг.

Добавить комментарий

Заполните поля или щелкните по значку, чтобы оставить свой комментарий:

Логотип WordPress.com

Для комментария используется ваша учётная запись WordPress.com. Выход /  Изменить )

Google photo

Для комментария используется ваша учётная запись Google. Выход /  Изменить )

Фотография Twitter

Для комментария используется ваша учётная запись Twitter. Выход /  Изменить )

Фотография Facebook

Для комментария используется ваша учётная запись Facebook. Выход /  Изменить )

Connecting to %s