Ни страшных монстров, ни оружия, ни секретных дверей. Всё, на что могли рассчитывать подопытные, – некий аналог аптечки. Уже из-за неё, впрочем, мышки играли именно так, как задумывали биологи. Для них же курьёзная (на посторонний взгляд) затея являла собой уникальную возможность в прямом эфире заглянуть в мозг грызунов, проходящих тестовое задание.
Необычный опыт провела группа учёных во главе с Дэвидом Тэнком (David Tank) из Принстона. Нескольких мышей исследователи погрузили в виртуальную реальность: до предела минимизированный шутер от первого лица, где из всех радостей игроку была оставлена только свобода перемещения по простенькой, в общем-то, местности.
Занимательный трюк потребовался американцам, чтобы открыть новую главу в истории изучения так называемых нейронов места (place cell). Эти специфические клетки демонстрируют активизацию (повышение силы и темпа ритмических «вспышек») в те моменты, когда животное находится в каком-либо специфическом месте, с которым оно познакомилось ранее. (Ситуация напоминает действие так называемой клетки бабушки.)
Нейроны места расположены в гиппокампе, районе мозга, который связан с обучением, работой памяти и пространственной ориентацией. Картина возбуждения в наборе таких клеток отражает моменты узнавания животным той или иной обстановки. И картина эта достаточно точна, чтобы, только взглянув на неё, экспериментаторы узнали – где находится испытуемый.
Увы, хотя открыты эти нейроны были аж в 1971 году, до понимания всех тонкостей их работы учёные не добрались даже теперь. Одна из причин – ограниченные возможности инструментов.
К примеру, часто применяемая в исследованиях мозга магнитная томография даёт небольшую свободу в движении головы испытуемого (обычно человека), но способна уловить вспышку активности только большого массива клеток. До разбора их индивидуальных «голосов» тут далеко. А методы, позволяющие снять электрические параметры с одного избранного нейрона, да ещё у столь малого подопечного, как мышь, требуют жёсткой фиксации животного. Какое уж тут прохождение лабиринта.
Тэнк же применил очаровательный и довольно простой способ совмещения неподвижности с подвижностью. Вместо того чтобы запускать мышей в реальные лабиринты, биологи построили систему для погружения мышей в виртуальную реальность.
Обездвиживание головы мыши позволило биологам вставить в неё стеклянный капилляр с диаметром кончика всего в один микрометр. Внутри – солёная вода, для электропроводности. Этот зонд способен зафиксировать сигналы, проходящие через одну единственную клетку в мозге, причём он позволяет определить параметры внутриклеточной электрической активности с высокой точностью.
Ранее учёные исследовали нейроны помощью внеклеточных электродов — крошечных проводков, помещённых рядом с клетками. «Так нейроны могут рассказать вам о своей деятельности, но не о том, что создаёт эту деятельность», — сетует Тэнк.
Чтобы уловить закономерности в отклике отдельных нейронов в гиппокампе мышей, учёные создали простенький мир, базирующийся на движке от игры Quake II.
Правила мышиной «бродилки» были просты: зверёк должен был бежать от одного конца карты к другому и, как только оказывался в определённом месте, – получал награду в виде толики воды, подаваемой через трубку-поилку, закреплённую перед мордочкой «игрока». «Если он хочет получить ещё одну награду, ему следует развернуться и бежать в другой конец», — поясняет Дэвид.
Хвостатые испытуемые уже через несколько сеансов поняли, что от них требуется. Точность перемещения постоянно возрастала, как и частота получения награды.
Тем временем исследователи снимали показания с датчиков. И на них действительно обнаружились пики всплеска активности тех или иных клеток, соответствующих прохождению мышью того или иного участка простенького лабиринта.
Его точки, в которых фиксировалась такая деятельность гиппокампа, называются полями места. «Активизация клеток места обладает конкретным ритмом, словно часы», — рассказывает Дэвид. Исследование показало, что этот ритм изменяется «на систематической основе», по мере того как мышь пробегает через то или иное поле места.
Биологи нашли в полученных данных сразу три подписи поля места: деполяризацию мембранного потенциала специфической формы (вроде асимметричной трапеции), увеличение амплитуды колебаний внутриклеточного тета-ритма и прецессию фазы такого ритма по отношению к ритму внеклеточному.
Эти особенности, считают Тэнк и его коллеги, являются своего рода кодами, в которых отражается активация нейронов в «правильных» участках лабиринта. (О великом множестве иных тонкостей в отклике клеток повествует статья авторов эксперимента в Nature.)
Всё это вместе, полагают биологи, поможет значительно продвинуть науку в понимании схемы работы гиппокампа, участвующего в управлении движением, в познании и других сложных психических функций как у животных, так и у человека.
Существует масса моделей, описывающих взаимодействие единственного нейрона места с остальными собратьями в процессе выполнения испытуемым сложных задач. Теперь у исследователей появилась возможность проверять эти гипотезы и отсеивать ошибочные.
До сих пор биологи спорят о том, что же такое – нейроны места. «Являются ли они основной частью навигационной схемы мозга или участвуют в каком-то более общем процессе вроде способности запоминать последовательность событий?» – вопрошает Тэнк. Он говорит, что опыты с виртуальным миром помогут ответить на эти вопросы.
Разумеется, профессор Тэнк — не единственный учёный, пытающийся раскрыть тонкости в работе гиппокампа, нейронов места и их роль в пространственной ориентации и памяти. Есть, к примеру, любопытные эксперименты Мэтью Уилсона (Matthew A. Wilson) из института обучения и памяти Массачусетского технологического (Picower Institute for Learning and Memory) и целый ряд других исследований.
Но красота изобретения из Принстона в том, что оно, по сути, является универсальным. В следующий раз под прицелом сенсоров может оказаться вовсе не гиппокамп, а какой-то иной участок. Высокая точность метода съёмки в сочетании с виртуальной средой поможет смоделировать массу условий и проверить кучу гипотез о работе мозга.
В этом уверен нейрофизиолог Дуглас Ниц (Douglas Nitz) из Калифорнийского университета (UCSD) , прокомментировавший достижение коллег. «Исследование представляет собой наглядный пример того, что будет доступно для изучения в следующее десятилетие», — радуется Дуглас.
