В новом исследовании, опубликованном сегодня в журнале Nature , исследователи Института науки Вейцмана в сотрудничестве с коллегами из Еврейского университета в Иерусалиме впервые раскрыли, как трехмерное пространство представлено в коре головного мозга млекопитающих системой «GPS» мозга. Команда исследователей во главе с профессором Нахумом Улановским из отделения нейробиологии Вейцмана с удивлением обнаружила, что это представление сильно отличается от способа представления двухмерного пространства, что перевернуло несколько давних гипотез с ног на голову.
Млекопитающие, в том числе люди, знают свое положение в пространстве благодаря нескольким типам специализированных нейронов в гиппокампе и его ближайшем соседе, энторинальной коре головного мозга - областях, расположенных глубоко внутри мозга. Клетки направления головы, внутренние компасы мозга, указывают животному направление, в котором его голова повернута. Клетки места, которые, как считается, создают ментальную карту окружающей среды, активируются, когда животное пересекает определенное место. Ячейки сетки, напротив, реагируют не на одно, а на несколько таких мест, и считается, что они обеспечивают мозг своего рода системой GPS.
Исследование ячеек сетки и GPS мозга было удостоено Нобелевской премии в 2014 году. Однако эти и другие исследования были сосредоточены исключительно на том, как представлены два измерения, и очень мало говорили о представлении трехмерного пространства . Чтобы восполнить этот пробел, Улановский и его коллеги решили выяснить, как ячейки сетки действуют в трех измерениях у свободно ведущих летучих мышей.
В прошлом, когда клетки сетки изучали на грызунах, бегающих по двумерным поверхностям, было обнаружено, что они активируются в нескольких круговых областях, известных как поля стрельбы, которые расположены в симметричном шестиугольном узоре (напоминающем миллиметровую миллиметровую бумагу), что плитки поверхность. Эта беспрецедентная симметрия и периодичность предполагают, что эти клетки могут быть вовлечены в геометрические пространственные вычисления, которые формируют ядро церебральной GPS. Энторинальная кора, где расположены клетки сетки, является областью мозга, которая впервые поражается болезнью Альцгеймера, и возможно, что пространственная дезориентация, одно из ранних проявлений болезни Альцгеймера, вызвана дисфункцией клеток сетки и потерей гексагональной «миллиметровой бумаги» ячеек сетки.
Местный порядок и глобальный беспорядок. Предыдущая работа показала как локальный, так и глобальный порядок в представлении двухмерного пространства, и то же самое было предсказано для трех измерений. Однако новое исследование показало, что трехмерное пространство не имеет глобальной решетки, но поддерживает локальный порядок. Предоставлено: Институт науки Вейцмана.
С математической точки зрения, оптимальный способ упаковки кругов в двух измерениях - это гексагональный узор, подобный сотам: возможно, это причина того, что круговые поля стрельбы ячеек сетки представлены в мозгу в виде гексагональной решетки, когда животные проходят по двумерному пространству. поверхности. Поэтому исследователи ожидали, что картина активности в трех измерениях будет одинаково симметричной и шестиугольной. «Мы и многие другие исследователи выдвинули гипотезу, что увидим уложенные шестиугольником шары, как апельсины в продуктовом магазине, аккуратно сложенные в пирамиду, или любую другую чрезвычайно упорядоченную трехмерную структуру», - говорит Улановский.
Чтобы проверить эту гипотезу, исследователи во главе с докторантом Джили Гиносаром вместе со штатным научным сотрудником доктором Лиорой Лас записали активность ячеек сетки у летучих мышей, на головах которых были установлены небольшие мобильные устройства, когда летучие мыши летали по комнате. размером с большую гостиную. Станции для кормления на разной высоте гарантируют, что каждая летучая мышь покрывает большую часть объема комнаты при каждом беге. Как только данные начали поступать, исследователи увидели, что ячейки сетки ведут себя не так, как ожидалось, реагируя на трехмерные координаты. «Хорошо упорядоченная глобальная сетка, которая является отличительной чертой их двумерной активности, полностью исчезла», - объясняет Улановский.
Вместо этого трехмерные поля стрельбы ячеек сетки, сформированные в этом случае в виде сфер, а не кругов, были упакованы, как коробка, полная шариков. Они не были полностью беспорядочными, но определенно были менее организованными, чем трехмерный эквивалент гексагональной решетки, поскольку новое расположение позволяло «шарикам» некоторые дополнительные степени свободы. В то время как какой-либо заметный глобальный порядок отсутствовал, сферы действительно подчинялись локальному порядку, в котором расстояние между одной сферой и ее ближайшими соседями оставалось постоянным.
По сравнению с другими давними теориями новая теоретическая модель была наиболее лояльна к экспериментальным данным.
Чтобы предложить механистическое объяснение этого феномена локального, а не глобального порядка, экспериментальная группа - Гиносар, Лас и Улановский - сотрудничала с теоретиками доктором Джонатаном Альджадеффом, бывшим докторантом Вейцмана, а теперь профессором Калифорнийского университета в Сане. Диего, профессора Хаима Сомполинского и профессора Йорама Бурака из Еврейского университета в Иерусалиме. Вместе они построили модель, которая использует принципы, заимствованные из статистической физики, которые описывают взаимодействие между частицами. Модель показала, что сферические поля стрельбы ячеек сетки, кажется, взаимодействуют почти так же, как и частицы: они «притягиваются» друг к другу, когда находятся на расстоянии, и «отталкиваются», когда они подходят слишком близко. Особенно, баланс сил, действующих на частицы, мог бы объяснить локальный порядок, который удерживал сферы на постоянных локальных расстояниях друг от друга, избегая при этом никакой глобальной решетки. По сравнению с другими моделями, которые использовались в прошлом для прогнозирования трехмерной организации полей возбуждения ячеек сетки, новая модель была наиболее лояльна к экспериментальным данным.
Взятые вместе, удивительные экспериментальные данные и теоретическая модель предлагают новый взгляд на нейронную основу трехмерной навигации и роль, которую ячейки сетки играют в этом когнитивном процессе. В то время как предыдущие модели экстраполировали аналогичное трехмерное расположение из двухмерной сетки, работа Улановского и его коллег и их модель «шариков» показывают, что все намного сложнее. Поскольку в трехмерном пространстве периодическая решетка не образуется, классические теории для понимания интригующего поведения ячеек сетки необходимо будет пересмотреть.
