Исследование навигации летучих мышей в сверхбольших пространствах выявило неизвестный нейронный код

Мозг часто сравнивают с компьютером, но иногда он работает исключительно хорошо, даже когда его «аппаратное обеспечение» кажется непригодным для задачи. Например, оставалось загадкой, как люди и другие млекопитающие ориентируются в очень больших пространствах, хотя нейронные цепи пространственного восприятия, казалось бы, приспособлены для представления гораздо меньших областей. Исследователи из Института Вейцмана под руководством профессора Нахума Улановского подошли к этой загадке нестандартно. Они использовали необычную модель — фруктовых летучих мышей — и необычные условия — 200-метровый туннель для мышей. Это позволило выявить новый нейронный код для пространственного восприятия, о чём сообщается в Science.

«Летучие мыши и другие млекопитающие ориентируются в очень больших естественных средах. За одну ночь мышь может покрыть область длиной около 20 км, шириной 2 км и высотой 0.5 км. Это сильно отличается от традиционных экспериментальных установок размером в один квадратный метр», — говорит Улановский.

Чтобы проверить гипотезу о том, что разница в масштабе должна приводить к различиям в нейронной активности, команда построила первый в мире 200-метровый туннель для летучих мышей на кампусе Института Вейцмана. Также были разработаны миниатюрные нейрологи для записи активности нейронов гиппокампа (области мозга, ответственной за память, включая пространственную) в полёте, и установлена система антенн для точного отслеживания местоположения.

Исследование возглавили аспиранты Тамир Элиав и Шир Маймон вместе с доктором Лиорой Лас. Оно опубликовано в символическое время: ровно 50 лет назад Джон О’Киф открыл клетки места (place cells) — специализированные нейроны гиппокампа, которые активируются, когда животное попадает в определённую область среды (поле места). Активация множества таких клеток создаёт внутреннюю карту среды. Однако работы О’Кифа и других проводились на грызунах в маленьких средах (например, коробка 1×1 м), где каждой клетке места соответствовало одно маленькое поле диаметром около 10 см.

Если бы каждая клетка места представляла одно маленькое пространство, то летучим мышам для навигации на многокилометровых маршрутах потребовалось бы около 10¹³–10¹⁵ нейронов. Но в их гиппокампе всего около 10⁵ нейронов, и тем не менее они успешно ориентируются.

Благодаря уникальной экспериментальной установке команда Улановского обнаружила, что при навигации в большой среде клетки места кардинально меняют своё поведение по сравнению с традиционной моделью:

1. Один нейрон может представлять несколько полей места, а не одно, как считалось ранее.
2. Размер каждого поля места неодинаков и меняется в зависимости от местоположения, иногда с 20-кратной разницей.

Таким образом, каждый нейрон может активироваться в нескольких локациях, и каждая представленная локация может иметь разный размер (разрешение). Эта многополевая, многомасштабная схема кодирования объясняет несоответствие, оставленное традиционной моделью, где для вычисления навигации требовалось больше нейронов, чем есть в гиппокампе. Этот код наблюдался с первого дня знакомства мышей с туннелем и у диких, и у лабораторных мышей, что свидетельствует о его надёжности.

В сотрудничестве с теоретиками (проф. Миша Цодикс и д-р Джонатан Алджадефф) была создана компьютерная симуляция нового кода. Сравнение показало, что в маленьких средах разницы в точности между новой и старой моделью нет, но в больших средах новый код гораздо эффективнее и приводит к меньшему количеству ошибок локации.

«Мы считаем, что наши выводы применимы к пространственному восприятию очень больших сред у различных видов млекопитающих, включая человека», — говорит Улановский.