Нейронная активность у летучих мышей измерена в полете

Исследование доктора Нахума Улановского и аспиранта Майкла Ярцева из Института Вейцмана, опубликованное в Science, впервые показывает, как трехмерное, объемное пространство воспринимается в мозге млекопитающих. Работа проводилась с помощью уникальной миниатюрной нейротелеметрической системы, разработанной специально для этой задачи, которая позволила измерять активность отдельных клеток мозга во время полета.

До сих пор эксперименты по пространственной ориентации животных проводились только в двухмерных условиях. Они показали, что ориентация опирается на «клетки места» — нейроны в гиппокампе, области мозга, связанной с памятью, особенно пространственной. Каждая клетка места отвечает за определенную зону пространства и посылает электрический сигнал, когда животное находится в этой зоне. Вместе клетки места создают полное представление об окружающей среде. Однако навигация многих животных, включая человека, происходит в трех измерениях. Попытки расширить эксперименты до трех измерений сталкивались с трудностями.

Улановский выбрал для изучения египетскую летучую собаку — распространенный в Израиле вид летучих мышей. В сотрудничестве с американской компанией был создан беспроводной легкий (12 г, около 7% веса мыши) прибор с электродами, измеряющий активность отдельных нейронов в мозге мыши.

Следующей задачей была адаптация поведения мышей к нуждам эксперимента. В природе мыши летят к цели (например, к фруктовому дереву) по прямой линии, то есть их обычный полет одномерен. Для эксперимента же требовалось, чтобы полеты заполняли трехмерное пространство.

Решение было найдено в предыдущем исследовании группы Улановского, которое отслеживало диких летучих мышей с помощью миниатюрных GPS-устройств. Оказалось, что, прибывая к фруктовому дереву, мыши летают вокруг него, используя весь объем пространства. Чтобы смоделировать это поведение в лаборатории — искусственной пещере с системой отслеживания, — команда установила искусственное «дерево» из металлических прутьев с чашками фруктов.

Измерение активности нейронов гиппокампа показало, что представление трехмерного пространства похоже на двумерное: каждая клетка места отвечает за определенную зону в «пещере» и посылает сигнал, когда мышь находится в ней. Вместе популяция клеток места обеспечивает полное покрытие пещеры — слева и справа, вверх и вниз.

Более близкий анализ зон ответственности отдельных клеток места дал ответ на горячо обсуждаемый вопрос: воспринимает ли мозг три измерения пространства как «равные», то есть ощущает ли ось высоты так же, как длину или ширину? Результаты показывают, что каждая клетка места реагирует на сферический объем пространства, то есть восприятие всех трех измерений единообразно.

Исследователи отмечают, что для нелетающих животных, которые перемещаются по плоскому пространству, разные оси могут восприниматься не с одинаковым разрешением. Возможно, такие животные естественным образом более чувствительны к изменениям по осям длины и ширины, чем высоты. Этот вопрос представляет особый интерес для людей, так как, с одной стороны, люди произошли от обезьян, перемещавшихся в трехмерном пространстве, а с другой — современные люди в основном ориентируются в двухмерном пространстве.

Эти результаты дают новое понимание базовых функций мозга: навигации, пространственной памяти и восприятия пространства. Во многом это стало возможным благодаря разработке инновационной технологии, позволившей впервые заглянуть в мозг летящего животного. Улановский считает, что эта тенденция к более «естественным» исследованиям — будущее нейробиологии. Нейронные основы поведения животных будут изучаться в лабораториях, моделирующих естественные условия, или даже на животных в их естественной среде обитания в ходе обычной повседневной деятельности.