Новости мира науки

Представление о пространстве является врожденным (21.06.2010)

Рис. 1. Крысенок исследует пространство. Каждая «клетка места» (place cell) в гиппокампе возбуждается при попадании животного в определенное место в пределах изучаемого помещения. Каждая «клетка направления» (direction cell) в субикулуме (основании гиппокампа) возбуждается, когда голова поворачивается в определенную сторону. Каждая «клетка сетки» (grid cell) в энторинальной коре возбуждается при пересечении животным узлов мысленной координатной сетки. На трех верхних рисунках цветными кружочками показаны участки маршрута крысенка, в которых возбуждается один и тот же нейрон соответствующего типа. Например, на верхнем левом рисунке два синих кружочка соответствуют двум точкам маршрута, где возбуждается одна и та же «клетка места». Рис. из обсуждаемой статьи Palmer & Lynch.

Ключевую роль в пространственном мышлении у млекопитающих играют три группы нейронов: «клетки места», «клетки направления» и «клетки координатной сетки». Две команды исследователей независимо друг от друга обнаружили, что у маленьких крысят, впервые в жизни отправившихся на прогулку, уже есть нормально работающие клетки первых двух типов, и только клетки третьего типа появляются немного позже. По-видимому, это означает, что восприятие пространства у млекопитающих в значительной мере является врожденным.

Иммануил Кант в «Критике чистого разума» выдвинул идею о наличии у людей априорных (то есть врожденных и абсолютных, не нуждающихся в опытной проверке) представлений о пространстве и времени. В последнем номере журнала Science опубликованы две статьи, подтверждающие эту мысль великого философа. Правда, речь в статьях идет только о пространстве, и опыты проводились не на людях, а на крысах. Однако известно, что основные нейрологические механизмы пространственного восприятия у людей и крыс примерно одинаковы, поэтому результаты этих исследований почти наверняка приложимы к людям.

Открытие было сделано независимо учеными из Лондонского университетского колледжа (Wills et al.) и Норвежского университета естественных и технических наук в Тронхейме и Сент-Эндрюсского университета в Шотландии (Langston et al.)

Ученым удалось вживить электроды в различные отделы гиппокампальной формации (см. гиппокамп) маленьких крысят, которые еще не начали самостоятельно передвигаться и поэтому не имели никакого опыта взаимоотношений с пространством. Это позволило проследить за работой нейронов во время первых прогулок (обычно на 16-й день после рождения), когда перед крысенком впервые вставала задача обработки информации о направлении и положении в пространстве. Наблюдения продолжались в течение нескольких последующих дней, что позволило оценить скорость развития нейронных структур по мере приобретения опыта.

У взрослых крыс, как и у других млекопитающих, гиппокампальная формация играет ключевую роль в пространственном восприятии. За него отвечают три группы нейронов, расположенные в разных частях формации (рис. 1). «Клетки места» (place cells), расположенные собственно в гиппокампе, возбуждаются, когда животное попадает в определенное место в пространстве. «Клетки направления» (head direction cells), расположенные в основании гиппокампа, или субикулуме, реагируют на поворачивание головы в определенном направлении. Наконец, «клетки координатной сетки» (grid cells), расположенные вэнторинальной коре, образуют, как видно из их названия, нечто вроде виртуальной системы координат. Эти нейроны возбуждаются, когда животное пересекает узлы воображаемой сетки.

Рис. 2. Примеры работы «клеток направления» у 16-дневных крысят. Рисунки представляют собой «полярные диаграммы». Расстояние от начала координат соответствует активности нейрона при соответствующем направлении головы. Восемь левых рисунков — это типичные (репрезентативные) примеры, восемь правых — специально отобранные примеры нейронов, которые работают совсем как у взрослых крыс. Рис. из обсуждаемой статьи Wills et al.

Оказалось, что нормально функционирующие «клетки места» и «клетки направления» уже есть в гиппокампе и субикулуме крысят, когда они отправляются на свою первую прогулку через 16–17 суток после рождения (рис. 2, 3). Очевидно, соответствующие нейронные контуры, позволяющие оценивать направление, запоминать отдельные точки пространства и «привязывать» их к конкретным нейронам, формируются у крысят независимо от их жизненного опыта. Иными словами, их наличие является врожденным (не зависящим от обучения) свойством мозга. В этом смысле Кант был, несомненно, прав.

Рис. 3. Примеры работы «клеток места» у крысят в возрасте 16–17 дней. Разными цветами показана активность нейрона в зависимости от положения крысенка в квадратном помещении. Восемь правых рисунков — типичные (репрезентативные) примеры, восемь левых — примеры нейронов, работающих в точности как у взрослых крыс. Рис. из обсуждаемой статьи Wills et al.

Впрочем, число функциональных «клеток места» и эффективность их работы (точность кодирования пространственной информации) растут со временем, постепенно приближаясь к состоянию, характерному для взрослых крыс. От чего зависит этот рост — от приобретаемого опыта или просто от возраста крысенка? Ученые смогли ответить на этот вопрос, сравнивая результаты по крысятам, которым в первый раз позволяли исследовать помещение в разном возрасте. Оказалось, что приближение работы нейронов к «взрослому» состоянию зависит от возраста в большей степени, чем от приобретенного опыта (числа прогулок).

Что касается «клеток координатной сетки» в энторинальной коре, то по ним результаты получились неоднозначные. В их развитии, по-видимому, опыт и обучение играют более важную роль, чем в формировании «клеток места» и «клеток направления». По данным лондонской группы, первые полноценные «координатные» нейроны, работающие совершенно как у взрослых крыс, появляются примерно на 20-й день после рождения, а до этого момента работа соответствующих нервных клеток сильно отличается от того, что можно наблюдать у взрослых. Между прочим, это означает, что «клетки места» могут эффективно кодировать пространственную информацию и без нормально работающей «координатной сетки». Это противоречит гипотезе, согласно которой «клетки места» получают ключевую информацию от «клеток сетки».

Рис. 4. Примеры работы «клеток координатной сетки». Разными цветами показана активность нейрона в зависимости от положения крысенка в квадратном помещении. Восемь правых рисунков — типичные примеры работы нейронов у 16-дневных крысят, восемь левых — у крысят в возрасте 20–21 дней. Видно, что у 16-дневных крысят нейроны сетки работают еще не совсем «по-взрослому». Рис. из обсуждаемой статьи Wills et al.

Таким образом, по крайней мере часть специализированных нейронных структур, обеспечивающих пространственное восприятие, формируется у крысят вне всякой связи с жизненным опытом и даже раньше, чем животное начинает этот опыт приобретать. По-видимому, у млекопитающих действительно существует предсказанное Кантом врожденное «чувство пространства».

Александр Марков

Элементы

Новости мира науки

Мероприятия
Конференции
Конкурсы, олимпиады
Гранты, стипендии
Стажировки
Фонды

Образование
Семинары
Форумы
Тренинги
Курсы повышения квалификации

Полезные ссылки

О портале