Ритмичные движения клеток сетки меняют понимание пространственной навигации мозга
Открытие, сделанное в Институте Кавли при Норвежском университете науки и технологий (NTNU) в Норвегии, выявило ранее неизвестную функцию клеток сетки — специализированных нейронов, которые помогают мозгу картировать пространство.
Открытые в 2005 году Мэй-Бритт и Эдвардом Мозером, клетки сетки закладывают основу для построения ментальных карт вашего окружения и для отслеживания ваших точных позиций в этих ландшафтах. Когда вы перемещаетесь в своей среде, ваши движения отслеживаются клетками сетки на внутренней карте.
Но теперь оказывается, что клетки сетки также выполняют быстрые, ритмичные взмахи в пространство перед животным. Эти взмахи действуют почти как антенна, позволяя животному зондировать окружающую среду перед собой. Это открытие меняет наше понимание пространственной навигации в мозге.
За пределами GPS мозга: проявляется скрытая закономерность
Ученые долгое время считали, что ячейки сетки действуют как метки GPS, точно отмечая местоположение в любой момент времени.
Однако исследователи из Института Кавли обнаружили гораздо более динамичный процесс: ячейки сетки попеременно отслеживают текущее положение животного и сканируют окружающую среду впереди по очень регулярной схеме — перемещаясь на 30 градусов вправо, затем на 30 градусов влево — с высокой скоростью — десять раз в секунду.
Эти ритмичные взмахи создают более эффективный способ привязки местоположений друг к другу, обеспечивая более богатую и адаптируемую навигационную систему, чем предполагалось ранее.
Это открытие, сделанное исследователями Абрахамом Зелалемом Волланом, Ричем Гарднером, Мэй-Бритт Мозер и Эдвардом Мозером, было опубликовано в журнале Nature 3 февраля 2025 года.
Новые технологии дали новое понимание
На протяжении десятилетий эти перемещения оставались незамеченными, запертыми в крошечных промежутках времени в данных ячеек сетки.
Причина? Технологические ограничения.
Ранее использовавшиеся инструменты регистрации не обладали достаточной емкостью и временным разрешением, чтобы отображать быстрые потоки внутри крупномасштабной координации целых популяций ячеек сетки в режиме реального времени.
Ситуация изменилась с появлением Neuropixels 2.0 — революционной нейротехнологии, способной регистрировать тысячи нейронных взаимодействий с точностью до миллисекунд.
Секрет ячеек сетки
«Предыдущие исследования в Институте Кавли выявили компоненты чувства места, такие как типы клеток и задействованные нейронные цепи. Мы хотели выяснить, как ментальные карты используются в реальном времени», — сказал Гарднер.
Он сказал, что понимание динамики, процессов и изменений, происходящих в общей нейронной активности в сети, может показать, как мозг на самом деле использует этот механизм для навигации.
Чтобы точно понять, что происходит, исследователи использовали метод, называемый декодированием. Развертка длится 125 миллисекунд и соответствует тому, что называется тета-волнами в данных мозга.
Новый зонд Neuropixels может регистрировать взаимодействия тысяч клеток по всей сети с точностью до миллисекунды, пока крыса находится в состоянии бодрствования, быстрого сна или глубокого сна.
Для каждого временного блока мозговых данных, загруженных зондом, компьютер декодировал, на каком месте ментальной карты были сосредоточены клетки сетки крысы. Затем компьютер сопоставлял местоположение ментальной карты клеток сетки с фактическим местоположением крысы в физическом ландшафте.
Используя новый зонд Neuropixels, исследователи расшифровали, как ментальная карта крысы динамически смещается во время навигации.
К своему удивлению они обнаружили, что карта не совсем совпадала с реальным местоположением крысы.
Вместо этого карта была не синхронизирована с местоположением крысы очень регулярным образом. Глубоко в миллисекундной шкале времени клетки сетки посылали волны нейронной активности через ряд клеток сетки, кодирующих соседние местоположения в наружном движении.
Размахи начинаются с ячеек сетки, кодирующих фактическое местоположение крысы в пространстве, размахиваются вперед и вправо, затухают в самом дальнем конце размаха, а затем размахи возникают снова в месте нахождения крысы, размахивая в другую сторону.
Эти ритмичные движения свидетельствуют о том, что клетки сетки не просто определяют местоположение животного — они активно исследуют окружающую среду в режиме реального времени, постоянно обновляя его внутреннее представление о пространстве.
«В старых исследовательских данных вся эта динамика объединена в большие, толстые сеточные поля, которые мы знаем», — говорит Мэй-Бритт.
«Когда мы вычитаем данные о широтной сканирующей активности из кодирования активности клеток для определения местоположения крысы, поля сетки становятся меньше и точнее», — сказала она.
Кредит: Рич Гарднер / Институт Кавли
Оптимальная стратегия природы?
Почему ячейки сетки сканируют окружающую среду именно таким образом? И почему именно под таким углом, длиной и чередующимся рисунком?
Ответ может крыться в самой природе.
«Некоторые виды летучих мышей используют эхолокацию для навигации, испуская звуковые волны в чередующихся направлениях для сканирования своего окружения», — сказал Эдвард Мозер. «Эта схема поразительно похожа на схему движения ячеек сетки».
Он использует свои руки, чтобы показать, как скоординированный сигнал сетки вырывается изо лба, словно сфокусированные прожекторы, попеременно справа и слева.
Ментальная карта мозга в форме пончика
Продолжительность разворотов можно объяснить предыдущими открытиями: наши ментальные карты имеют форму пончика.
«Развертки распространяются до половины петли вокруг карты в форме пончика и никогда дальше. Таким образом, ячейки сетки избегают наложения на другие области ментальной карты», — сказал Воллан.
Расстояние, покрываемое развертками, таким образом, ограничивается собственным правилом мозга в форме пончика, определяющим, как ячейки сетки могут действовать в рамках GPS-системы мозга.
В мозге имеется не менее трех-пяти различных модулей ячеек сетки, соответствующих трем-пяти различным ментальным картам в форме пончика, каждая из которых призвана охватывать различные масштабы пространства.
Развертки проходят одинаковое расстояние на всех картах в форме пончика. Но поскольку ментальные карты относятся к физическому пространству в разных масштабах, ячейки сетки, которые строят наши крупномасштабные карты, покрывают большие расстояния в нашем физическом ландшафте, чем ячейки сетки, которые генерируют более точные мелкомасштабные карты.
Чтобы найти объяснение тому, почему мозг предпочитает сканировать окружающую среду с помощью этих узких антеннообразных взмахов, Гарднер создал искусственный агент (компьютерную модель, основанную на искусственном интеллекте).
Система координат пончика. Кредит: Институт Кавли
Маленький «робот» опробовал различные способы картирования местности, по которой он перемещался, и обнаружил, что оптимальная стратегия представляет собой характерную схему «елочкой».
Он пришел к точно такому же правилу, как и взмахи в мозгу крысы: вправо, влево, вправо под углом 30 градусов. Эта стратегия оказывается наиболее эффективной для картирования области в кратчайшие сроки с минимальным перекрытием.
«Если мы посмотрим на эхолокацию у летучих мышей, их усики, вибриссы или глаза, расположенные по обе стороны черепа, мы распознаем принцип, в котором эти два чередующихся угла для взятия проб или зондирования пространства повторяются», — сказал Гарднер.
Компьютерная модель пришла к точно такому же принципу оптимального картирования.
«Разумно предположить, что эволюция расположила наши органы чувств и умственные способности таким образом, чтобы использовать этот принцип», — сказал он.
Зачистки — это правило, жестко запрограммированное в нашем мозгу.
Исследователи обнаружили подметания как во время навигации, так и во время быстрого сна, когда крыса не получала сенсорной информации из внешнего мира.
«Возможно, он ориентируется во сне», — сказал Эдвард Мозер. Во время глубокого сна , состояния, когда мозг не генерирует тета-волны, развертки были более редкими и нерегулярными.
«Кроме того, зондирование осуществляется через скалы и стены, поэтому очевидно, что сигнал в первую очередь не указывает на то, куда крыса планирует пойти», — сказала Мэй-Бритт Мозер.
«Векторный принцип развертки предполагает, что развертки могут быть способом создания более надежных карт. Точные сканирования содержат очень систематическую информацию о направлении и расстоянии до мест и могут быть способом для мозга не только сосредоточиться на отдельных местах, но и связать и привязать эти места к окружающей их среде», - сказал Гарднер.
Эдвард Мозер сказал, что результаты показывают, что развертки могут быть фундаментальным механизмом, жестко запрограммированным в сети — своего рода алгоритмом мозга.
«Я думаю, что мы обнаружили повторяющийся и стереотипный процесс, который постоянно происходит в ментальных картах мозга, помогая отображать окружение бегающей крысы», — добавил Воллан.
По его словам, эта карта может быть важна для восстановления воспоминаний об окружающей крысе среде и для создания новых карт сред, в которых крыса раньше не бывала.
Гарднер и Воллан у одного из ящиков, по которым крыса перемещалась во время экспериментов. Автор: Рита Элмквист Нильсен / Институт Кавли.
Люди тоже подметают?
Исследование проводилось на крысах, но может ли аналогичный механизм существовать и у людей?
Учитывая, что у нас одинаковые структуры мозга, типы клеток и ритмические нейронные процессы, исследователи полагают, что это вполне вероятно.
«Я думаю, что нечто похожее на подметание можно обнаружить и у людей», — сказал Воллан.
«У нас те же области мозга, типы клеток , те же функции, такие как память и навигация, и у нас также есть этот ритм, хотя и немного слабее. Поэтому вопрос в том, увидим ли мы точно такую же картину? Люди, например, более визуально ориентированы. Мы можем использовать наш взгляд, чтобы исследовать места на расстоянии», - сказал он.
Возможно, размах глаз у людей более тесно связан с тем, куда человек направляет свой взгляд в пространстве.
Исследователи обнаружили у птиц и обезьян зрительные клетки места, которые активируются в зависимости от того, куда они смотрят.
Таким образом, нейрон места активируется не там, где находится животное, а там, где сосредоточено его внимание.
«Развертки — это фундаментальный механизм на уровне популяции клеток, который может объяснить этот фокус», — сказал Воллан.
Множество форм ячеек сетки
«Ранее мы показали, что ячейки сетки имеют геометрию в пространстве — гексагональную систему координат. Они также имеют геометрию в сетевой активности — пончик. А теперь мы обнаружили, что ячейки сетки также имеют геометрию во времени», — сказал Эдвард Мозер.
«Эти развертки меняют наше представление о ячейках сетки и навигации в том смысле, что теперь мы знаем, что ячейки сетки не просто кодируют текущее положение изолированно, но и связывают эти положения с каждым окружающим положением, точно закодированным в ментальной карте», — сказал Эдвард Мозер.
Гексагональная система координат. Кредит: Институт Кавли
Многие вопросы остаются без ответа, и исследователи Кавли не намерены прекращать исследования в ближайшее время.
«Мы уже работаем над несколькими исследованиями, которые дадут новые ответы на вопросы, которые нам не терпится узнать», — сказала Мэй-Бритт Мозер.
Семь долгих лет упорных исследований были вознаграждены бокалом шампанского и публикацией в журнале Nature .
«Наш наставник Пер Андерсен научил нас праздновать наши победы вместе. Мы принесли эту традицию с собой в Институт Кавли», — сказала Мэй-Бритт Мозер.
«Сегодня мы отмечаем не только превосходное исследование, но и хорошее научное сотрудничество. Было приятно работать с такими прекрасными, щедрыми и талантливыми молодыми исследователями, как Рич и Абрахам», — сказала она.