Заглянув в мозг летучей мыши, вы обнаружите ключи к навигации млекопитающих

Подъезжая к оживленному перекрестку, вы, вероятно, обращаете больше внимания на то, где вы будете в ближайшем будущем, чем на то, где вы находитесь в данный момент. В конце концов, знание того, когда вы прибудете на перекресток – и нужно ли вам остановиться или притормозить, чтобы избежать столкновения с проезжающим автомобилем, пешеходом или велосипедистом – обычно гораздо важнее, чем знание вашего текущего местоположения.

Эта способность сосредотачиваться на том, где мы будем в ближайшем будущем, а не на том, где мы находимся в настоящее время, может быть ключевой характеристикой встроенной навигационной системы мозга млекопитающих, предполагает новое исследование, появившееся в Интернете в четверг, 8 июля. , в журнале Science .

Нейробиологи из Калифорнийского университета в Беркли по беспроводной связи отслеживали мозговую активность египетских летучих мышей, когда они летали через специальную комнату полета. Когда исследователи сравнили траекторию полета летучих мышей с их нейронными показаниями, они обнаружили, что активность «клеток места» летучих мышей – особого типа нейронов, отвечающих за кодирование пространственного положения животного – часто более тесно коррелировала с тем, где находится летучие мыши будут в ближайшем будущем, а не там, где они были в данный момент.

«Мы хотели выяснить: работает ли нейронная активность в настоящий момент лучше, представляя прошлое или будущее положение, чем фактическое текущее положение? И мы обнаружили, что для некоторых нейронов нейронная активность на самом деле имеет большое значение. лучшая работа по представлению будущей должности », – сказал ведущий автор Николас Дотсон, который проводил исследование в качестве постдокторанта в Калифорнийском университете в Беркли. «Открытие показывает, что нейронная активность в этой области представляет больше, чем текущее положение летучей мыши – она ​​ориентировочно представляет собой полную траекторию полета».

Заглянув в мозг летучей мыши, вы обнаружите ключи к навигации млекопитающих

Клетки места, расположенные в области мозга, называемой гиппокампом, работают вместе, образуя врожденную «систему GPS» для различных наземных животных, включая человека. По мере того, как животное исследует новую среду, клетки разных мест активируются в разных положениях, создавая внутреннюю карту территории, которую можно сохранить и сохранить.

«Если бы у вас был доступ к нейронной активности в моем гиппокампе, пока я ходил по комнате, вы могли бы расшифровать, где я был в комнате, на основе этой нейронной активности», – сказал Дотсон.

Открытие клеток места у грызунов было удостоено Нобелевской премии по физиологии и медицине 2014 года, и многие из основополагающих экспериментов были проведены в 1970-х и 80-х годах. Однако по-прежнему остается ряд вопросов о том, как эта область мозга работает во время быстрого движения и как она работает для представления «нелокальных» положений.

«Поскольку гиппокамп участвует в навигации, было проведено несколько исследований, изучающих кодирование в этой области мозга и спрашивающих: как нейронная активность отражает то, что произойдет в будущем или что произошло в прошлом? И может ли этот мозг регион проявляет активность, которая не отражает то, где мы сейчас находимся, но на самом деле представляет позицию, которая находится далеко? ” сказал старший автор исследования Михаил Ярцев, доцент кафедры нейробиологии и биоинженерии Калифорнийского университета в Беркли.

По словам Ярцева, более ранние эксперименты не дали однозначного ответа на этот вопрос. Вероятно, это связано с тем, что они проводились с использованием относительно медленно движущихся животных, таких как крысы, которые в экспериментальных вольерах будут перемещаться всего на дюйм или два за секунду, а также потому, что при сравнении активности отдельных нейронов с положением животного Со временем сдвиг на долю дюйма не будет иметь большого значения.

Летучие мыши, однако, летают очень быстро.

“Летучие мыши движутся очень, очень быстро. Они летают в лаборатории со скоростью от 30 до 50 километров в час, что является огромным преимуществом, потому что за ту же долю секунды крыса может переместиться на несколько сантиметров, в то время как летучая мышь переместится на несколько метров », – сказал Ярцев.

Для проведения экспериментов Ярцев и Дотсон использовали беспроводные нейронные записывающие устройства, чтобы отслеживать активность мозга летучих мышей, когда они свободно летали по специально построенной комнате, оснащенной камерами для отслеживания точных траекторий полета летучих мышей. В одной серии экспериментов они записывали положение летучих мышей и активность мозга, в то время как люди поощряли животных исследовать полный трехмерный объем комнаты. В другой серии экспериментов летучих мышей оставили наедине с набором автоматических кормушек, расположенных в разных местах комнаты, чтобы заставить летучих мышей летать.

Когда Ярцев и Дотсон сравнили время нейронной активности с траекторией полета летучих мышей, они обнаружили, что при смещении позиций летучих мышей вперед во времени – сравнивая нейронную активность с местами, где летучие мыши будут находиться через несколько сотен миллисекунд, или через секунду – внезапно нейронная активность гораздо сильнее коррелировала с пространственным положением.

«Основываясь на данных, можно предположить, что некоторые нейроны вообще не кодируют пространственную информацию, потому что нет корреляции с положением в нулевой момент времени или в настоящий момент», – сказал Ярцев. «Но если вы сравните их активность с позицией в секунду в будущем, внезапно корреляция станет невероятно резкой».

Полученные данные свидетельствуют о том, что активность клеток места не просто представляет собой отдельное текущее положение, но фактически представляет собой траекторию, которая простирается в ближайшее будущее и в прошлое.

«Мы можем представить, что идем по коридору и представляем, где мы только что были и где мы скоро будем. Как эта деятельность выглядит в мозгу?» – сказал Дотсон. «Наши результаты показывают, что летучие мыши представляют в своем уме не только то, где они находятся, но и то, где они находятся на пути».

Хотя клетки места и основные компоненты этой навигационной системы были идентифицированы у самых разных млекопитающих, пока не ясно, является ли эта способность проецировать путь с точностью до секунды в будущее уникальной для летучих мышей и их быстрой схемы полета, или разделяет более широкий спектр животных. Однако это открытие поднимает ряд интересных вопросов о том, как мы, люди, обрабатываем свое движение во времени и пространстве, сказал Ярцев.

Поскольку гиппокамп также является очагом многих заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера, при которой у человека часто нарушается чувство местоположения и память, открытие этих базовых нейронных вычислений также может дать ученым лучшее понимание нарушений, связанных с заболеванием, и помочь им разработать более эффективные методы. лечения.

«Земным существам, возможно, не нужно проецироваться так далеко в будущее, как летучая мышь, но даже для людей это может варьироваться в зависимости от ситуации. Если вы идете, вы, вероятно, довольны тем, что знаете, что произойдет прямо перед вами. Но когда вы едете, вы хотите знать, что произойдет в трех или более метрах от вас, потому что вы движетесь с очень высокой скоростью », – сказал Ярцев. «Теперь, когда мы знаем, что у летучих мышей есть некоторое нейронное представление о будущем положении, мы можем спросить: каковы общие компоненты у разных животных? И каким образом и в какой степени люди проявляют эту способность?»

Эта работа была поддержана Нью-Йоркским фондом стволовых клеток (NYSCF-RNI40), Управлением научных исследований ВВС (FA9550-17-1-0412), Управлением военно-морских исследований (N00014-21-1-2063), Packard Fellowship (2017-66825), Национальный институт неврологических расстройств и инсульта (R01NS118422-01), Фонд Валле (VS-2020-34) и Программа ученых Сирла (SSP-2016-1412).