Мозок мишей змінює внутрішню навігацію в знайомому середовищі

Внутрішня система навігації мозку змінюється щоразу, коли миші переміщуються знайомим статичним середовищем. Таке відкриття зробили нейробіологи з Північно-Західного університету та Університету Іллінойсу в Урбана-Шампейні. Результати дослідження проливають світло на фундаментальну таємницю того, як мозок обробляє та зберігає просторові спогади, що має значення для розуміння вченими пам'яті, навчання та навіть старіння.

Професор Північно-Західного університету Деніел Домбек заявив, що їхнє дослідження підтверджує нестабільність просторових спогадів у мозку. За його словами, неможливо вказати на одну групу нейронів у мозку та сказати, що саме там зберігається певний спогад. Натомість вчені виявляють, що спогади передаються між нейронами. Один і той самий досвід щоразу залучає різні нейрони. Це не раптова зміна, а повільна еволюція.

Гіпокамп, розташований глибоко в скроневій частці мозку, зберігає спогади, пов'язані з просторовою навігацією. Протягом десятиліть нейробіологи вважали, що одні й ті самі гіпокампальні нейрони кодують спогади про одні й ті самі місця. Таким чином, шлях, яким хтось може пройти зі своєї спальні до кухні, повинен активувати точно ту саму послідовність нейронів під час кожної нічної прогулянки за склянкою води.

Близько десяти років тому вчені зробили знімки мозку мишей, коли тварини бігали лабіринтом. Навіть коли миші день за днем бігали тим самим лабіринтом, під час кожного забігу активувалися різні нейрони. Науковці задавалися питанням, чи не були результати випадковістю. Можливо, досвід гризунів у лабіринті змінювався через відмінності в швидкості, запаху або щось тонке в навколишньому середовищі.

Щоб дослідити ці питання, професор Домбек та колеги розробили експеримент, який дав їм безпрецедентний контроль над сенсорним введенням мишей. Миші бігали віртуальним лабіринтом на біговій доріжці, що забезпечувало точне вимірювання швидкості. Лабіринт представлявся на багатосенсорній системі віртуальної реальності, раніше розробленій командою. Це не лише контролювало те, що бачили тварини, але й конус на носі мишей забезпечував ідентичні запахи для кожної сесії, контролюючи всі можливі змінні навколишнього середовища.

Після проведення експерименту кілька разів результати були чіткими. Навіть у високо відтворюваному віртуальному світі щоразу активувалася різна група нейронів. Це відкриття підтвердило, що просторові карти мозку є внутрішньо динамічними та постійно оновлюються незалежно від того, наскільки статичним може бути простір.

Професор Джейсон Клаймер з Університету Іллінойсу в Урбана-Шампейні зазначив, що ці докази свідчать про плинність спогадів. За його словами, це може бути пов'язано з глибшими питаннями про те, чому мозок може робити речі, з якими сучасний штучний інтелект має труднощі, наприклад, безперервно вивчати нові речі. Це також може відігравати роль у природному забуванні — активному процесі, який часто ігнорують, але який є важливим для здорової функції пам'яті.

Хоча протягом експерименту виникло мало закономірностей, дослідники помітили один послідовний фактор. Найбільш збудливі нейрони, які легше активувалися, підтримували більш стабільні просторові спогади протягом кількох проходжень віртуальним лабіринтом. Оскільки збудливість нейронів зменшується з віком, це відкриття може допомогти вченим зрозуміти роль старіння та хвороб у здатності мозку кодувати нові спогади.

Професор Клаймер пояснив, що невелике ядро стабільних нейронів є особливим, і краще розуміння того, що робить їх особливими, може призвести до нових методів лікування дисфункції пам'яті. Дефіцит пам'яті є характерною ознакою хвороби Альцгеймера та також становить серйозну перешкоду для пацієнтів, які страждають від низки нейропсихіатричних розладів, таких як шизофренія.

Краще розуміння фундаментальних аспектів пам'яті, таких як зміни з часом, про які повідомляється в їхній роботі, забезпечує нові цілі для розуміння відмінностей у мозку цих пацієнтів та нові стратегії лікування. Розуміння того, як мозок вирішує проблему пам'яті, також може багато чому навчити щодо того, як можна покращити комп'ютери та штучний інтелект.

Дослідження показало, що просторові спогади не зберігаються в фіксованих нейронних мережах, як раніше вважалося. Замість цього вони є динамічними та постійно змінюються, навіть коли тварини навігують тим самим знайомим середовищем. Це відкриття кидає виклик традиційним уявленням про те, як мозок зберігає та отримує просторову інформацію.

Використання віртуальної реальності в експерименті дозволило дослідникам створити контрольоване середовище, де всі сенсорні входи були ідентичними між сесіями. Це усунуло можливість того, що зміни в нейронній активності були спричинені варіаціями в навколишньому середовищі або поведінці тварин.

Результати мають важливі наслідки для розуміння нейродегенеративних захворювань. Якщо найбільш збудливі нейрони відіграють ключову роль у підтримці стабільних просторових спогадів, а їхня збудливість зменшується з віком, це може пояснити, чому просторова пам'ять погіршується у літніх людей та пацієнтів з деменцією.

Відкриття також має значення для розробки штучного інтелекту. Розуміння того, як мозок обробляє та зберігає просторову інформацію динамічним способом, може надихнути нові підходи до машинного навчання та навігаційних систем.

Дослідження було опубліковано в журналі Nature двадцять третього липня поточного року. Воно представляє значний крок вперед у розумінні нейронних механізмів просторової пам'яті та може відкрити нові шляхи для лікування розладів пам'яті.