Серия экспериментов с иммерсивной виртуальной реальностью подтвердила, что внутренняя навигационная система человеческого мозга работает таким же образом, как и система ячеек сетки, специализированная нейронная сеть, обнаруженная у крыс всего 10 лет назад, которая с тех пор была обнаружена в ряде других млекопитающие, включая мышей, летучих мышей и обезьян.
Эксперименты проводились исследовательской группой во главе с Тимоти Макнамарой, профессором психологии Университета Вандербильта, и описаны в выпуске журнала Current Biology от 29 июня.
Вопросы о способности мозга ориентироваться долгое время занимали философов и ученых. Например, философ 18 века Иммануил Кант утверждал, что восприятие места является врожденной способностью, независимой от опыта. В 1948 году американский психолог-экспериментатор Эдвард Толмен предположил, что мозг должен поддерживать отображение своего окружения в виде карты.
Но только в 1970-х годах английский ученый Джон О’Киф обнаружил, где это изображение в виде карты было спрятано в мозгу, когда он обнаружил существование «клеток места» в гиппокампе.
Клетки места — это специализированные нейроны, которые становятся активными всякий раз, когда свободно бродящая крыса достигает определенного места в своей среде. Поскольку клетки разных мест становятся активными, когда животное находится в разных местах, большое количество этих клеток может обеспечить основу пространственного представления, предложенного Толменом.
В 2005 году группа норвежских ученых во главе с Эдвардом и Мэй-Бритт Мозер обнаружила, что клетки места были лишь частью более сложной системы, которая не только служит основой пространственной памяти, но и дает людям их базовые навигационные чувства. Он называется сетчатой клеточной системой и расположен в узкой полосе ткани на дне головного мозга, называемой энторинальной корой.
ЭК действует как главный интерфейс между гиппокампом и неокортексом.
Прослеживая связи между локальными клетками в гиппокампе и ЭК и перемещая своих крыс из маленьких клеток в более крупные, Мозеры обнаружили набор нейронов с удивительной схемой возбуждения. Вместо того, чтобы становиться активными в одном месте, например в ячейках мест, они становились активными в нескольких местах. Когда крысам разрешили исследовать эти большие вольеры в течение продолжительных периодов времени, стало очевидно, что места, в которых была активна конкретная ячейка сетки, образовывали замечательно регулярный сетчатый узор, похожий на соты.
В результате они были названы ячейками сетки.
В 2014 году О’Киф и Мозеры получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине за свои открытия.
Поскольку клетки сетки были идентифицированы у животных, исследователи нашли косвенные доказательства того, что у людей есть похожая система навигации.
Например, прямые записи нервной активности в головном мозге пациентов с эпилепсией во время предоперационных исследований обнаружили доказательства наличия местоподобных клеток в гиппокампе и сетчатых клеток в ЭК. Однако другие эксперименты, которые показали, что люди с повреждением гиппокампа и ЭК могут сохранять чувство направления с завязанными глазами, подняли вопросы о том, в какой степени люди зависят от этой части мозга при навигации.
Макнамара и его сотрудники — докторанты Вандербильта Сяоли Чен и Цилян Хе, Джонатан Келли из Университета штата Айова и Ила Фите из Техасского университета в Остине — заинтересовались серией экспериментов, в которых исследователи зафиксировали, как клетка крысы система реагирует на изменение размера корпуса. Исследователи, проводившие эксперименты, обнаружили, что расстояние между сетками увеличивалось, когда корпус был увеличен, и уменьшался, когда корпус уменьшался.
Активность отдельных ячеек сетки не определяет сами по себе конкретные места. Но семь лет назад Фите математически показал, что паттерны активности наборов ячеек сетки могут быть переведены в уникальные пространственные положения.
Макнамара понял, что они могут провести аналогичные эксперименты с участниками-людьми, используя иммерсивную виртуальную реальность, и применить модель Фите, чтобы увидеть, работает ли человеческая навигационная система таким же образом, как и система ячеек сетки.
В частности, исследователи создали виртуальные вольеры разных размеров, попросили участников пройти к ряду указателей пути (цветные столбцы света, которые появляются по одному и исчезают, когда участник приближается к ним), затемняют их обзор, просят их найти свой путь прямо к первому маркеру и записал, насколько близко они подошли к его положению. Первые несколько испытаний проводились в корпусе того же размера.
Однако в последнем испытании они изменили один из параметров на целых 40 процентов.
«В большинстве случаев участники даже не замечают, что размер вольера изменился», — сказал Макнамара. "Но когда он действительно меняется, позиции, в которых они останавливаются, находятся значительно дальше от цели, чем они были, когда ограждение остается прежним. Когда корпус увеличивается в размере, они имеют тенденцию к недоработке, а когда он уменьшается, они имеют тенденцию к превышению."
Суммы, которые участники недооценили и недооценили, в значительной степени соответствовали тому, что предсказывали исследования с крысами и модель Фите, если бы люди руководствовались системой ячеек сетки, которая была зафиксирована размерами исходного вольера.
«Мы до сих пор не можем с уверенностью сказать, что люди используют систему ячеек сетки для навигации», — сказал Макнамара. "Но мы можем сказать, что если люди используют другую систему, кажется, что она ведет себя точно так же."