Нейронный 3D-компас обнаружен в мозге млекопитающих

Учёные из Института Вейцмана впервые продемонстрировали существование трёхмерного (3D) нейронного компаса в мозге млекопитающих. Исследование, опубликованное в Nature 3 декабря, показало, что в мозге летучих мышей есть нейроны, определяющие ориентацию головы в пространстве, что поддерживает навигацию в 3D.

Ключевые компоненты системы навигации

Навигация опирается на пространственную память, которая формируется в гиппокампальной формации. Три типа клеток составляют основу этой системы:

• Клетки места и решётки — действуют как GPS, отслеживая позицию.
• Клетки направления головы — действуют как компас, активируясь, когда голова направлена в определённую сторону.

До недавнего времени клетки направления головы изучались только в двухмерных (2D) условиях у крыс; об их работе в 3D было мало известно.

Эксперимент с летучими мышами

Для изучения 3D-направления учёные разработали систему отслеживания, которая видеомониторила все три угла поворота головы (рыскание, тангаж и крен) у свободно перемещающихся египетских летучих мышей. Одновременно активность нейронов регистрировалась с помощью имплантированных микроэлектродов.

Записи показали, что в определённой субобласти гиппокампальной формации нейроны настроены на конкретный 3D-угол: они активировались только тогда, когда голова животного была ориентирована именно так.

Отдельное кодирование горизонтали и вертикали

Исследование впервые показало, как мозг вычисляет чувство вертикального направления, интегрируя его с горизонтальным. Оказалось, что в нейронном компасе эти направления вычисляются отдельно:

• 2D-клетки в одной области реагировали на ориентацию относительно горизонтальной поверхности.
• 3D-клетки в другой области реагировали на вертикальную компоненту движения.

Учёные полагают, что 2D-клетки могут служить для перемещения по поверхностям (как вождение автомобиля), а 3D-клетки — для сложных манёвров в пространстве (лазанье по ветвям, перемещение по многоэтажкам, пилотирование).

Эффективная система координат

Эксперименты с мышами, висящими вниз головой, показали, что вычисления сигналов направления головы происходят с помощью исключительно эффективной системы математических координат («тороидальной»). Благодаря этому мозг позволяет эффективно ориентироваться в пространстве как в положении головой вверх, так и вниз.

Значение для других видов

Хотя исследование проводилось на летучих мышах, учёные считают, что его результаты применимы и к другим млекопитающим, включая прыгающих по деревьям белок, обезьян и людей. Как отмечает в сопроводительной статье в Nature профессор Май-Бритт Мозер, лауреат Нобелевской премии 2014 года: «Теперь этот план может быть применён к другим видам, которые воспринимают 3D в более ограниченном смысле».