Нейронаука крошечных птиц с феноменальной памятью

Черношапочные гаички обладают невероятной способностью запоминать, где они спрятали пищу. Они также малы, быстры и умеют летать.

Как же нейробиологу, изучающему их память, проводить исследования их мозга? Дмитрий Аронов, доктор философии, нейробиолог из Института разума, мозга и поведения Цукермана при Колумбийском университете, недавно посетил Университет Дьюка, чтобы рассказать о памяти гаичек и практических аспектах изучения диких птиц в лаборатории.

Черношапочные гаички, как и многие другие виды птиц, часто прячут пищу в укрытиях, например, в трещинах деревьев. Это поведение называется запасанием (caching), и способность спрятать пищу в десятках мест, а затем найти её позже, представляет собой впечатляющий подвиг памяти. «Птица не может переживать это событие снова и снова», — говорит Аронов. Она должна мгновенно сформировать память во время запасания пищи — процесс, который опирается на эпизодическую память. Эпизодическая память предполагает вспоминание конкретных переживаний из прошлого, и черношапочные гаички — «чемпионы по эпизодической памяти».

Им нужно запомнить не только местонахождение спрятанной пищи, но и другие особенности каждого тайника, и часто у них есть всего мгновения, чтобы запомнить всю эту информацию, прежде чем двигаться дальше. По словам Аронова, известно, что отдельные птицы могут запасать до 5000 единиц пищи в день! Но как они это делают?

Гаички, как и люди, полагаются на гиппокамп мозга для формирования эпизодических воспоминаний, и гиппокамп значительно больше у птиц, запасающих пищу, чем у птиц схожего размера, которые не известны таким поведением. Аронов и его команда хотели исследовать, как нейронная активность отражает формирование и извлечение эпизодических воспоминаний у черношапочных гаичек.

Шаг первый: найти творческий способ изучения запасания пищи в лабораторных условиях. Марисса Апплегейт, аспирант в лаборатории Аронова, помогла разработать арену для запасания, «оптимизированную с точки зрения эргономики гаичек», — говорит Аронов. Арены включали щели, прикрытые непрозрачными створками, которые гаички могли открывать пальцами или клювом и прятать туда пищу. Гаичкам не требовалось специальной тренировки, чтобы запасать пищу на арене, говорит Аронов. Они естественным образом исследуют щели и прячут туда излишки пищи.

Как только створка закрывалась над спрятанным кусочком пищи (семечкой подсолнечника), птица больше не могла видеть, что внутри, — но дно каждой щели было прозрачным, и камера, направленная на арену снизу, позволяла учёным точно видеть, куда птицы прячут семена. Тем временем микро-драйв, прикреплённый к крошечным головам птиц и соединённый с кабелем, позволял в реальном времени отслеживать активность их мозга вплоть до уровня отдельных нейронов.

В ходе серии экспериментов Аронов и его команда обнаружили, что «акт запасания оказывает глубокое влияние на активность гиппокампа»: одни нейроны становились более активными во время запасания, а другие подавлялись. Около 35% нейронов, активных во время запасания, стабильно либо усиливали, либо подавляли свою активность во время этого процесса — независимо от того, к какому месту подлетала птица. Но оставшиеся 65% вариативности были специфичны для конкретного места: «каждый тайник представлен уникальным рисунком этой избыточной активности в гиппокампе». Этот паттерн остаётся верным, даже когда два места находятся всего в пяти сантиметрах друг от друга — достаточно близко, чтобы птица могла дотянуться от одного до другого.

Гаички могли прятать пищу в любом из мест для извлечения в будущем. Период задержки между фазой запасания (когда гаички могли хранить излишки пищи в тайниках) и фазой извлечения (когда гаичек снова помещали на арену и позволяли забрать ранее спрятанную пищу) составлял от нескольких минут до часа. Когда птица возвращалась к тайнику, чтобы забрать пищу, тот же самый штрихкодоподобный паттерн нейронной активности вновь появлялся в её мозге. Этот паттерн «представляет собой конкретный опыт в жизни птицы», который затем «реактивируется» в более позднее время.

Аронов сказал, что помимо запасания и извлечения пищи, птицы часто «проверяют» места тайников как до, так и после хранения в них пищи. Конечно, как только птица открывает одну из створок, она видит, есть ли внутри пища. Поэтому измерение активности мозга птицы после того, как она подняла створку, не позволяет определить, вызваны ли изменения в активности мозга при проверке места памятью или просто зрением. Поэтому исследователи специально изучили нейронную активность в момент, когда птица впервые касалась створки — до того, как у неё было время открыть её и увидеть содержимое. Оказалось, что эта мозговая активность начинает меняться за сотни миллисекунд до того, как птица фактически может увидеть пищу, — это открытие является убедительным доказательством работы памяти.

А что насчёт случаев, когда гаички проверяли пустые тайники? Они совершали ошибку памяти или намеренно проверяли пустое место — даже зная, что оно пустое — по своим собственным загадочным причинам? В каждом конкретном случае это невозможно узнать, но «статистически, мы должны привлечь память, чтобы объяснить их поведение», — сказал он.

Одного момента запасания, по словам Аронова, достаточно, чтобы создать новый, устойчивый и специфичный для места паттерн. Последствия этого поразительны. Гаички могут хранить тысячи моментов в тысячах мест, а затем извлекать эти воспоминания по желанию, когда им нужна дополнительная пища.

До сих пор неясно, как работает процесс извлечения. Из исследования Аронова мы знаем, что гаички могут реактивировать специфичные для места паттерны мозговой активности, когда видят один из своих тайников (даже когда ещё не видят, что внутри). Но, допустим, гаичка спрятала семечко в коре конкретного дерева. Нужно ли ей видеть это дерево, чтобы вспомнить свой тайник там? Или она может заниматься своими делами на другом краю леса, внезапно решить, что хочет семечко, и затем визуализировать местонахождение своего ближайшего тайника, фактически не находясь там? Учёные не уверены.