Изучая способность крыс перемещаться по знакомой территории, ученые Джона Хопкинса обнаружили, что одна конкретная структура мозга использует запомненную пространственную информацию, чтобы представить маршруты, по которым крысы затем следуют. Их открытие имеет значение для понимания того, почему повреждение этой структуры, называемой гиппокампом, нарушает определенные типы памяти и обучения у людей с болезнью Альцгеймера и возрастным когнитивным снижением. А поскольку эти ментальные траектории определяют поведение крыс, разработанная учеными исследовательская модель может быть полезна в будущих исследованиях более высокоуровневых задач, таких как принятие решений.
Подробности их работы планируется опубликовать 17 апреля в журнале Nature.
"Впервые мы полагаем, что у нас есть доказательства того, что, прежде чем крыса вернется в важное место, она на самом деле планирует свой путь," говорит Дэвид Фостер, доктор философии.D., доцент кафедры неврологии Медицинского факультета Университета Джона Хопкинса. "Крыса мысленно находит это место и знает, как туда добраться."
Фостер и его команда обнаружили, что, по крайней мере, для целей навигации, "мысленный взор" расположен в гиппокампе, который состоит из двух сегментов в форме банана под корой головного мозга с обеих сторон головного мозга. Он наиболее известен тем, что создает воспоминания. У людей с болезнью Альцгеймера это одна из первых частей мозга, которая получает повреждение.
Эксперименты лаборатории Фостера были сосредоточены на группе нейронов в гиппокампе, называемых клетками места, потому что они, как известно, срабатывают, когда животные находятся в заданном месте в заданной среде. По словам Фостера, неизвестно, как и когда мозг использует эту информацию.
Миниатюризируя существующую технологию, Фостер и постдок в его лаборатории Брэд Пфайффер, доктор философии.D., смогли имплантировать по 20 микропроводов в каждую сторону гиппокампа четырех крыс. Крошечные провода позволяют им регистрировать электрическую активность до 250 отдельных ячеек одновременно, что больше, чем когда-либо ранее.
В течение двухнедельного периода обучения крысы знакомились с испытательной зоной, которая была окружена различными объектами, чтобы крысы могли определить, где они находятся по отношению к объектам снаружи. Помещение было 2 квадратных метра с 36 крошечными "тарелки" размещены через равные промежутки в сетке. Одно блюдо за раз будет заполнено наградой для крыс: жидким шоколадом.
В навигационных тестах на крысах участвовало до 40 наборов чередующихся "странный" а также "даже" испытаний в день. Странные испытания требовали от крыс "корм" через арену найти блюдо с шоколадной начинкой в случайном месте; ровные испытания требовали, чтобы крысы каждый раз возвращались в "дом" блюдо, чтобы получить свою награду. Пока крысы выполняли свои задачи, исследователи зафиксировали срабатывание их клеток места.
Они обнаружили, что, когда крыса случайным образом перемещается по коробке, не зная, куда ей нужно идти, различные комбинации ячеек места запускают в каждом месте на своем пути. Один и тот же набор клеток срабатывает каждый раз, когда крыса перемещается по одному и тому же месту. Эти уникальные комбинации обжигов "отметка" каждое пятно в мозгу крысы и может быть реконструировано во что-то вроде виртуальной карты, когда это необходимо.
Когда крыса собирается отправиться в определенное место, e.грамм., "дом," размещать клетки в своем гиппокампе в последовательности, которая создает предсказательный путь, по которому затем следует крыса, что-то вроде того, что Гензель и Гретель следуют по воображаемому следу из хлебных крошек.
Фостер говорит, что "в отличие от тропы из хлебных крошек Гензеля и Гретель, которая позволяет вам уйти только тем же маршрутом, которым вы вошли, воспоминания крыс об их окружении являются гибкими и могут быть восстановлены таким образом, чтобы они могли “ представить ”, как быстро добраться из пункта А в пункт Б." По его словам, для этого крысы должны быть уже знакомы с "местность" между точкой A и точкой B, но, как и в случае с GPS, им не обязательно начинать ранее в точке A с целью достижения точки B.
Фостер говорит, что пожилые люди могут легко заблудиться, а исследования на старых мышах показывают, что их клетки места не могут различать разные среды. Исследования его команды показывают, что дефектные клетки места также могут влиять на способность человека "смотреть вперед" в их воображении, чтобы предсказать дорогу домой. Точно так же, по его словам, функции мозга более высокого порядка, такие как решение проблем, также требуют от людей "смотреть вперед" и представьте себя в другом сценарии.
"Кажется, что гиппокамп направляет движение крыс, принимая за них решения в режиме реального времени," говорит Фостер. "Наша модель позволяет нам увидеть это так, как это было невозможно раньше. Наш следующий вопрос: что будут делать эти клетки места, когда мы создадим препятствия на пути крыс??"