Нобелевская по медицине: звездное небо внутри нашего мозга

Нобелевскую премию присудили трем биологам, которые нашли конкретные нейроны, отвечающие не просто за ориентацию, но и за саму идею пространства. 6 октября 2014 года нобелевский комитет, обманув всех букмекеров, присудил нобелевскую премию по физиологии или медицине Джону О’Кифи, а также супругам Мэй-Брит и Эдварту Мозер за открытие системы навигации в мозге млекопитающих.

Помимо медицинских обещаний, эти открытия несут в себе целую философию – как вообще работает мозг. Но начинался этот разговор с экзотического вопроса: «Как крысы думают о геометрии своих нор?».  В нейронауке на рубеже 50-х и 60-х гг. ХХ века на эту тему завязался острый спор.

Бихевиористы, пытаясь влезть в крысиную шкуру, думали так: «Хм… вот угол… за ним – чуть светлее, и раз так – то движемся вперед, там дальше было что-то хорошее… да-да, точно - за тем камнем (не удариться мордой) посмотреть… ага, как и в прошлый раз, оттуда тянет свежим воздухом – значит тут и есть выход из норы». То есть животное ориентируется в пространстве благодаря постоянной подпитке внешней информацией, выучивает и хранит в памяти цепочки, каскады внешних стимулов и ожидаемых за ними результатов (и получают в итоге выход/еду/секс).

С ними спорили романтически настроенные биологи, которые смотрели на работу мозга глазами Эммануила Канта. Кант предполагал, что, помимо пресловутого нравственного закона, внутри нас существуют некие изначальные, врожденные представления об устройстве мира; знания и способности, независимые от личного опыта. Звездное небо над головой из известной цитаты – не только для красоты. Кант имел в виду, что, подобно тому, как во внешнем мире есть незыблемая система координат (для навигации в пространстве), внутри нас есть некая прошивка – для навигации этической. Но не только этической: одним из таких прошитых ментальных инструментов Кант считал представление о пространстве.

Например, для крысы  это – сама идея двумерной плоскости, на которую должен ложиться личный опыт ползания по этой плоскости. В этой версии, крыса должна думать так: «Вот угол; слева и справа от него может быть всякое, но я помню, что смотреть надо налево – да, как и в прошлый раз именно слева – светлее; и дальше был камень, примерно на расстоянии трех моих корпусов, пока не вижу, но иду дальше – ага, вот он; обогнуть его слева или справа – неважно, важно поймать струю свежего воздуха, и идти на нее – там будет выход».

Услышать нейроны

Самое интересное началось, когда появилась техническая возможность «подслушать», о чем говорят нейроны. Тридцатилетний американец по имени Джон О'Кифи, еще не знавший, что из-за этой работы застрянет в Лондоне на всю жизнь (у него до сих пор двойное гражданство, ха-ха), не был первым, кто научился читать сигнал с отдельных нейронов; но он был первым, кто стал делать это, предоставив крысе полную свободу естественных перемещений, вместо того чтобы, как делали бихевиористы, зажимать ее в тиски и показывать искусственные картинки. В 1971 году Джон О'Кифи опубликовал работу, за которую сегодня и получил премию. Он установил, что в главном центре долгосрочной памяти (гиппокампе, от греч. «морской конек», из-за внешней формы этого участка мозга) есть особая группа нейронов. Каждый раз, когда крыса оказывается в определенной зоне вольера, «зажигается» конкретная комбинация нейронов; а когда в другой – другая комбинация этих же нейронов. Это очень непохоже на ситуацию, когда мозг просто пассивно реагирует на внешние стимулы и запоминает их цепочки. О'Кифи назвал их «нейроны места»; позже он выяснил, что эти внутренние «созвездия» приобретаются с опытом, и хорошо закрепляются. Вывод: в памяти под действием опыта создается карта местности, причем конкретная комбинация нейронов запоминает конкретный участок.

 “Нейроны места” отвечают за узнавание уникального набора предметов вокруг

Нейроны места

Но этого открытия было бы недостаточно для полного торжества кантианства. Когда О’Кифи гонял своих крыс по вольеру, обоим со-получателям его премии (и будущим ученикам) было по 8 лет; и они гоняли крыс просто на ферме. Эдварт и Мэй-Брит Мозерс выросли на соседних малонаселенных норвежских островах, в семьях обычных крестьян. Нравы на острове были настолько патриархальны, что когда Мэй-Брит сообщила матери, что попробовала пиво в баре в ближайшем городке, та сокрушенно ответила: «Так, что дальше?»

Дальше была учеба в университете, знакомство с мужем и главным сотрудником; а еще фанатичная борьба за право учиться в хорошей аспирантуре, причем обязательно вдвоем в одном месте. Супруги Мозер освоили технологию О’Кифи в Лондоне, получили подвал и оборудование под свои эксперименты в Трондхайме, и задались целью прозвонить всю цепочку: узнать, где «нейроны места» получают информацию об устройстве пространства. Им повезло: 10 лет назад они нашли группу нейронов в соседнем с гиппокампом участке мозга, которая несет в себе совершенно кантианский образ пространства как такового.

Подобно своему учителю, супруги Мозер сорвали куш потому, что дали животному просто свободно и естественно бродить по большому пространству без ограничений. Тогда они увидели: когда крыса движется,  на каждые несколько сантиметров движения крысы в пространстве, некие нейроны зажигаются, будто отмеряя версты. «Узор получился настолько регулярный, что сначала я решила: мы наблюдаем какой-то сбой в работе оборудования», вспоминает профессор Мэй-Брит Мозер в одном из интервью последних лет. Оказалось, что в мозге крысы любая плоскость – что знакомая, что незнакомая, что освещенная, что в полной темноте -- разбита на правильные шестиугольники, как пчелиные соты.  Рядом с «нейронами места» (открытыми О’Кифи), супруги Мозер нашли «нейроны решетки»: они зажигаются каждый раз, когда зверь попадает в узел соты.

Нейроны решетки зажигаются, когда животное попадает в один из узлов виртуальной гексагональной решетки. Они отвечают за общую ориентацию, измерение отрезков протяженного пространства ("близко-далеко")

И звездное небо внутри

Эта решетка – и есть обещанная Кантом «прошивка»; внутри нас не просто нравственный закон – но «звездное небо», предустановленная система координат. Это интуитивное ожидание, что двумерная плоскость тянется во все стороны, и что на ней можно мерить регулярные промежутки, и с ними соотносить нюансы конкретной местности. «Нейроны решетки» говорят нам, как далеко мы прошли и сколько осталось. Поверх этого знания накладываются узоры «нейронов места», которые говорят, как расставлена мебель тут и там; перерезать связь (пробовали) – и «нейроны места» не выстрелят (наступит полная дезориентация).

"Дворцы памяти"

Подобные нейроны нашли и у человека. При болезни Альцгеймера в первую очередь пропадает пространственная память. «Узнаем как работает, поймем как ломается, научимся и лечить» – эта логика, то есть медицинский потенциал их открытия, дал сегодняшним лауреатам надежный пропуск на декабрьский ужин с королем в Стокгольме. Но на самом деле, их крысы могут интересовать не только врачей, но и всех нас. Дело вот в чем: среди нейробиологов есть довольно популярное поверье, что пространственная память – это фундамент памяти вообще. Еще древние греки умели строить мысленные «дворцы памяти» (сегодня об этом методе знают спецслужбы и авторы сериала «Шерлок» с Камбербэтчем): для облегчения запоминания, располагать факты в мысленно выстраиваемом дворце с большим количеством комнат, шкафов и ящичков. И если мы научимся управлять нейронными сетями, которые сегодня все газеты назвали "мозговым gps" – возможно мы получим неограниченный доступ к чтению, стиранию и наполнению вообще любой памяти.

Подробнее о нобелевских премиях-2014 читайте в The New Times № 33, который выйдет 13.10.2014 года.