Как животные формируют чувство направления

Исследователи задокументировали активность нейронов, формирующих навигационное направление, во время исследования летучими мышами отдаленного острова у побережья Танзании. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже

Введение

На отдаленном острове в Индийском океане шесть летучих мышей, за которыми внимательно наблюдали, поднялись в звездное небо. Пока они летели над этим семиакровым клочком земли, устройства, имплантированные им в мозг, передавали данные группе сонных нейробиологов, наблюдавших за ними снизу. Исследователи пытались понять, как эти летающие млекопитающие, мозг которых во многом похож на наш, развивают чувство направления при ориентации в новой среде.

В исследовании, опубликованном в журнале Science, сообщается, что летучие мыши использовали сеть клеток головного мозга, которая определяла их ориентацию на острове. Их «внутренний компас» настраивался не на магнитное поле Земли и не на звезды на небе, а на ориентиры, которые формировали мысленную карту окружающей среды животного.

Эти первые в истории эксперименты по картографированию у млекопитающих в естественных условиях подтверждают результаты многолетних лабораторных исследований и поддерживают одну из двух конкурирующих теорий о том, как внутренний нейронный компас привязывается к окружающей среде.

«Теперь мы понимаем основной принцип работы мозга млекопитающих в естественных условиях», — сказал нейробиолог-бихевиорист Пол Дудченко, изучающий пространственную навигацию в Стерлингском университете в Великобритании и не принимавший участия в исследовании. «Об этой статье будут говорить еще 50 лет».

Дополнительные эксперименты, результаты которых еще не опубликованы, показывают, что другие клетки, играющие решающую роль в навигации, кодируют гораздо больше информации в естественных условиях, чем в лабораторных условиях, что подчеркивает необходимость проверки нейробиологических теорий в реальном мире.

Нейробиологи считают, что подобный внутренний компас, состоящий из нейронов, известных как «клетки направления головы», может существовать и в человеческом мозге, хотя их еще не обнаружили. Если их когда-нибудь найдут, этот механизм сможет пролить свет на такие распространенные ощущения, как «потеря ориентации» и быстрое переориентирование. Это даже может объяснить, почему некоторым из нас так трудно ориентироваться на местности.

Чувство направления

Изучение того, как мозг млекопитающих ориентируется в окружающей среде, вызывает большой интерес у ученых уже как минимум полвека. Его исследование привело к открытию «чрезвычайно интересных явлений, некоторые из которых были удостоены Нобелевской премии», — говорит Нантия Сутхана, нейробиолог из Университета Дьюка.

В начале 1970-х годов Джон О'Киф, нейробиолог из Университетского колледжа Лондона, обнаружил в гиппокампе крыс, центре памяти, клетки, реагирующие на определенные места в клетках грызунов. Он назвал их «клетками места». Несколько десятилетий спустя Мэй-Бритт Мозер и Эдвард Мозер из Норвежского университета науки и технологий обнаружили в соседней области мозга клетки, создающие координатную систему для мозга, которые они назвали «сетчатыми клетками». За свои открытия три исследователя были удостоены Нобелевской премии.

Вместе эти два типа клеток могут создать карту окружающей среды животного. Но знания о своем местоположении в пространстве недостаточно, чтобы добраться до другого места. «Вам также необходимо знать, в каком направлении вы смотрите», — говорит Джеффри Таубе, нейробиолог из Дартмутского колледжа. «Вам нужна эта две ключевые части информации. Одна без другой мало чем поможет».

В 1984 году Джим Ранк, нейробиолог из Государственного университета Нью-Йорка в Бруклине, штат Нью-Йорк, исследовал, что происходит, когда информация от нейронов места покидает гиппокамп, и случайно обнаружил так называемые нейроны направления головы. Эти клетки, по-видимому, не обращали внимания на местоположение животного; вместо этого они реагировали на направление, в котором животное было обращено. «Это было очень случайное, но, очевидно, замечательное открытие», — сказал Таубе, который проводил свои постдокторские исследования под руководством Ранка.

За прошедшие годы нейробиологи описали работу нейронов, определяющих направление головы, у грызунов. Эти нейроны получают сигналы из внешнего мира — через то, что мы видим, слышим и осязаем, — а также из внутреннего мира, особенно из вестибулярной системы, сети во внутреннем ухе, которая отслеживает движения головы. Считается, что, двигаясь, животное отслеживает свои перемещения относительно окружающих ориентиров, учится связывать определенные ориентиры с определенными направлениями и использует эту информацию для постоянного обновления своей ментальной карты. Нейробиологи назвали эту систему цепью определения направления головы, или внутренним компасом.

«Это не компас в магнитном смысле, но это компас в абсолютном смысле», — сказал Дудченко. «Что делает компас? Он помогает ориентироваться относительно того, где вы находитесь, где вы стоите или в какой среде находитесь».

Эти клетки, определяющие направление головы, соединены в кольцеобразную систему, называемую кольцевой аттракторной сетью. У млекопитающих эта сеть не представляет собой физическое кольцо (хотя, как ни странно, у плодовых мушек она таковой является), но её можно схематически представить в таком виде. Кольцо всегда активно. Когда животное поворачивается в определённом направлении, некоторые клетки в кольце активируются. Когда животное поворачивается, эти клетки отключаются, а другие непрерывно активируются.

«По мере того, как животное поворачивает голову на 360 градусов, активируется последовательность различных клеток, каждая из которых настроена на определенное направление», — сказал Джеймс Книрим, нейробиолог из Университета Джонса Хопкинса, не принимавший участия в новом исследовании. (Он является соавтором статьи, опубликованной в журнале Science.)

Главный вопрос, по словам Книрима, заключался в том, будут ли эти клетки оставаться верными заданным направлениям, подобно магнитному компасу, в реальном мире, где животные обитают на больших территориях. Предыдущие исследования породили две конкурирующие теории. Гипотеза «глобального компаса» утверждает, что каждая клетка, указывающая направление головы, фиксирует направление во время непрерывной навигации в большой среде: клетка, которая активируется, когда животное смотрит на северо-восток, всегда будет активироваться для северо-востока. Гипотеза «мозаики» предполагает, что клетки, указывающие направление головы, перенастраивают и меняют направление компаса по мере того, как животное перемещается по различным регионам большой среды, так что клетки, указывающие на север в одном регионе, могут представлять восток в другом.

Все исследования по этому вопросу проводились в небольших замкнутых пространствах. Чтобы понять, как на самом деле работает компас, ученым нужно было выйти на улицу.

Естественная лаборатория

Все наши знания о том, что происходит в мозге млекопитающих, когда они ориентируются в окружающей среде, получены в результате лабораторных экспериментов. Но они дают неполное представление. В маленькой коробке на лабораторном столе животное «сразу же видит все, что можно увидеть», — говорит Нахум Улановский, нейробиолог, специализирующийся на поведенческих системах, из Института науки Вейцмана в Израиле. «Это не настоящая навигация в том смысле, в каком вы бы ориентировались в городе».

С другой стороны, гуляя по городу, мы постоянно интегрируем информацию о пространстве и времени, а также из собственных воспоминаний. Нам, конечно, нужна мысленная карта, но мы также должны учитывать влияние окружающей среды: нам нужно избегать велосипедистов, перебегать улицу до того, как загорится красный свет, и переступать через мусор, не сталкиваясь с другими людьми. Нам нужно знать, как добраться из точки А в точку Б, даже если мы никогда там раньше не были. И нам нужно знать, как совершенно разные среды — извилистые тротуары, парк со множеством тропинок, квартира на пятом этаже — связаны друг с другом.

Такую сложную среду трудно смоделировать в лаборатории. Но изучение чувства направления вне лаборатории, в неконтролируемых условиях, может быть еще сложнее. Поэтому, несмотря на ажиотаж вокруг нейронных основ навигации, «ни один из этих нейронов — ни клетки места, ни клетки сетки, ни клетки направления головы — не изучался в реальном мире, на открытом воздухе», — сказал Улановский. «Поэтому у меня много лет была мечта, что мы хотели бы это сделать. Но долгие годы это оставалось мечтой, потому что как вообще к этому подойти?»

В 2016 году его команда построила 200-метровый туннель в Институте Вейцмана и разработала беспроводные системы для записи мозговой активности египетских летучих мышей, когда они пролетали через него. В статье, опубликованной в журнале Science, команда сообщила, что нейроны места вели себя в туннелях иначе, чем в лаборатории — это намек на то, что более сложная экспериментальная среда станет ключом к истинному пониманию навигации млекопитающих.

Но туннель все еще был слишком тесным для Улановского. Он хотел создать условия, более приближенные к реальному миру. Ответ пришел к нему в 2018 году, когда он занимался дайвингом на Большом Барьерном рифе в Австралии. «Находясь там на острове, меня осенило, что это решение», — вспоминал он. «Предположим, я найду где-нибудь в мире остров», который можно использовать в качестве экспериментальной лаборатории.

Он искал остров, расположенный далеко от суши (чтобы его летучие мыши не могли сбежать и создать экологические проблемы), не слишком большой и не слишком маленький. Он должен был быть необитаем и в основном бесплодным (чтобы летучие мыши не прятались в высоких деревьях), и не должен был быть заповедником (во избежание проблем с получением разрешений). «Сочетание этих факторов довольно редкое», — сказал Улановский. Его команда сосредоточила внимание на 30 или 40 островах по всему миру, которые могли бы подойти. Только один из них находился в ареале обитания египетских плодоядных летучих мышей, которых они изучают: остров Латам в Индийском океане в 25 милях к востоку от Танзании.

Остров Латам, участок земли размером примерно с четыре футбольных поля, был достаточно мал, чтобы исследователи могли содержать и отслеживать летучих мышей, и достаточно велик, чтобы летучие мыши не могли видеть от одного конца острова до другого.

Команда Улановского была готова наблюдать за тем, как летучие мыши учатся ориентироваться в сложной среде обитания, более похожей на ту, в которой они эволюционировали. Они имплантировали микропровода толщиной в несколько микрометров каждый в мозг шести египетских плодоядных летучих мышей для регистрации нейронной активности; провода были подключены к регистратору данных, который сохранял эти данные. Летучих мышей доставили на остров на лодке вместе со всем необходимым для их проживания в течение нескольких недель, включая палатки, стулья, столы, генераторы и холодильники. Летучих мышей выпускали, обычно ночью, и отслеживали их местоположение во время полета над островом. В конце каждой ночи исследователи снова ловили летучих мышей, чтобы загрузить данные об активности клеток, определяющих направление головы, и других клеток, участвующих в навигации. К концу экспериментов, проведенных в течение двух сезонов в 2023 и 2024 годах, исследователи получили данные о 301 полете.

В первые пару ночей, когда летучие мыши начали исследовать остров Латам, их сигнальные клетки, определяющие направление движения головы, срабатывали нерегулярно. Некоторые срабатывали, когда летучие мыши были повернуты в основном на юг, другие — когда они были повернуты в основном на восток, запад или север. Но к пятой или шестой ночи, когда это место стало для них более знакомым, клетки стабилизировались и стали срабатывать скоординированно с точными направлениями, не меняя своего положения в зависимости от того, где животное находилось на острове.

Поскольку они не могли видеть весь остров целиком, их мозг, по-видимому, объединял небольшие части острова в единое целое. Результаты показывают, что гипотеза глобального компаса действительно верна, как и предсказывали некоторые эксперименты. Это логично, поскольку, как сказал Дудченко, «компас должен оставаться компасом. Если вы перейдете в следующую комнату, он все равно должен указывать в нужном направлении».

Как эти клетки привязывались к определенным направлениям? Они не адаптировались к небесным ориентирам; активность мозга летучих мышей оставалась стабильной, когда Луна двигалась по небу и когда Луна и звезды были закрыты облаками. Клетки, определяющие направление головы, также не привязывались к магнитному полю Земли, как предполагали некоторые предварительные эксперименты команды Улановского. Команда выдвигает гипотезу, что летучие мыши привязывались к ориентирам в окружающей среде, таким как береговая линия, палатки экспериментаторов и их насесты. По мере того, как они осваивали новое пространство, ориентиры становились частью их внутренних карт и давали сигнал клеткам, определяющим направление головы, к активации.

Полученные результаты подтвердили многолетнюю лабораторную работу, предполагавшую, как эта система клеток, определяющих направление головы, функционирует в условиях ограниченного пространства. «Вопрос о том, ведут ли себя эти клетки так же в больших естественных условиях, оставался открытым», — сказал Книрим. Он и другие исследователи высоко оценили исследование, зафиксировавшее активность этих клеток в естественных условиях, в гораздо большем и более сложном пространстве, чем то, которое можно было смоделировать в экспериментах. «В этой области нейробиологии ничего подобного просто нет», — сказал он.

За пределами острова

Этот подход, применяемый в реальных условиях, уже приносит свои плоды. В ноябре 2025 года на конференции Общества нейронаук в Сан-Диего Улановский представил предварительные данные, показывающие, что клетки мозга летучих мышей, перемещающихся по острову Латам, кодируют больше информации, чем в лабораторных условиях — например, нейроны места не только регистрируют местоположение летучей мыши, но и активируются в зависимости от скорости её движения.

Эти предварительные результаты «еще убедительнее доказывают необходимость проведения естественных экспериментов», — сказал Дудченко. «Они предполагают новый подход к нейробиологии». Вместо того чтобы разрабатывать эксперименты, контролирующие сложность, нейробиологам следует принять этот подход, добавил он.

Нейробиологи, стремясь выйти за пределы лаборатории, надеются также исследовать мир за пределами крыс и летучих мышей. Если вы хоть немного ориентировались в городе, вы наверняка использовали собственную систему ориентации в пространстве. Книрим вспоминает, как шел по Манхэттену; он думал, что направляется на восток. «Когда я дошел до угла и ожидал увидеть Вторую авеню, а вместо этого увидел Лексингтонскую авеню — вся моя голова, понимаете, мое собственное восприятие мира просто перевернулось», — сказал он. «Я буквально чувствовал это внутри». Когда он понял, что его внутренняя карта искажена, он почувствовал, как она закручивается вокруг него, когда его ментальное пространство догоняло физическое.

О нейронных основах нашего собственного чувства направления известно немного. Клетки, отвечающие за определение направления головы, у людей пока не обнаружены, хотя есть некоторые свидетельства их существования. «У нас такая же структура мозга [как у грызунов и летучих мышей], поэтому не так уж и невероятно предположить, что эти структуры мозга выполняют схожие функции», — сказал Дудченко. Безусловно, наш опыт ориентирования в окружающей среде говорит о том, что у нас есть чувство направления (у некоторых оно выражено сильнее, чем у других).

Отсутствие исследований на людях — это «серьезный пробел, который мы пытаемся заполнить», — сказала Сутхана, нейробиолог из Университета Дьюка. С согласия пациентов с эпилепсией Сутхана и ее команда подключили новое устройство к электродам, уже имплантированным в их мозг для предоперационного мониторинга. Затем она записала активность навигационных клеток у людей, исследующих полуестественную среду — больничную палату и коридор, — чтобы собрать данные о том, как навигационные клетки отслеживают тело и голову во время движения человека. Это было первое подобное исследование, проведенное на людях.

«Перемещение в эти более дикие, естественные условия действительно позволяет нам проверять или находить то, чего мы никогда не увидели бы в лаборатории», — сказала она. Хотя 15 минут блуждания по больничному коридору — это не совсем дикая природа, ее команда работает над достижением цели — регистрации высокоточной активности мозга в еще более сложных условиях. «Может быть, не на отдаленном острове, но кто знает?»

Источник: www.quantamagazine.org