Есть две стратегии, с помощью которых люди и животные ориентируются и ориентируются. Один из них включает определение мест, расстояний и направлений в «аллоцентрических» или других центрированных системах отсчета, уходящих корнями во внешний мир. Другая стратегия включает в себя «эгоцентрические» системы координат, сосредоточенные на самом себе.
Всякий раз, когда вы используете приложение для мобильного телефона для поиска маршрута, оно, скорее всего, будет использовать оба этих режима навигации.
Когда вы впервые вводите адрес, он обычно показывает вам адрес на карте с аллоцентрической точки зрения, с «севером» вверху и «югом» внизу. Когда вы затем перейдете к обзору маршрута, он переключится на эгоцентрическую перспективу, где «впереди» находится вверху, а «позади» – внизу.
Ученые впервые обнаружили у крыс клетки мозга, связанные с аллоцентрическими системами отсчета, в 1971 году – «клетки места», которые могут, например, указывать на то, что одна из них находится в северо-восточном углу области. Другие типы аллоцентрических пространственных ячеек включают ячейки направления головы, которые могут активироваться всякий раз, когда человек движется на юг, или пограничные ячейки, которые могут реагировать, когда граница расположена на западе.
В последнее десятилетие исследователи начали изучать, как мозг крысы отображает эгоцентрические системы координат. Два года назад ученые из Дартмутского колледжа в Ганновере, штат Нью-Гэмпшир, определили у крыс область мозга, называемую постринальной корой, в которой много эгоцентрически настроенных клеток. Однако оставалось малоизученным, какие клетки мозга составляют основу эгоцентрических пространственных карт у людей.
«У людей очень редко возможно напрямую регистрировать активность отдельных нейронов мозга по этическим причинам», – сказал Лукас Кунц, научный сотрудник кафедры биомедицинской инженерии Колумбийского университета и первый автор нового исследования. «Существуют такие методы, как фМРТ или ЭЭГ, которые позволяют нам косвенно измерять нейронную активность здорового человеческого мозга, но эта нейронная активность отражает суммарную активность миллионов нейронов, что не позволяет делать прямые выводы о принципах работы отдельных нейронов."
В новом исследовании нейробиологи из США и Германии исследовали 15 пациентов с эпилепсией в Медицинском центре Университета Фрайбурга в Германии.
Этим добровольцам имплантировали электроды, чтобы помочь врачам контролировать их заболевание.
Исследователи попросили добровольцев выполнить компьютерные задачи, которые исследовали их способность перемещаться по виртуальным средам и запоминать, где там находилось множество различных объектов. В то же время ученые зафиксировали активность более 1400 отдельных нейронов в нескольких областях мозга у всех участников.
Ученые идентифицировали более 160 нейронов, которые вели себя как эгоцентрические пространственные типы клеток, активируясь, когда определенные части виртуальной среды были впереди, позади, слева или справа от пациентов, или когда точки в пространстве были близко или далеко. вдали от пациентов.
«Теперь мы первые, кто сообщил о типах эгоцентрических пространственных клеток у людей», – сказал Кунц.
Ученые опубликовали свое исследование «Нейронный код для эгоцентрических пространственных карт в средней височной доле человека» в журнале Neuron 14 июля 2021 года.
Эти «эгоцентрические несущие клетки», вероятно, кодируют пространственную информацию на ментальной карте, сосредоточенной на каждом человеке. «Это, по-видимому, важно для повседневной жизни, когда люди пытаются ориентироваться в окружающей среде и когда они перемещаются по маршрутам», – сказал Джошуа Джейкобс, доцент кафедры биомедицинской инженерии в Columbia Engineering и старший автор исследования.
Этих эгоцентрических несущих клеток было особенно много в коре головного мозга парагиппокампа, области, расположенной глубоко внутри мозга, которая, как предполагали предыдущие исследования, является человеческим эквивалентом постринальной коры грызунов.
Эгоцентрические несущие клетки составляют около 25% всех нейронов в коре парагиппокампа. «Предыдущие исследования показали, что пациенты с повреждением этой области мозга дезориентированы, предположительно из-за того, что были затронуты их эгоцентрические несущие клетки», – сказал Кунц.
Исследователи также обнаружили, что эти эгоцентрические несущие клетки проявляли повышенную активность, когда пациенты использовали свою память, чтобы успешно вспомнить местоположения объектов, которые они нашли в виртуальной среде. «Это говорит о том, что эти клетки важны не только для навигации, но и играют роль в правильном запоминании прошлого опыта», – сказал Кунц.
«Воспоминания состоят из множества различных элементов, таких как конкретное событие, место, где оно произошло, и время, когда оно произошло», – сказал Кунц. "Мы считаем, что для разных компонентов этих воспоминаний существуют разные нейронные системы. Эгоцентрические несущие клетки, по-видимому, особенно вовлечены в обработку пространственной информации воспоминаний."
Эти результаты могут пролить свет на то, что может пойти не так у людей с дефицитом памяти, включая пациентов с нейродегенеративными заболеваниями, такими как болезнь Альцгеймера. «Их эгоцентрические несущие клетки могут работать неправильно или могут быть разрушены по какой-то причине, например, инсультом, опухолью мозга или слабоумием», – сказал Джейкобс.
Эти новые открытия не дают ответа на вопрос, как можно бороться с такими нарушениями памяти. «Еще предстоит провести много исследований, прежде чем можно будет успешно вылечить нарушения памяти», – предупредил Кунц.
В будущем исследователи хотят понять, почему именно любая данная эгоцентрическая несущая клетка настроена на ту точку пространства, на которой она сосредоточена. В настоящее время Кунц и его коллеги предполагают, что несколько различных пространственных ориентиров, таких как объекты, пространственные границы и ориентиры, объединяются, чтобы влиять на положение этих опорных точек.
Ученые могут исследовать влияние этих сигналов на расположение этих контрольных точек, удаляя эти сигналы из окружающей среды во время экспериментов.
«Другой важный вопрос заключается в том, как эгоцентрические несущие клетки взаимодействуют с аллоцентрическими пространственными типами клеток», – сказал Кунц. "В настоящее время мы предполагаем, что эгоцентрические несущие клетки вносят важный вклад в аллоцентрические пространственные типы клеток. Понимая это, будущие исследования могут объяснить, как на настройку аллоцентрических пространственных типов клеток влияет функционирование эгоцентрических несущих клеток."