Кольцо нейронов в зрительном бугре реагирует на повороты головы, определяя её направление.

Нейроны, которые отвечают за ориентацию в пространстве, открыли достаточно давно, и за них даже успели дать Нобелевскую премию. Часть нейронов навигации в прямом смысле работают картографами – они хранят карты конкретных мест. Другие нейроны по очереди возбуждаются, пока индивидуум передвигается в пространстве, – то есть они отмечают участки территории. Их особенность в том, что включаются такие нейроны по особой схеме, разбивая пространство на шестиугольные фрагменты, делая его похожим на огромную решётку. Нейроны решётки чем-то похожи на GPS-систему. О каком компасе в таком случае речь?

Расположение таламуса, или зрительного бугра, в мозге человека. (Иллюстрация: decade3d / Depositphotos) 

Кольцо-«компас», вид сбоку. Синие точки – нейроны, работающие во время бодрствования, жёлтыми – во время сна. (Фото: Ila Fiete / MIT)

Мы всегда знаем, где у нас право, где лево, в какую сторону повёрнута голова, в какую сторону мы идём. Если мы смотрим на настоящий компас, то с ним всё понятно: стрелка отклоняется туда или сюда, и мы понимаем, что идём на северо-запад, или северо-восток или куда ещё. Но если мы имеем дело с мозгом, то, очевидно, тут нужно следить за активностью нейронов: когда мы поворачиваем голову, то одни нейроны включаются, а другие выключаются. Эти нейроны выполняют иную работу, нежели нейроны решётки и нейроны-картографы, и известно, что располагаются они в зрительном бугре, или таламусе, точнее, в той его части, которая называется антеродорсальным (то есть переднеспинным) таламическим ядром. Таламус служит сенсорным хабом – к нему стекаются нейронные сигналы от всех органов чувств, кроме обоняния, так что естественно, что в нём находится и нейронный «компас», определяющий направление головы.

Исследователи из Техасского университета в Остине и Массачусетского технологического института записали активность множества нейронов антеродорсального ядра в мозге мыши, пока сама мышь свободно бегала. Работу тех нейронов, которые реагировали на повороты головы, потом анализировали с помощью топологических методов. В статье в Nature Neuroscience говорится, что несколько тысячи таких клеток образуют изогнутую кольцеобразную структуру. (Похожее кольцо раньше открыли в мозге дрозофилы.) Разнородные сведения, которые поступают в мозг извне, это кольцо преобразует в информацию о том, в каком направлении  голова – поворот головы соответствует включению нейронов в том или другом сегменте кольца. Причём если какой-то нейрон ошибётся, его исправят соседи, то есть активность нервных клеток притягивается к определённой траектории, как в математических аттракторах.

Даже во сне, когда нейроны почти отключены от внешнего мира, «компас»-кольцо всё равно работало – скорее всего, потому, что даже во сне голова всё равно куда-то направлена, и компас это направление всё равно чувствует. Правда, во сне форма и размеры кольца менялись – другое число клеток анализировало положение головы, и опирались на информацию иного рода, чем во время бодрствования.

В данном случае важно не только то, что удалось обнаружить «компас», но и то, что исследователям впервые удалось увидеть нейронную систему, которая преобразует множество конкретных фактов в достаточно абстрактную информацию – как абстрактное направление головы получается из конкретных раздражителей, действующих на органы чувств. Возможно, что и другие когнитивные процессы, опирающиеся на обобщения, выполняются в похожих нейронных структурах, которые, впрочем, могут иметь самую разную форму.