Нобелевская премия по физиологии и медицине 2014 г.: прорыв в понимании нервной деятельности

Понять природу восприятия окружающего пространства пытались и ученые, и философы. Так, Эммануил Кант считал, что некоторые ментальные способности существуют независимо от пережитого опыта, и восприятие собственного месторасположения в пространстве относится к этим ментальным способностям.

Впервые концепцию того, что поведение животных в окружающей среде может определяться картообразным отображением пространства выдвинул американский психолог Эдвард Толмен (Edward Tolman), в 1940-х годах. Он опубликовал ряд статей, в которых сделал предположение, что животные обучаются ориентации в пространстве путем внутренней репрезентацией среды. То есть он предположил, что в мозге формируются объединения нейронов, в которых в виде карты отображается внешнее пространство.

С помощью таких картообразных отображений животные воспринимают внешнюю среду как целостный объект и таким образом ориентируются в пространстве.

Найти научное обоснования данной гипотезы стало возможно спустя несколько десятилетий, с развитием технологий, которые позволили провести необходимые исследования.

Открытие топографических клеток

Д.М. О’Киф в конце 1960-х годов проводил исследование нервной деятельности с использованием технологии, позволяющей фиксировать нейронную активность. В мозг животных вживляли электроды, и ученые фиксировали нервные импульсы при свободном перемещении животных в ограниченном пространстве. Паттерн (схема) импульсов этих нервных клеток (расположенных в гиппокампе) был абсолютно новым и ранее никем не наблюдался. Такие нейроны получили название топографических клеток.

Отдельные топографические клетки активировались, только когда животное находилось в определенной точке среды (рис. 1). Другими словами, в каждой точке пространства в мозгу активны конкретные топографические клетки. Таким образом, активные клетки формировали свой паттерн (схему), которая является картообразной репрезентацией окружающей среды.

Рис. 1

Схематическое изображение топографических клеток

После открытия топографических клеток последовало большое количество экспериментов, на основании которых Дж.М. О’Киф доказал, что импульсы топографических клеток не просто отображают активность в сенсорных нейронах, а представляют собой комплексное отображение пространства.

Отдельные топографические клетки активируются, когда животное находится в той или иной точке пространства. Комбинации активности во многих топографических клетках создает внутреннюю нейронную карту, представляющую отображение внешней среды (O’Keefe J., 1976; O’Keefe J., Conway D.H., 1978).

Эти исследования позволили Д.М. О’Кифу и его коллегам прийти к выводу, что топографические клетки предоставляют мозгу систему координат в пространстве, или чувство пространственной ориентации (O’Keefe J., Nadel L., 1978).

Он продемонстрировал, что в гиппокампе могут содержаться несколько карт, представленных комбинациями активных топографических клеток. Специфические сочетания этих клеток представляют конкретную окружающую среду, в то время как другие комбинации представляют совершенно иную.

Благодаря открытиям Д.М. О’Кифа теория картообразного отображения пространства получила научное обоснование.

В последующих его экспериментах продемонстрировано, что топографические нервные клетки могут также принимать участие в процессе формирования воспоминаний (O’Keefe J., Conway D.H., 1978; O’Keefe J., Speakman A., 1987).

При перемещении в пространстве происходит изменение активности топографических нейронов — перекартирование. Впоследствии новый паттерн активности этих клеток запоминается и хранится продолжительное время (Lever C. et al., 2002). Другими словами, пространство запоминается мозгом в виде комбинаций активных топографических клеток.

Первоначально концепция участия гиппокампа в пространственной ориентации в научном сообществе была встречена с неподдельным скептицизмом. Однако после открытия топографических клеток и проведения большого количества экспериментов, продемонстрировавших формирование внутреннего картообразного отображения пространства, взгляд на проблему изменился.

За открытием Д.М. О’Кифа последовала бурная теоретическая и экспериментальная деятельность по изучению механизма функционирования топографических клеток.

Ключевыми выводами из этих исследований является то, что основная функция этих клеток — создание картообразных отображений пространс­тва, при этом они также в определенных условиях вовлекаются в измерение и оценку расстояний (Ravassard P. et al., 2013).

координатные нейроны

В 1980–1990-х годах научное сообщество считало, что формирование картообразных отображений пространства происходит непосредственно в самом гиппокампе.

М.-Бр. Мозер и Э.И. Мозер, занимавшиеся исследованием гиппокампа, решили узнать, можно ли вызвать импульсы в топографических клетках с помощью активности вне его пределов.

Они исследовали энториальную область коры крыс на предмет наличия клеток, принимающих участие в пространственной ориентации. По результатам первого исследования ученые сообщили, что клетки, выявленные в энториальной области коры, обладают схожими характеристиками с топографическими клетками, расположенными в гипокампе (другие исследователи приходили к аналогичным выводам) (Fyhn M. et al., 2004).

Однако это не стало причиной остановки исследовательской деятельности в этом направлении, и в одном из экспериментов М.-Б. Мозер и Э.И. Мозер открыли новый тип клеток — grid-нейроны (нейроны-решетки или координатные нейроны), которые обладают другими свойствами.

Эти координатные нейроны демонстрировали новый, абсолютно необычный паттерн импульсов. Они активировались одновременно в нескольких местах и формировали узлы расширенной гексагональной решетки (рис. 2), которая напоминает расположение отверстий в ульях пчел.

Рис. 2

Схематическое изображение координационных нейронов

Мозеры выявили, что шаг сеток варьирует, — наиболее крупные находятся в вентральной час­ти кортекса. Помимо этого, они продемонстрировали, что формирование координатных сетей происходит не путем трансформации (преобразования) сенсорных или моторных сигналов, а за счет комплексной сетевой активности.

Формирование гексагональной нейронной сетки ранее не наблюдалось в функционировании каких-либо других областей мозга. М.-Б. Мозер и Э.И. Мозер предположили, что координатные нейроны являются частью системы ориентации в пространстве или системы интеграции сигналов, поступающих в мозг.

Эта система выполняет функцию измерения расстояния до объектов в окружающей среде и участвует в переработке нервных импульсов.

М.-Б. Мозер и Э.И. Мозер продемонстрировали, что координатные нейроны встроены в сеть с другими нервными клетками — клетками направления головы — нейронами, которые активизируются при определенном положении головы; граничными нейронами — активизируются при достижении определенного расстояния животного от стен, а также нейронами со смешанными функциями (рис. 3).

Рис. 3

Схематическое изображение координационных (синий) и топографических (желтый) нейронов

Существование граничных нейронов было теоретически спрогнозировано Д.М. О’Кифом и его коллегами.

М.-Б. Мозер и Э.И. Мозер исследовали взаимодействие нейронов в координатных центрах. Они показали, что координатные клетки организованы и функционируют в виде модулей с различным шагом сетки. Специальное расположение различных видов нейронов необходимо для ориентации в пространстве.

Открытые М.-Б. Мозер и Э.И. Мозер координатные нейроны, пространственная (трехмерная) системы координации и идентификации того, что медиальный энотриальный кортекс является вычислительным центром для представления пространства, является огромным научным прорывом, открывающим принципиально новые горизонты в понимании нейронных механизмов, лежащих в основе пространственных когнитивных функций.

Впоследствии такие системы были выявлены у многих млекопитающих, в том числе и людей. Ученые установили топографическиподобные клетки в гиппокампе (Ekstrom A.D. et al., 2003; Jacobs J. et al., 2010) и координатные клетки в энториальном кортексе людей (Jacobs J. et al., 2013).

Схожесть гиппокампально-энториальной структуры у всех млекопитающих и наличие геппокампподобных структур у других позвоночных (не млекопитающих) вместе со способностью к ориентации в пространстве дает основание предположить, что система топографических-координатных клеток является важнейшей функцией, образовавшейся при эволюции позвоночных.

Практическая значимость открытий

Не вызывает сомнений, что данные открытия представляют собой колоссальный прорыв в понимании механизмов ориентации в пространстве, и связи этой системы с другими видами высшей нервной деятельности, например, формирования воспоминаний.

Так, в 1950-х годах опубликован доклад о пациенте (Генри Молаисон), у которого был хирургически удален гиппокамп при лечении эпилепсии (Scoville W.B., Milner B., 1957). Утрата гиппокампа привела к формированию некоторых нарушений памяти. Так, Г. Молаи­сон помнил все события до удаления этой структуры, однако у него не формировались новые воспоминания, то есть отсутствовала эпизодическая память (Tulving E., Markowitch H.J., 1998). В то же время пока нет прямых свидетельств того, что топографические клетки кодируют эпизодическую память.

Открытие ориентационных центров позволило ученым понять механизм формирования воспоминаний о пространстве. Фиксация нервных импульсов с помощью вживленных в мозг электродов у спящих животных позволила изу­чить процесс записывания (консолидации) воспоминаний. Так, группы топографических клеток, которые активировались в определенной последовательности во время бодрствования, воспроизводились в той же последовательности при последующем сне (Wilson M.A., McNaughton B.L., 1994).

Выводы

Активность топографических клеток и их взаимодействие с другими специализированными нейронами лежит в основе ориентации в пространстве, формировании воспоминаний и других когнитивных процессов.

Нарушения функционирования нервной системы — одна из основных причин развития инвалидности среди людей. Несмотря на серьезное влияние этих нарушений на человека и общество в целом, в настоящее время не существует эффективных механизмов предотвращения или лечения таких нарушений.

Эпизодическая память нарушается при ряде расстройств нервной системы, среди которых деменция и болезнь Альцгеймера. В случае развития болезни Альцгеймера первой пораженной структурой является гиппокампальная формация и знания о механизме функционирования системы ориентации в пространстве могут быть полезны для понимания когнитивного спада у пациентов при данной патологии.

Понимание механизмов, лежащих в основе формирования пространственной памяти, очень важно для науки и медицины. Открытие топографических и координатных нервных клеток является прорывом в этой области. Несомненно, в медицинской практике эти открытия будут применимы, но это, вероятно, произойдет еще не скоро.

Бажаєте завжди бути в курсі останніх новин фармацевтичної галузі?
Тоді підписуйтесь на «Щотижневик АПТЕКА» в соціальних мережах!