Внутренний компас мозга: как нейроны создают карту пространства 0:00
Как человеческий мозг понимает, где он находится, даже в полной темноте? В этом вопросе разбираются нобелевский лауреат и директор Института системной нейробиологии Кавли Эдвард Мозер и физик Брайан Грин в рамках подкаста World Science Festival. Ученые обсуждают фундаментальные механизмы ориентации в пространстве, открытие нейронов места и сетки, а также то, как эти нейронные структуры формируют наше восприятие реальности, памяти и искусственного интеллекта.
Истоки нейробиологии пространственной ориентации 1:37
Исследование пространственных механизмов в мозге началось с изучения отдельных клеток и их реакций на внешние раздражители. Эдвард Мозер начинал свой путь с математики и статистики, однако позже увлекся психологией и вопросами человеческого поведения.
- В 1970-х годах Джон О’Киф открыл так называемые клетки места (place cells) в гиппокампе — области мозга, которая традиционно ассоциируется с памятью.
- Каждая такая клетка активируется только тогда, когда животное оказывается в определенной точке пространства, формируя совокупную карту местности.
Сама идея о том, что отдельные клетки могут быть жестко привязаны к конкретным координатам без внешних световых или звуковых сигналов, изначально казалась контринтуитивной. Однако эксперименты показали, что даже в полной темноте, когда зрительные стимулы отсутствуют, связь между клеткой и локацией сохраняется благодаря проприоцепции (ощущению движений тела и подсчету шагов) или врожденной внутренней карте.
От клеток места к нейронам сетки (grid cells) 14:50
Чтобы понять происхождение сигналов клеток места, исследователи обратились к области, находящейся на один шаг выше в иерархии мозга — энторинальной коре. В ходе экспериментов на крысах ученые обнаружили уникальные клетки, которые реагируют не на одну уникальную точку, а на множество точек, образующих правильную периодическую гексагональную решетку (lattice).
Для того чтобы отчетливо увидеть эту периодичность, исследователям потребовалось использовать арену необычно большого размера — круг диаметром 2 метра.
Нейроны сетки организованы в дискретные модули с разной частотой и периодом:
- Верхние слои энторинальной коры содержат клетки с наименьшим периодом (маленьким расстоянием между точками).
- В более глубоких слоях располагаются группы с более длинным периодом.
- Соотношение масштабов между соседними уровнями составляет приблизительно $\sqrt{2}$ (около 1,4), что предотвращает повторение циклов и позволяет мозгу точно считывать координаты.
Топология мозга: математический тор внутри нас 21:54
Поведение нейронных ансамблей поразительно точно описывается через абстрактную математику. При анализе активности тысяч нейронов с помощью методов сокращения размерности выясняется, что их совместное состояние заполняет не хаотичное многомерное пространство, а крошечную и строго организованную поверхность.
Если представить повторяющиеся ромбические единицы активности и соединить их противоположные стороны, получается геометрическая фигура — тор (бублик). Используя методы персистентной гомологии и топологические инварианты (числа Бетти), исследователи экспериментально подтвердили наличие этих нестягиваемых петель в данных нейронной активности, доказав существование тороидальной структуры внутренних карт мозга.
Эволюционные корни и измерение пространства 11:03
Способность ориентироваться в пространстве имеет критическое эволюционное значение для выживания. Простейшие компоненты этой системы появились очень рано:
- Клетки направления головы (head direction cells), работающие по принципу компаса, обнаруживаются даже у плодовых мушек.
- Клетки места присутствуют у птиц и рыб.
- Нейроны сетки зафиксированы у млекопитающих, включая грызунов и летучих мышей.
Переход к трехмерной навигации в пространстве у видов, перемещающихся в трех измерениях (например, летучих мышей или птиц), реализуется сложнее: мозг использует двумерные решения, спроецированные в виде «срезов», которые затем объединяются на более высоком уровне. Исследования с участием людей-добровольцев (пациентов с эпилепсией, которым имплантировали электроды для медицинских целей) подтверждают наличие аналогичных механизмов у человека.
Пространственные механизмы памяти и нейродегенерации 50:30
Полученные данные проливают свет на природу тяжелых заболеваний. Одним из ранних признаков болезни Альцгеймера является гибель клеток именно в энторинальной коре и в системе нейронов сетки. Потеря способности ориентироваться на местности и дефицит эпизодической памяти напрямую связаны с поражением этих фундаментальных пространственных структур.
Искусственный интеллект и философия восприятия пространства 42:58
Обсуждая философские аспекты открытий, Брайан Грин проводит параллель с идеями Иммануила Канта о том, что пространство и геометрия могут быть внутренними конструктами, которые разум навязывает внешнему миру. Эдвард Мозер отмечает, что приматы и люди используют эти эволюционные конструкты для максимально широкого спектра когнитивных задач — от абстрактного мышления и языка до математики и социальных сетей.
Открытым остается вопрос о том, способны ли искусственные системы прийти к аналогичным решениям. По словам Мозера, ранние эксперименты группы DeepMind показали, что нейросети, обучающиеся навигации в сложных средах, самостоятельно формируют репрезентации, напоминающие нейроны сетки. Кроме того, современные языковые модели используют многоуровневые фильтры с разной частотой для обработки связей между токенами, что функционально близко к биологическим принципам организации информации.
