Крысы обладают способностью воображать, показали исследования мозга

Авторы статьи заявили, что будущие исследования такого рода могут привести к открытию методов, которые помогут восстановить или улучшить функции мозга путем понимания намерений человека и, возможно, смогут расширить наше понимание амнезии, связанной с потерей памяти.

Работа основана на предыдущих научных открытиях, показывающих, что глубоко в мозгу животных и людей есть собственная система GPS. Эта внутренняя система GPS, расположенная в гиппокампе, регионе, который играет важную роль в памяти и воображении, преобразует места и события в паттерны активации нейронов, что является признаком того, что клетки мозга общаются. Эти шаблоны затем сохраняются в мозгу и используются для навигации в повседневном мире.

Специализированные клетки, выполняющие эту работу, известные как ячейки места и сетки, служат важнейшими строительными блоками, которые позволяют нам помнить прошлое и представлять будущее. Трое учёных, открывших клетки, были награждены премией 2014 года. Нобелевская премия по физиологии и медицине за раскрытие функций, которые «фундаментальны для нашего существования».

«Мы можем лежать ночью в постели, закрывать глаза и погружаться в прошлое или будущее», — сказал Чонгси Лай, ведущий автор новой статьи и научный сотрудник Медицинского института Говарда Хьюза, который сейчас базируется в Бет. Израильский медицинский центр диакониссы в Бостоне.

Воображение имеет решающее значение для инноваций, продолжил Лай. «Любое изобретение случается дважды — в голове изобретателя, затем в реальном мире».

В статье 1948 года тогдашний учёный Калифорнийского университета Эдвард С. Толман выдвинули гипотезу, что у крыс есть внутренняя карта окружающей их среды. Однако до нового исследования исследователи не смогли доказать, что крыса действительно может контролировать эту карту, используя ее, чтобы думать о месте, которое отличается от того, где находится крыса в данный конкретный момент.

«Это очень важный шаг», — сказал Дьердь Бузсаки, профессор нейробиологии Медицинского центра Лангоне Нью-Йоркского университета, который не принимал участия в исследовании. «Гиппокамп имеет репутацию GPS мозга. Многие из нас хотели бы знать, как [what happens there] переводится в шаги».

Хотя вполне логично, что первоначальный сигнал для представления места исходит из гиппокампа, говорит Бузсаки, «очень, очень сложно» определить, происходит ли какое-либо действие в одной части мозга, а не в другой. Авторы научной статьи сосредоточили внимание на клетках места, которые находятся в гиппокампе. Клетки сетки, другая важная часть системы GPS, живут в глубокой области мозга, называемой энторинальной корой, которая расположена недалеко от гиппокампа.

Как читать мысли крысы

Эксперименты, подробно описанные в статье Science, потребовали, чтобы ученые с нуля построили машину, способную читать, а затем переводить внутреннюю карту крысы, чтобы определить, о чем думает грызун в конкретный момент.

Лай начал работу над проектом девять лет назад после прибытия в исследовательский кампус института Джанелия в Эшберне, штат Вирджиния. Он рассказал об этом двум своим будущим соавторам — своему советнику Тимоти Харрису, старшему научному сотруднику, и Альберту Ли, Говарду. Исследователь Медицинского института Хьюза — что у него есть идеи, которые позволят проверить, могут ли животные мыслить.

Лай сказал, что на создание крысиного «детектора мыслей» в реальном времени ушло четыре-пять лет.

Затем исследователям пришлось разработать эксперименты, которые учитывали бы, какие задачи сможет выполнять грызун. Вначале каждой крысе имплантировали крошечные электроды в 128 точных местах мозга. Затем электроды были подключены к машине, которая считывала активность мозга крысы и запоминала конкретные закономерности, генерируемые при перемещении грызуна из одного места в другое. В каждом месте мозг крысы создавал уникальную картину активности различных клеток с разной интенсивностью.

Крысу подвешивали так, что ее лапы касались беговой дорожки в форме шара, что позволяло ей перемещаться по арене виртуальной реальности. Когда крыса двигалась, электроды регистрировали ее мозговую активность.

Ученым пришлось научить крыс бежать к визуальному сигналу на двухмерной виртуальной арене: прыгающему объекту, похожему на башню. Когда грызуны прикасались к сигналу, они получали в награду подслащенную воду.

Машину тоже пришлось обучать. Машина научилась считывать активность мозга крысы и переводить ее в определенные места на виртуальной арене.

Для проведения тестов «телепортации» ученые отключили беговую дорожку от арены виртуальной реальности. Теперь крыса не могла передвигаться по арене с помощью ног. Вместо этого крысе пришлось представить отдаленное место, чтобы добраться до места назначения и получить награду.

Во втором тесте крысе снова пришлось представить себе конкретное удаленное место, на этот раз для того, чтобы переместить туда виртуальный объект. На протяжении всего теста крыса оставалась в фиксированном положении на арене.

«Удивительно то, что они учатся этому довольно быстро», — говорит Ли, которая сейчас работает в Медицинском центре Бет Исраэль Диаконисса. Он сказал, что быстрое обучение крыс предполагает, что для животного относительно естественно думать о месте, отличном от его фактического местоположения.

Три из четырех протестированных крыс смогли провести эксперименты, а четвертая — нет. Ли сказал, что существует множество возможных объяснений неудачи четвертого проекта. Например, крыса могла получить небольшое повреждение гиппокампа.

«Это умеренно сложная [task], и вполне возможно, что не каждое животное может это сделать», — сказал он. «Тот факт, что трое из четырех животных справились с этим хорошо, говорит о том, что у крыс очень сильная способность представлять отдаленные места».