Учёные выяснили как мозг измеряет расстояние до окружающих предметов
Учёные из Массачусетского технологического института выяснили, каким образом мозг определяет расстояние до ближайших объектов с помощью осязания. Исследование показало, что у мышей существует особая система нейронов, позволяющая создавать своеобразную внутреннюю «линейку», благодаря которой животные способны точно оценивать положение предметов даже в полной темноте.
Когда человек оказывается в незнакомом помещении без света, он обычно ощупывает окружающее пространство руками, чтобы понять, где находятся стены и препятствия. Однако многие животные делают это значительно эффективнее. Например, мыши ориентируются в темноте, касаясь окружающих объектов своими вибриссами — чувствительными усами, которые постоянно двигаются во время исследования окружающей среды.
Исследование возглавила профессор Фань Ван из факультета мозга и когнитивных наук Массачусетского технологического института, работающая также в Институте исследований мозга Макговерна. Её команда обнаружила, как нейроны в стволе мозга используют сигналы от вибрисс для вычисления расстояния между мордой животного и окружающими предметами.
По словам исследователей, найденная нервная цепь является частью системы, которая формирует так называемую эгоцентрическую карту пространства. В отличие от механизмов, ориентирующихся по внешним ориентирам, такая карта показывает расположение объектов относительно собственного тела и позволяет животному понимать, что находится рядом с ним.
Особое внимание учёные уделили так называемому периперсональному пространству — области, непосредственно окружающей тело. Именно в этом пространстве происходят большинство движений, поэтому мозгу необходимо точно знать, где находятся окружающие предметы, чтобы можно было дотянуться до них, сделать шаг, избежать препятствия или безопасно взаимодействовать с окружающей средой.
Мыши оказались особенно удобной моделью для подобных исследований, поскольку их вибриссы работают как встроенный измерительный инструмент. Усы имеют разную длину и постоянно совершают движения вперёд и назад. Когда вибрисса касается препятствия, она изгибается и начинает вибрировать, а расположенные у её основания чувствительные нейроны передают информацию в мозг.
Известно, что такие сенсорные нейроны активнее реагируют, если изгиб возникает ближе к основанию вибриссы, чем при прикосновении к её кончику. Таким образом мозг уже получает информацию о том, насколько близко расположен объект.
Однако исследователи хотели выяснить, способен ли мозг превратить эти сигналы в более точную систему измерения расстояния, чем простое разделение на «близко» и «далеко». Для этого аспирант Вэньси Сяо и научный сотрудник Кайл Севёрсон наблюдали за активностью нейронов в небольшой сенсорной области ствола мозга, куда впервые поступают сигналы от вибрисс.
Во время эксперимента мыши передвигались по беговой дорожке, а рядом с ними на различном расстоянии проходила стенка, которой они касались усами. Учёные анализировали, как менялась активность нервных клеток при различном положении препятствия.
Оказалось, что многие нейроны реагировали на изгиб вибрисс. Одни работали практически так же, как первичные сенсорные клетки, активнее возбуждаясь при расположении стены ближе к морде животного и тем самым передавая информацию о степени близости объекта.
Однако другая группа нейронов вела себя совершенно иначе. Эти клетки активировались только тогда, когда препятствие находилось на строго определённом расстоянии от головы. Например, часть нейронов проявляла максимальную активность, когда стена располагалась примерно в 23 миллиметрах от морды, то есть возле кончиков самых длинных вибрисс. Другие клетки реагировали на промежуточные расстояния.
По словам Фань Ван, вместе такие нейроны образуют своеобразную шкалу с делениями, напоминающую обычную линейку. Каждый нейрон соответствует определённому расстоянию, а совокупность всех клеток покрывает весь диапазон, который способны измерить самые длинные вибриссы.
Затем исследователи попытались понять, каким образом мозг преобразует сигналы от вибрисс разной длины в единую карту расстояний. Если ориентироваться только на отдельную вибриссу, вычислить положение объекта невозможно, поскольку прикосновение к кончику короткого уса соответствует середине более длинного.
Используя компьютерное моделирование и эксперименты с изменением активности отдельных нервных цепей, команда показала, что мозг вычисляет расстояние путём сравнения сигналов, поступающих от разных сенсорных нейронов. Каждый нейрон, формирующий карту расстояний, получает одновременно возбуждающие сигналы непосредственно от чувствительных клеток и тормозящие сигналы от других нейронов, также реагирующих на прикосновения.
По словам исследователей, именно тормозящий путь позволяет мозгу фактически выполнять операцию вычитания между двумя входящими сигналами. Один сигнал сообщает, насколько далеко находится объект, а другой отражает оценку расстояния, и их сравнение позволяет получить точное промежуточное значение. Авторы считают, что это простой и эффективный механизм преобразования тактильной информации в точную карту окружающего пространства.
Фань Ван отмечает, что несмотря на важность подобных механизмов, нейробиологи пока значительно лучше изучили системы, определяющие положение объектов относительно внешних ориентиров, чем карты пространства, связанные с собственным телом. В дальнейшем исследователи планируют выяснить, как обнаруженный механизм взаимодействует с другими отделами мозга, помогая управлять движениями, социальным поведением и взаимодействием с окружающей средой.
Исследование в журнале Neuron.