Ученые выяснили, как работает в голове нейронный компас

Ученые изучили нейронные механизмы, позволяющие мухе-дрозофиле уточнять направление движения при поступлении уточняющих сигналов. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Осматриваясь на местности, мухи, как и люди, быстро создают ментальную карту обстановки, построенную на ориентирах. Когда ориентиры пропадают, насекомые продолжают согласовывать свои действия с внутренним компасом — нейронным кольцом в мозге, сложенным так называемыми нейронами поворота головы.

По мере движения мухи соответствующий узел нейронной активности перемещается по этому кольцу, как стрелка компаса. В темноте точность этой "иглы" снижается из-за отсутствия визуальных подсказок. Поэтому мухи, как и люди, двигаясь исключительно по ощущениям, не всегда идеально держат направление. Но как только ориентиры снова появляются, нейронный компас моментально подстраивается — как будто происходит калибровка прибора.

Американские ученые из Гарвардской медицинской школы изучили, каким образом синхронизируются в мозге мухи-дрозофилы два потока информации о направлении движения — внутренние ощущения и внешние ориентиры, положение которых может меняться.

В ходе эксперимента исследователи прикрепили муху к булавке и опустили ее на шарик из пенопласта, вращающийся без трения на столбе воздуха. Муха могла двигать лапками, пытаясь идти в определенном направлении — к яркому световому ориентиру. При этом шарик вращался, позволяя точно фиксировать направление движения насекомого. Параллельно ученые регистрировали нейронную активность в мозге мухи с помощью метода детальной визуализации, известного как двухфотонная микроскопия.

Первоначально мухи пытались приблизиться к виртуальному солнцу. Через некоторое время они начинали просто идти по прямой линии под фиксированным углом к световому ориентиру, и если он перемещался, делали компенсаторный поворот, чтобы вернуться к фиксированному углу, демонстрируя, что они четко держат курс.

Когда муха двигалась в определенном направлении, в нейронах вокруг компасного кольца наблюдалась активность. Когда муха поворачивалась, индикаторный нейронный узел перемещался в соответствии с новой ориентацией мухи.

Ученые обнаружили, что активность "компасных" нейронов определялась сигналами, поступающими от нейронов зрительной системой, известных как R-нейроны.

"Схемы связей между нейронами компаса и зрительной системой перестраиваются под воздействием визуальной информации, — приводятся в пресс-релизе учреждения слова руководителя исследования Рэйчел Уилсон (Rachel I. Wilson). — Эти изменения происходят в течение нескольких минут и соответствуют временным рамкам, которые мы субъективно ощущаем, когда вступаем в новую среду и исследуем ее".

После того, как мухе включили второе "солнце" с противоположной стороны, активность нейронного компаса стала переменной — его "стрелка" периодически переворачивалась на 180 градусов. Когда второй источник света убрали, муха некоторое время пребывала в замешательстве, а компас продолжал "качаться" из стороны в сторону, как будто муха запуталась и не знала, куда дальше идти.

"Самое интересное для нас то, что схема связи между входными визуальными нейронами и нейронами компаса пластична, — говорит Уилсон. — Мы можем реорганизовать эту функциональную схему, просто предоставив мухе новый ориентир".

Результаты исследования дают объяснение того, как визуальный опыт меняет активность нейронов, чувствительных к направлению, а значит, меняет внутреннее представление о пространстве.