Летучая мышь владеет 3D-технологиями

Нейроны мозга млекопитающих обеспечивают карту местности, которая позволяет им ориентироваться. До сих пор ученые изучали только двухмерные карты. Новый объект — летучая мышь — позволил заглянуть в тайны навигации в трехмерном пространстве.

Победителем премии Eppendorf & Science Prize 2013 для молодых ученых в области нейробиологии стал Михаил Ярцев, работающий в Институте нейронаук Принстонского университета. Его работа посвящена механизмам кодирования информации в мозге млекопитающих в трехмерном пространстве. В последнем выпуске журнала Science опубликовано эссе победителя.
«Все животные на нашей планете — на земле, под землей, в глубинах океана или в воздухе — должны иметь представление о своем местоположении в пространстве, это им необходимо для выживания, — пишет Ярцев. — Как мозг решает проблему позиционирования в пространстве — это одна из центральных проблем в нейронауке».
Посмотреть на эту проблему под другим углом исследователю помогло использование нового, необычного для нейрофизиолога объекта — летучей мыши. До сих пор все подобные работы проводились либо на грызунах, либо, гораздо реже, на обезьянах.
В мозге крысы некоторое время назад ученые обнаружили специализированные нейроны, которые испускают электрические импульсы в тот момент, когда животное оказывается в определенной точке местности, их назвали клетками места (place cells). Другие нейроны, названные клетками решетки (grid cells), реагируют на пересечение неких узлов системы координат.
Эти нейроны обеспечивают мозговую карту местности, которая помогает животным ориентироваться в окружающей среде.
Однако до сих пор такие нейроны ученые наблюдали только у наземных млекопитающих, которые передвигаются по плоскости. Ярцев попробовал перейти на принципиально новый модельный объект — летучих мышей, которые способны перемещаться в трехмерном воздушном пространстве. Ему удалось найти в мозге летучих мышей те же типы нейронов и определить сходство и отличия в их работе в мозге крысы и летучей мыши.
Михаил Ярцев ответил на вопросы корреспондента.
— Почему вы решили проводить исследования с летучими мышами?
— Есть несколько причин, по которым я решил поработать с летучими мышами. С одной стороны, это млекопитающие, но с другой стороны, они сильно отличаются от всех млекопитающих, традиционно используемых как модели в нейрофизиологических исследованиях, будь то крысы или обезьяны. Это позволяет нам применить сравнительный подход.
Второе большое преимущество летучих мышей — способность к полету. Это дает нам возможность изучения того, как на нейронном уровне представлено трехмерное пространство. Другие уникальные черты летучих мышей — эхолокация и поведение в природе.
— Объясните, в чем состоит функция клеток места и клеток решетки, найденных в мозге крыс?
— По общему представлению, эти нейроны играют ключевую роль в позиционировании животного в окружающей среде. Но мы считаем, что они делают нечто большее, чем просто определение того, где мы сейчас находимся. Я думаю, точное понимание функции этих клеток еще впереди.
— Вы обнаружили эти клетки и у летучих мышей?
— Да. Мой научный руководитель Нахум Улановский обнаружил клетки места в гиппокампе летучей мыши. А затем мы нашли клетки решетки в энторинальной коре летучей мыши, они расположены в том же регионе, что и у крысы.
— Вы нашли различия в активности этих клеток у крысы и летучей мыши?
— Активность их в целом была довольно сходной. Но отличие заключалось в том, что у летучей мыши клетки места и клетки решетки не работали в диапазоне тета-ритма (с частотой 5–11 Гц), который характерен для нейронов крысы. Это составило основной результат моей предыдущей работы, опубликованной в Nature в 2011 году. Таким образом, мы опровергли первоначальное представление, что данные клетки обязательно активны в тета-диапазоне.
— Вам удалось раскрыть механизм кодирования трехмерного пространства в нейронах летучей мыши?
— Я думаю, точный механизм — это предмет будущих исследований, но нам удалось достичь некоего понимания благодаря технологии беспроводной регистрации активности отдельных нейронов летучей мыши в полете.
Мы смогли записать нейронную активность единичных клеток места летучей мыши, летающей в помещении размером 6х5х3 м, и увидеть, как активность этих клеток изменяется с перемещением животного в трехмерном пространстве.
— По вашему заключению, механизмы навигации универсальны у всех млекопитающих или они различаются для наземных и летающих животных?
— Мы показали, что в 3D-пространстве клетки места так же чувствительны к изменению позиции животного, что и в 2D. А вообще это большой вопрос, и ответ на него мы надеемся получить в будущих исследованиях. Ключевой момент — как 2D-кодирование пространства модулируется в 3D-кодирование.
Премия Eppendorf and Science Prize учреждена компанией Eppendorf (которая выпускает пластиковые пробирки с одноименным названием для молекулярных биологов) и журналом Science для поощрения молодых ученых, работающих в области нейробиологии. О своем исследовании за последние три года претенденты на премию должны рассказать в форме эссе в 1 тыс. слов. Премия включает $25 тыс. от компании Eppendorf и публикацию эссе в журнале Science.
В финал премии вышли также Софи Кэрон из Колумбийского университета с эссе «Мозг не играет в кости — или играет?» и Дэниэл Бендор из Университетского колледжа Лондона с эссе «Играй против мозга».