Игры мышей в quake показали нейронную карту местности
Ни ужасных монстров, ни оружия, ни тайных дверей. Всё, на что имели возможность рассчитывать подопытные, – некоторый аналог аптечки. Уже из-за неё, но, мышки игрались как раз так, как задумывали биологи.
Для них же курьёзная (на посторонний взор) выдумка являла собой неповторимую возможность в прямом эфире посмотреть в мозг грызунов, проходящих тестовое задание.
Необыкновенный опыт совершила несколько учёных во главе с Дэвидом Тэнком (David Tank) из Принстона. Нескольких мышей исследователи загрузили в виртуальную реальность: до предела минимизированный шутер от первого лица, где из всех эйфорий игроку была покинута лишь свобода перемещения по простенькой, в неспециализированном-то, местности.
Занимательный трюк потребовался американцам, дабы открыть новую главу в истории изучения так называемых нейронов места (place cell). Эти своеобразные клетки демонстрируют активизацию (увеличение темпа и силы ритмических «вспышек») в те моменты, в то время, когда животное находится в каком-либо своеобразном месте, с которым оно познакомилось ранее. (Обстановка напоминает воздействие так называемой клетки бабушки.)
«Одним из главных направлений изучений в неврологии есть разработка способов изучения мозга с „клеточным“ разрешением, – говорит нейрофизиолог и молекулярный биолог Дэвид Тэнк. – Информация о нервной совокупности содержится в деятельности как раз отдельных нейронов» (фото с сайта genomics.princeton.edu).
Нейроны места находятся в гиппокампе, районе мозга, что связан с обучением, пространственной ориентацией и работой памяти. Картина возбуждения в комплекте таких клеток отражает моменты узнавания животным той либо другой обстановки. И картина эта достаточно правильна, дабы, лишь посмотрев на неё, экспериментаторы определили – где находится испытуемый.
Увы, не смотря на то, что открыты эти нейроны были аж в первой половине 70-ых годов двадцатого века, до понимания всех тонкостей их работы учёные не добрались кроме того сейчас. Одна из обстоятельств – ограниченные возможности инструментов.
К примеру, довольно часто используемая в изучениях мозга магнитная томография даёт маленькую свободу в движении головы испытуемого (в большинстве случаев человека), но способна уловить вспышку активности лишь громадного массива клеток. До разбора их личных «голосов» тут на большом растоянии. А способы, разрешающие снять электрические параметры с одного избранного нейрона, да ещё у столь малого подопечного, как мышь, требуют твёрдой фиксации животного.
Какое уж тут прохождение лабиринта.
Тэнк же применил очаровательный и достаточно несложный метод совмещения неподвижности с подвижностью. Вместо того дабы запускать мышей в настоящие лабиринты, биологи выстроили совокупность для погружения мышей в виртуальную реальность.
Схема установки. В её основе – маленькой мячик, поддерживаемый струями сжатого воздуха. Он может вольно вращаться под лапками мыши в любую сторону, куда она захочет.
Перемещения этого шара (соответственно, и бег зверька) считываются мышью оптической. Перед глазами животного размещён вогнутый экран, на что через совокупность зеркал проектор выводит изображение виртуальной местности. Компьютер кроме этого руководит электромагнитным клапаном, включающим поилку.Основное в установке: голова мыши без движений закреплена в держателях, каковые кроме этого являются опорой для весьма узких зондов, проникающих глубоко в мозг (фото и иллюстрация на данный момент D. Harvey et al.).
Обездвиживание головы мыши разрешило биологам засунуть в неё стеклянный капилляр с диаметром кончика всего в один микрометр. В – солёная вода, для электропроводности. Данный зонд способен зафиксировать сигналы, проходящие через одну единственную клетку в мозге, причём он разрешает выяснить параметры внутриклеточной электрической активности с высокой точностью.
Ранее учёные изучили нейроны помощью внеклеточных электродов — маленьких проводков, помещённых рядом с клетками. «Так нейроны смогут поведать вам о собственной деятельности, но не о том, что создаёт эту деятельность», — сетует Тэнк.
Дабы уловить закономерности в отклике отдельных нейронов в гиппокампе мышей, учёные создали простенький мир, базирующийся на движке от игры Quake II.
Так выглядит «локация» в мышином Quake. В этом случае – это что-то наподобие долгого коридора (с пунктами, в которых давалось вознаграждение на каждом финише данной карты). Вся ситуация поделена на три участка с различной текстурой близлежащих стен.
Отдалённые колонны с иным рисунком помогали собственного рода пограничными столбами между районами (иллюстрация Christopher D. Harvey et al.).
Правила мышиной «бродилки» были несложны: зверёк должен был бежать от одного финиша карты к второму и, когда выяснялся в определённом месте, – приобретал приз в виде толики воды, подаваемой через трубку-поилку, закреплённую перед мордочкой «игрока». «Если он желает взять ещё одну приз, ему направляться развернуться и бежать в второй финиш», — поясняет Дэвид.
Хвостатые испытуемые уже через пара сеансов осознали, что от них требуется. Точность перемещения всегда возрастала, как и частота получения приза.
Графики, отражающие тренировки мышей. Вверху: удачи одной из мышек в 4-м и 10-м опробованиях. очевидно отмечается рост уверенности в себе и устремлённости передвижений. Позиция отражает координату зверька по продольной оси лабиринта. светло синий точки – получение вознаграждения.
Внизу: улучшение показателей всех мышей (всего их было семь). Серые линии – личные параметры, тёмные – среднее значение (иллюстрация Christopher D. Harvey et al.).
Тем временем исследователи снимали показания с датчиков. И на них вправду обнаружились пики всплеска активности тех либо иных клеток, соответствующих прохождению мышью того либо иного участка простенького лабиринта.
Его точки, в которых фиксировалась такая деятельность гиппокампа, именуются полями места. «Активизация клеток места владеет конкретным ритмом, как будто бы часы», — говорит Дэвид. Изучение продемонстрировало, что данный ритм изменяется «на систематической базе», по мере того как мышь пробегает через то либо иное поле места.
Отражение полей места в записях с двух нейронов. Кривые показывают позицию животного в лабиринте в зависимости от времени, красные точки – моменты активации клетки. На линейках справа от графиков эти же вспышки перенесены на пространственную ось, безотносительно времени.
Чётко видны плотные попадания в участках, в которых нейрон выяснял своеобразное расположение мыши в виртуальном пространстве (иллюстрация Christopher D. Harvey et al.).
Биологи нашли в взятых данных сходу три подписи поля места: деполяризацию мембранного потенциала своеобразной формы (наподобие асимметричной трапеции), повышение амплитуды колебаний внутриклеточного тета-ритма и прецессию фазы для того чтобы ритма по отношению к ритму внеклеточному.
Эти особенности, считают Тэнк и его коллеги, являются собственного рода кодами, в которых отражается активация нейронов в «верных» участках лабиринта. (О великом множестве иных тонкостей в отклике клеток повествует статья авторов опыта в Nature.)
Всё это совместно, полагают биологи, окажет помощь существенно продвинуть науку в понимании схемы работы гиппокампа, участвующего в управлении перемещением, в познании и других сложных психологических функций как у животных, так и у человека.
Ещё одно преимущество новой установки перед прошлыми способами. «Потому, что животное погружается в виртуальный мир, вы имеете возможность скоро поменять обстановку произвольным образом в этот самый момент же наблюдать, как нейроны откликаются на такое вмешательство», – поясняет Тэнк (иллюстрация Forrest Collman).
Существует масса моделей, обрисовывающих сотрудничество единственного нейрона места с остальными собратьями в ходе исполнения испытуемым непростых задач. Сейчас у исследователей стало возмможно контролировать эти догадки и отсеивать ошибочные.
До сих пор биологи спорят о том, что же такое – нейроны места. «Являются ли они основной частью навигационной схемы мозга либо участвуют в каком-то более неспециализированном ходе наподобие способности запоминать последовательность событий?» – вопрошает Тэнк. Он говорит, что испытания с виртуальным миром окажут помощь ответить на эти вопросы.
Очевидно, доктор наук Тэнк — не единственный учёный, пробующий раскрыть тонкости в работе гиппокампа, нейронов места и их роль в памяти и пространственной ориентации. Имеется, например, интересные опыты Мэтью Уилсона (Matthew A. Wilson) из памяти и института обучения Массачусетского технологического (Picower Institute for Learning and Memory) и целый ряд других изучений.
Но красота изобретения из Принстона в том, что оно, по сути, есть универсальным. В следующий раз под прицелом сенсоров может оказаться вовсе не гиппокамп, а какой-то другой участок. Высокая точность способа съёмки в сочетании с виртуальной средой окажет помощь смоделировать массу условий и проверить кучу догадок о работе мозга.
В этом уверен нейрофизиолог Дуглас Ниц (Douglas Nitz) из Калифорнийского университета (UCSD) , прокомментировавший достижение сотрудников. «Изучение представляет собой наглядный пример того, что будет доступно для изучения в следующее десятилетие», — радуется Дуглас.
