На движке культового шутера Quake ученые создали платформу виртуальной реальности для своих лабораторных мышей. Но постапокалиптический мир — только начало эксперимента: наука требует жертв. Вместе со вживленными в мозг грызунов электродами такая «игра» помогает исследовать нейронную активность животных в движении.

Система в целом — это первый эффективный инструмент, позволяющий работать с отдельными нейронами в мозгах активного животного. Она открывает широкий простор для новых исследований механизмов двигательной активности и освоения окружающей среды. «Одно из самых «горячих» направлений современной нейронауки — это создание совершенных техник исследования мозга на уровне отдельных нейронов, — поясняет принстонский профессор Дэвид Тэнк(David Tank). — Все способности нервной системы обусловлены активностью отдельных ее клеток».

Именно команде Тэнка довелось создать такую, мягко говоря, необычную систему и провести с ней первые исследования. Ученые изучали так называемые «нейроны места», которые расположены в гиппокампе, области мозга, участвующей в процессе консолидации памяти и формировании эмоций. Нейроны места активируются, когда животное осознает, что «находится в определенном месте». Считается, что они помогают локализовать себя в пространстве, создавать и поддерживать когнитивную «карту местности». Эта группа нейронов была открыта еще в начале 1970-х, однако до сих пор о деталях их работы не известно практически ничего.

Конечно, ученые могли бы использовать такие современные методы, как МРТ, но и они не дают достаточного разрешения. Отдельные нейроны сегодня чаще изучают in vitro, на культуре клеток. Но поведение даже небольших нейронных структур «в пробирке» сильно отличается от естественного. А классический способ с вживлением электродов непосредственно в мозг животного не дает возможности изучать, как меняется активность нейронов при движении — скажем, по сложному лабиринту.

«Мы просто нашли способ снимать активность нейронов, оставив голову животного зафиксированной, — добавляет Дэвид Тэнк, — при этом ведет оно себя в точности так, как при обычном движении по лабиринту — для мыши виртуальность совершенно реальна». Добавим, что способ этот довольно изощрен.

Итак, голова лабораторного животного плотно фиксировалась в металлическом шлеме с электродами, а ноги могли двигаться пенопластовому шару. Шар, поддерживаемый снизу потоком воздуха, свободно вращался в любом направлении, как мячик для пинг-понга в струе ветра из пылесоса. Сама мышь при этом, конечно, оставалась на месте. А на шаре укреплены были компьютерные мыши, которые, регистрируя его вращение, позволили отслеживать перемещение мыши.

Эти движения попадают в компьютер, на котором работает программа, создающая виртуальную реальность. Разработанная на движке легендарной игры-«стрелялки» Quake 2, она передавала изображение на проектор, а тот уже создавал изменяющиеся стены, пол и потолок на вогнутом экране, расположенном вокруг мыши. Животное оказывалось в виртуальном лабиринте. Только вместо аптечек, красных и желтых ключей, нового оружия и боезапаса в нужных локациях мышь вознаграждалась глотками воды из подведенной к ее рту трубки.

И, конечно, главное. В гиппокамп мыши внедрялись тонкие — микрометрового диаметра — стеклянные трубки, заполненные физраствором. Проводя ток, они служат удобными датчиками электрической активности отдельных клеток.

В первых опытах ученые «гоняли» мышей по прямому коридору, в конце которого их ждала награда. Понемногу эксперимент усложняли, заставляя животных двигаться в простом лабиринте — и, разумеется, отслеживая все детали активности клеток их гиппокампа. Сложная экспериментальная установка оправдала себя.

Группе Тэнка впервые удалось показать некоторые особенности активации нейронов места. В частности, было показано, что в ответ на определенные локации в гиппокампе действительно наблюдается активизация специфических нейронных паттернов. При этом меняется не только мембранный потенциал клетки, но и усиливаются некоторые ее внутренние циклические процессы. Впрочем, эти детали выходят уже за рамки нашей «Популярной Механики».

Ну и под конец мы традиционно рекомендуем другие статьи по этой теме — тем более что исследования гиппокампа увлекают порой не хуже культового шутера Quake. Читайте, например: «Сине-зеленый страх», «Знаки шизофрении», «Ученью — день, а неученью — сон.

По публикации Wired