По физиологии или медицине — Дж.О'Киф, М.-Б.Мозер, Э.Мозер
По формулировке Нобелевского комитета, в 2014 г. премия по физиологии или медицине присуждена «за открытие клеток, из которых в головном мозге построена система контроля позиционирования тела в пространстве». Премию разделили пополам между нейрофизиологами: одну часть получил Джон О'Киф, другую — супруги Эдвард и Мэй-Бритт Мозер.
Джон О'Киф (John O'Keefe) родился в 1939 г. в Нью-Йорке в семье ирландских эмигрантов и имеет двойное гражданство — США и Великобритании. В 28 лет получил докторскую степень по психофизиологии в Университете им.Дж.Мак-Гилла (McGill University, Канада). С 1967 г. работает в Университетском колледже Лондона (University College London, UCL): в 1987 г. стал профессором Института когнитивной неврологии и биологии развития, в 2013 г. назначен директором нового научно-исследовательского центра (Sainsbu-ry Wellcome Centre in Neural Circuits and Behaviour at UCL). За выдающийся вклад в нейробиологию награжден премиями Британской ассоциации нейробиологов (2007) и Федерации европейских нейробиологических обществ (2008), а также именными премиями — Вильгельма Фельдберга (2001), Чарльза Грейвмейера (2006), Питера Грубера (2008), Луизы Гросс Хорвиц (2013) и Фреда Кавли (2014).
Мэй-Бритт Мозер (May-Britt Moser) родилась в 1963 г. в Фоснаваге (Норвегия). Вместе с будущим мужем Эдвардом Мозером изучала психологию в Университете Осло (University of Oslo), где в 1995 г. получила степень по нейрофизиологии. Затем работала в Эдинбургском университете (University of Edinburgh), в Университетском колледже Лондона и в Норвежском университете науки и технологий в Тронхейме (Norwegian University of Science and Technology), где в 2000 г. стала профессором неврологии и в настоящее время возглавляет Центр нейрокомпьютерных вычислений (Centre for Neural Computation).
Эдвард Мозер (Edvard I. Moser) родился в 1962 г. в Элесунде (Норвегия). Как и его супруга, в 1995 г. получил степень по нейрофизиологии в Университете Осло, после чего вместе с Мэй-Бритт занимался исследованиями в Эдинбургском университете, а затем в лаборатории О'Кифа в Лондоне. В 1996 г. вернулся на родину, работал в Норвежском университете науки и технологий, где в 1998 г. стал профессором и теперь руководит Институтом системной нейрологии им.Ф.Кавли (Kavli Institute for Systems Neuroscience).
Научные заслуги Мозеров отмечены многочисленными наградами: премиями Луи-Жанета (2011), Луизы Гросс Хорвиц (2013, вместе с О'Ки-фом), Карла Спенсера Лэшли (2014) и др.
Джон О'Киф.
Мэй-Бритт Мозер.
Эдвард Мозер.
ПРИРОДА • №1 • 2015
89
Как мы определяем, где находимся, и прокладываем путь от одного места до другого? Каким образом хранится новая информация, помогающая нам вспомнить дорогу, если мы хотя бы раз по ней ходили? Оказалось, что ориентироваться нам в пространстве нам позволяет некая нейронная основа для высших функций мозга, своего рода «внутренняя GPS», — глобальная система контроля позиционирования тела в пространстве, открытая нобелевскими лауреатами 2014 г. Чтобы обратиться к истокам этой работы, вернемся в 1971 г., когда молодой О'Киф описал первый компонент этой системы в статье «Гиппокамп как пространственная карта», опубликованной в ведущем тогда журнале «Brain research» [1].
Гиппокамп (древняя структура мозга, часть «старой коры», расположенная в медиальных височных отделах полушарий и связанная с пространственной памятью) тогда только начал привлекать внимание ученых, в том числе и наших соотечественников. В нашей стране появились публикации О.С.Виноградовой — ученицы основоположника отечественной психофизиологии Е.Н.Соколова, под руководством которого, в частности, были открыты так называемые «командные нейроны»
[2], выполняющие функции особого центра принятия решений. В 1969 г. Виноградова основала лабораторию системной организации нейронов в Институте биологической физики АН СССР (Пу-щино), где были получены уникальные результаты о механизмах обработки информации в гиппо-кампе. Чуть позже она сформулировала концепцию роли гиппокампа как структуры для сравнения текущей информации и хранящейся в памяти
[3]. Фактически новое представление о механизмах работы мозга развил выдающийся психофизиолог В.Б.Швырков, основавший в Институте психологии АН СССР лабораторию нейрофизиологии обучения (ныне лаборатория нейрофизиологических основ психики им.В.Б.Швыркова). Вместе с коллегами он установил возможность системной специализации нейронов, что открыло совершенно новые возможности экспериментального ис-
следования индивидуального опыта человека и животных [4].
О существовании в головном мозге некой навигационной карты впервые задумался американский психолог Э.Толмен [5]. Он проанализировал ориентацию крыс в лабиринте и предположил, что в ходе приобретения опыта и обучения в головном мозге формируются «когнитивные карты», на основе которых и происходит уверенная ориентация после обучения. Однако основной вопрос, каким образом и в каких областях мозга формируются эти карты пространства, оставался открытым.
О'Киф задался целью описать, как, собственно, мы ориентируемся в пространстве, ощущаем свое местоположение. Еще в конце 1960-х годов он начал проводить эксперименты, направленные на изучение того, как именно мозг крыс контролирует их поведение. В то время регистрировать активность одиночных клеток (особенно в подкорковых образованиях) у свободно движущихся животных было очень трудно. О'Киф воспользовался новой для того времени методикой вживленных электродов для записи сигналов, которые поступают от нервных клеток, расположенных в гиппо-кампе. Исследователь обнаружил, что различные нейроны гиппокампа активируются, когда крыса находится в строго определенных местах комнаты, при этом активность каждого конкретного нейрона была связана с определенным местом (рис.1,а). О'Киф пришел к выводу, что нейроны гиппокампа, которые он назвал «клетками места» (по-англ. — place cells, по-русски их также называют пространственными клетками), кодируют пространственные карты в мозге [6]. Далеко не все исследователи были согласны с такой интерпретацией результатов; большинство склонялось к тому, что происходит регистрация зрительной информации, и клетки реагируют именно на нее. Однако О'Киф смог доказать, что пространственные клетки не просто активируются специфическим зрительным входом, который соответствует данному местоположению, а являются элементами создаваемой в мозге когнитивной карты внешнего мира.
б
wcy I T^TtWr
•л
Активность нейронов (а — «клеток места», и б — «решетки»), реагирующих на перемещения крысы. Справа на каждом рисунке схематично изображен ее мозг, где оранжевым цветом отмечен гиппокамп, голубым — энториальная кора. Слева на схемах линиями показаны пути движения крыс. Видно, что «клетка места» активируется, только когда животное находится в одном определенном месте помещения (оранжевые точки), а «клетка решетки» разряжается при прохождении определенных позиций, образующих пространственную решетку (голубые точки).
90
ПРИРОДА
№ 1
2015
Зная привязку активности нейронов к этим местоположениям, О'Киф определил траекторию движения крысы исключительно по последовательности активации нейронов, и эта траектория полностью совпала с реальным передвижением крысы в пространстве. О'Киф считал, что в гиппокампе генерируются многочисленные карты пространства, отражение существования которых можно увидеть в коллективной активности «клеток места», активирующихся в разных обстановках. Таким образом, память об обстановке может храниться как специфическая комбинация активности «клеток места» гиппокампа.
Открытие пространственных клеток стало основой для последующих исследований того, как эти клетки активируются и каким образом создаются моментальные когнитивные образы за счет коллективной активности «клеток места» во время осцилляций в нейрональных сетях. Процесс возникновения и закрепления в памяти «клеток места» стал клеточной моделью для исследований процессов памяти и обучения. В настоящее время «клетки места» обнаружены и у человека. Их активация происходит при перемещении не только в реальном мире, но и в виртуальном пространстве, например во время компьютерных игр.
В последующие годы О'Киф многократно и разными путями подтвердил свои данные, и они фактически вошли в учебники. В его лабораторию стремились многие молодые исследователи. В их числе в 90-х годах оказался и Эдвард Мозер, который спустя 34 года вместе с Мэй-Бритт опубликовал блестящее продолжение исследований О'Ки-фа [7]. Супруги обнаружили, что активность нейронов энторинальной коры, которая занимает особое место в системе связей гиппокампа, также отражает положение тела в пространстве. Этот участок коры, получающий многочисленные входы практически от всех областей неокортекса
Литература
и других отделов головного мозга (миндалин, передних ядер таламуса и др.), — основной источник информации, поступающей в гиппокамп. Мо-зерам удалось описать другой тип нейронов — «клетки решетки» (grid cells), которые реагировали на продвижение животного на четко определенное расстояние и в определенном направлении [8]. Эти клетки как бы имеют возможность отсчитать на гексагональной решетке, на сколько и куда продвинулось животное (Рис. 1,6). Клетки решетки вместе с другими клетками энториналь-ной коры, реагирующими на направление движения головы, приближение к границам пространства, и «клетками места» гиппокампа образуют систему позиционирования тела в пространстве [9].
Недавно результаты исследований, проведенных во время нейрохирургических операций, подтвердили существование аналогичных систем у людей. Более того, выяснилось, что у пациентов, страдающих болезнью Альцгеймера и не способных ориентироваться в пространстве, довольно часто уже на ранних стадиях болезни поражены гиппокамп и энторинальная кора [10]. Знание механизмов позиционирования тела в пространстве, возможно, поможет в поиске путей компенсации когнитивного дефицита у таких больных.
Таким образом, чисто фундаментальные работы нобелевских лауреатов по описанию с
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.