Jadąc do ruchliwego skrzyżowania, prawdopodobnie zwracasz większą uwagę na to, gdzie będziesz w najbliższej przyszłości, niż na to, gdzie jesteś w tej chwili. W końcu wiedza o tym, kiedy dotrzesz do skrzyżowania – i czy musisz się zatrzymać, czy zwolnić, aby uniknąć kolizji z przejeżdżającym samochodem, pieszym lub rowerzystą – jest zwykle o wiele ważniejsza niż znajomość aktualnej lokalizacji.
Ta zdolność do skupienia się na tym, gdzie będziemy w najbliższej przyszłości – a nie na tym, gdzie jesteśmy w teraźniejszości – może być kluczową cechą wbudowanego systemu nawigacji mózgu ssaków, sugeruje nowe badanie.
Neuronaukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley bezprzewodowo śledzili aktywność mózgu egipskich nietoperzy owocożernych, gdy przelatywały one przez specjalną salę lotów. Kiedy naukowcy porównali tory lotu nietoperzy z ich odczytami neuronalnymi, odkryli, że aktywność „komórek umieszczających” nietoperzy – specjalnego rodzaju neuronów odpowiedzialnych za kodowanie przestrzennej pozycji zwierzęcia – była często ściślej skorelowana z miejscem, w którym nietoperze będą w najbliższej przyszłości, a nie w miejscu, w którym były w tej chwili.
„Chcieliśmy się dowiedzieć: czy aktywność neuronowa w chwili obecnej lepiej radzi sobie z reprezentowaniem przeszłej lub przyszłej pozycji niż rzeczywista obecna pozycja? Odkryliśmy, że w przypadku niektórych neuronów aktywność neuronowa w rzeczywistości ma duży wpływ na lepsze zadanie reprezentowania przyszłego stanowiska” – powiedział główny autor Nicholas Dotson, który prowadził badania jako stypendysta podoktorancki na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley. „Odkrycie pokazuje, że aktywność neuronowa w tym regionie reprezentuje coś więcej niż obecną pozycję nietoperza – wstępnie reprezentuje pełną trajektorię lotu”.
Komórki umiejscowione w obszarze mózgu zwanym hipokampem współpracują ze sobą, tworząc wrodzony „system GPS” dla różnych zwierząt lądowych, w tym ludzi. Gdy zwierzę eksploruje nowe środowisko, różne komórki miejsca aktywują się w różnych pozycjach, tworząc wewnętrzną mapę terytorium, którą można zapisać i przechowywać.
„Gdybyś miał dostęp do aktywności neuronowej w moim hipokampie, gdy chodziłem po pokoju, byłbyś w stanie rozszyfrować, gdzie byłem w pokoju na podstawie tej aktywności neuronowej” – powiedział Dotson.
Odkrycie komórek miejscowych u gryzoni zostało nagrodzone w 2014 roku Nagrodą Nobla, a wiele fundamentalnych eksperymentów przeprowadzono w latach 70. i 80. XX wieku. Jednak wciąż pozostaje wiele pytań dotyczących tego, jak ten obszar mózgu działa podczas szybkiego ruchu i jak działa, reprezentując pozycje „nielokalne”.
„Ponieważ hipokamp jest zaangażowany w nawigację, przeprowadzono kilka badań dotyczących kodowania w tym regionie mózgu i pytano: w jaki sposób aktywność neuronowa reprezentuje rzeczy, które wydarzą się w przyszłości lub które wydarzyły się w przeszłości? Region wykazuje aktywność, która nie odzwierciedla miejsca, w którym się obecnie znajdujemy, ale w rzeczywistości reprezentuje pozycję, która jest daleko” powiedział starszy autor badania Michael Yartsev, adiunkt neurobiologii i bioinżynierii na UC Berkeley.
Wcześniejsze eksperymenty nie były w stanie jednoznacznie odpowiedzieć na to pytanie, powiedział Jarcew. Jest tak prawdopodobnie dlatego, że przeprowadzono je przy użyciu stosunkowo wolno poruszających się zwierząt, takich jak szczury, które w eksperymentalnych pomieszczeniach poruszają się tylko o cal lub dwa na sekundę – a także dlatego, że porównując aktywność pojedynczych neuronów z pozycją zwierzęcia z biegiem czasu przesunięcie o ułamek cala nie zrobi wielkiej różnicy.
Jednak nietoperze są niezwykle szybkie w locie.
„Nietoperze poruszają się naprawdę, bardzo szybko. Latają z prędkością około 30 do 50 kilometrów na godzinę w laboratorium, co jest ogromną zaletą, ponieważ w tym samym ułamku sekundy szczur może poruszyć się o kilka centymetrów, podczas gdy nietoperz przesunąłby się o kilka metrów” – powiedział Jarcew.
Aby przeprowadzić eksperymenty, Yartsev i Dotson wykorzystali bezprzewodowe, neuronowe urządzenia rejestrujące do monitorowania aktywności mózgu nietoperzy podczas swobodnego lotu po specjalnie zbudowanym pokoju, który został wyposażony w kamery do śledzenia dokładnych torów lotu nietoperzy. W jednym zestawie eksperymentów zarejestrowali pozycję i aktywność mózgu nietoperzy, podczas gdy ludzie zachęcali zwierzęta do eksploracji całego pomieszczenia w 3D. W innym zestawie eksperymentów nietoperze zostały pozostawione same sobie z zestawem automatycznych karmników, rozmieszczonych w różnych miejscach w pomieszczeniu, aby zachęcić nietoperze do latania.
Kiedy Yartsev i Dotson porównali czas aktywności neuronów z trasami lotu nietoperzy, odkryli, że przesuwając pozycje nietoperzy do przodu w czasie – porównując aktywność neuronów z miejscami, w których nietoperze będą znajdować się w ciągu kilkuset milisekund, lub w sekundę – nagle aktywność neuronowa korelowała znacznie silniej z położeniem przestrzennym.
Na podstawie danych można założyć, że niektóre neurony w ogóle nie kodują informacji przestrzennych, ponieważ nie ma korelacji z pozycją w czasie zero lub w chwili obecnej” – powiedział Jarcew. „Ale jeśli porównasz ich aktywność z pozycją sekundę w przyszłości, nagle korelacja jest niewiarygodnie ostra”.
Odkrycia sugerują, że aktywność komórek miejsca nie reprezentuje tylko jednej aktualnej pozycji, ale w rzeczywistości trajektorię, która rozciąga się w najbliższą przyszłość, a także w przeszłość.
„Możemy sobie wyobrazić chodzenie korytarzem i wyobrażanie sobie, gdzie właśnie byliśmy i gdzie wkrótce będziemy. Jak ta aktywność wygląda w mózgu?” powiedział Dotson. „Nasze odkrycia sugerują, że gdy nietoperze latają, reprezentują w swoim umyśle nie tylko to, gdzie się znajdują, ale także gdzie znajdują się na ścieżce”.
Chociaż komórki miejsca i podstawowe elementy tego systemu nawigacyjnego zostały zidentyfikowane u wielu różnych ssaków, nie jest jeszcze jasne, czy ta zdolność do rzutowania ścieżki do sekundy w przyszłość jest unikalna dla nietoperzy i ich szybkiego schematu lotu, czy też jest dzielony przez szerszą gamę zwierząt. Jednak odkrycie otwiera szereg interesujących pytań o to, jak my, ludzie, przetwarzamy nasz ruch w czasie i przestrzeni, powiedział Yartsev.
Ponieważ hipokamp jest również miejscem występowania wielu chorób, takich jak choroba Alzheimera, w której zmysł lokalizacji i pamięć osoby jest często zaburzony, odkrycie tych podstawowych obliczeń neuronalnych może również dać naukowcom lepsze zrozumienie upośledzenia związanego z chorobą i pomóc w opracowaniu skuteczniejszych zabiegów.
„Stworzenia ziemskie mogą nie potrzebować myśleć tak daleko w przyszłości jak nietoperz, ale nawet w przypadku ludzi może się to różnić w zależności od sytuacji. Jeśli idziesz, prawdopodobnie jesteś zadowolony z tego, że wiesz, co wydarzy się tuż przed tobą. Ale kiedy jedziesz, chcesz wiedzieć, co wydarzy się trzy metry lub więcej od ciebie, ponieważ jedziesz z bardzo dużą prędkością” – powiedział Jarcew. „Teraz, gdy wiemy, że istnieje pewna neuronalna reprezentacja przyszłej pozycji nietoperzy, możemy zapytać: jakie są wspólne składniki między różnymi zwierzętami? W jaki sposób i w jakim stopniu ludzie wykazują tę zdolność?”
