К ВОПРОСУ ОТКРЫТИЯ СИСТЕМЫ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ

TO THE QUESTION OF DISCOVERING A SPATIAL POSITIONING SYSTEM

Elena Baeva

PhD in Biology, Associate Professor, Voronezh State Medical University named after N.N. Burdenko, Ministry of Health of the Russian Federation, Associate Professor of the Department of Normal Physiology,

Russia, Voronezh

АННОТАЦИЯ

 В статье отражены основные вехи открытия системы позиционирования головного мозга. Описаны ключевые структуры, ответственные за навигацию организма в пространстве. Результаты работ группы исследователей, стоящих у истоков данного открытия, в настоящее время используются для понимания причин тяжёлых недугов, таких как болезнь Альцгеймера, в создании роботов-андроидов, умеющих самостоятельно ориентироваться на местности, и других разработках.

ABSTRACT

 The article discusses the main milestones of the brain positioning system discovery. The key structures responsible for the body's navigation in space are under consideration. The results of the group researchers’ work who initiated this discovery are currently being used to understand the causes of severe ailments such as Alzheimer's disease, in the creation of android robots that can navigate the terrain on their own, and other developments.

Ключевые слова: пространственное позиционирование; гиппокамп; когнитивные карты; нейроны места; нейроны координатной сетки

Keywords: spatial positioning; hippocampus; cognitive maps; place neurons; grid neurons

Понимание того, как когнитивные функции мозга проистекают из его основных физиологических компонентов, на протяжении тысячелетий было краеугольным камнем в нейронауке [1, с. 1120]. Пространственное позиционирование можно описать как способность различать положение двух или более объектов в пространстве относительно друг друга. Это система, которая предоставляет точную информацию о местоположении, своеобразная глобальная система позиционирования (GPS). Открытие системы нервных клеток, которая позволяет ориентироваться в пространстве, было сделано Джоном О’Кифом и супругами Мей-Брит и Эдвардом Мозерами, за что они получили Нобелевскую премию в 2014 году [2, c.252, 5, c.691].

Начиная с 20-го века с развитием научных исследований в области мозга ученые открыли мозговой «GPS-навигатор», раскрывающий механизм пространственного восприятия мозга.

В 1948 году Эдвардом Чейзом Толменом предложены когнитивные карты, которые «создаются и видоизменяются в результате активного взаимодействия субъекта с окружающим миром [2, c.253, 5, c. 692]. При этом могут формироваться когнитивные карты различной степени общности, «масштаба» и организации (карта-обозрение или карта-путь в зависимости от полноты представленности пространственных отношений и присутствия выраженной точки отсчета)». Представление о когнитивных картах развивалось и дополнялось. Толмен пояснил, что картирование осуществляется субъективно, создавая пространственные координаты с локализацией отдельно воспринимаемых предметов. Ключевую роль в данном процессе играют не только «карты местности», но и гиппокамп (рис. 1). С точки зрения физиологии, гиппокамп участвует в нескольких функциях организма, включая: закрепление новых воспоминаний, эмоциональные реакции, навигация, пространственная ориентация.

В 1971 году Джон О'Киф открыл клетки определения местоположения в гиппокампе головного мозга, что положило начало исследованиям [2, c.251]. Фактически О’Киф обнаружил в мозге подопытных крыс особые нейроны, которые он назвал «нейронами места». Эти клетки находятся в гиппокампе (два участка, центры памяти) и коллективно активизируются, когда животное попадает в место, уже знакомое по предыдущим воспоминаниям.

Рисунок 1. Гиппокамп человека [7]

Несколько позже Джеймс Рэнк обнаружил клетки определения направления движения головы в медиальной энторинальной коре головного мозга (рис. 2), а исследования GPS в головном мозге позволили определить направление движения головы [2, c.251, 6, c.699].

Рисунок 2. Расположение энторинальной коры

В 2005 году супруги Мозеры обнаружили в мозгу подопытных крыс ещё один вид нейронов, названный «нейронами координатной сетки» [2, c.252, 3, c.765]. Эти нейроны формируют для «нейронов места» систему координат, связывая точки в единое пространство, вычисляют расстояние между точками и обеспечивают возможность навигации. Открытие внутримозговой GPS не только раскрывает пространственную когнитивную функцию мозга на клеточном уровне, но и обеспечивает теоретическую основу для изучения заболеваний, связанных с нервной системой.

Присуждение Нобелевской премии профессорам Джону О'Кифу, Мэй-Бритт Мозер и Эдварду Мозеру приносит мировое признание одной из самых значительных историй успеха в современной нейробиологии. Эти исследователи помогли установить фундаментальную роль кортико-гиппокампальных сетей в руководстве поведением, основанном на представлении текущего места, времени и ситуации [6, c.698].

Нобелевская премия по физиологии и медицине за 2014 год – это огромный триумф Джона О'Кифа, Мэй-Бритт и Эдварда Мозеров и историческое событие для когнитивной и поведенческой неврологии. Нейронные представления, расшифрованные на основе потенциалов действия, образуют механический мост между мозгом и сознанием и демонстрируют преемственность психологии с биологией и физическими науками [4, c. 745]. Теория когнитивных карт стала основой для продолжающейся международной исследовательской программы, вдохновленной книгой Хебба "Организация поведения. Нью-Йорк, Нью-Йорк: Wiley), который показал путь к связыванию специфических паттернов нейронной активности с представлением и обработкой данных на высоком уровне. Премия отмечает путь, который привел от фундаментальных философских вопросов о психологическом пространстве к непреходящим научным фактам: расположение, направление головы, сетка и границы полей в гиппокампе, пресубикулуме, энторинальной коре и других областях мозга обеспечивают клеточную основу пространственного поведения, обучения и памяти. Присуждая эту премию, Нобелевский комитет поддержал нейроэтологию и сравнительную психологию, поставил точку в дискуссии о существовании когнитивных способностей у животных и признал когнитивную нейрофизиологию. "Внутренний GPS" в мозге демонстрирует "клеточную основу для высших когнитивных функций". Животные представляют, обрабатывают и используют информацию, определяемую абстрактными отношениями между предметами (О'Киф и Конвей), для руководства гибкими, целенаправленными действиями. Помимо повышения онтологического статуса "разума животных", комитет согласился с тем, что абстрактные ментальные представления могут быть тщательно исследованы путем регистрации активности отдельных элементов в мозге ведущих себя животных [6, c.699].

Таким образом, проведенные исследования помогли установить фундаментальную роль кортико-гиппокампальных сетей в руководстве поведением, основанном на представлении текущего места, времени и ситуации, и послужили основой для развития теории когнитивных карт и иных международных исследовательских программ.

Список литературы:

1. Burgess N. The 2014 Nobel Prize in Physiology or Medicine: a spatial model for cognitive neuroscience // Neuron. – 2014. – № 84(6). – P. 1120-1125.
2. Chen T.T., Li Z.P. Research and discovery of "inner GPS" of brain // Zhonghua Yi Shi Za Zhi. – 2023. – №53(4). Р. 251-256. 
3. Fenton A.A. Coordinating with the "Inner GPS" // Hippocampus. – 2015. – № 25(6). – Р. 763-769.
4. Hasselmo M.E., Stern C.E. Current questions on space and time encoding // Hippocampus. – 2015. – № 25(6). – Р. 744-752.
5. Shapiro M. A limited positioning system for memory // Hippocampus. – 2015. – № 25(6). – Р. 690-696.
6. Zucker H.R., Ranganath C. Navigating the human hippocampus without a GPS // Hippocampus. – 2015. – №25(6). – Р. 697-703.
7. Электронный ресурс https://habr.com/en/articles/361893/?mobile=yes)
8. Электронный ресурс https://scientificrussia.ru/articles/opredelenie-napravlenija)