Китайские исследователи разработали математическую модель, которая объясняет, как мозг строит точную карту окружающего пространства и находит дорогу даже там, где помещения внешне неразличимы. Результаты работы опубликованы в журнале Neurocomputing.
Модель воспроизводит совместную работу двух областей мозга — энторинальной коры и гиппокампа, отвечающих за когнитивную карту, то есть внутреннее представление о собственном местоположении. Она позволяет людям и животным запоминать маршруты и ориентироваться в незнакомых местах. Ключевую роль в этом играют два типа нейронов: граничные векторные клетки, запоминающие стены и другие ориентиры, и клетки сетки — внутренний шагомер, который отслеживает собственное перемещение.
Исследователи показали, что два навигационных канала — один по стенам и ориентирам, другой по собственному перемещению — подстраховывают друг друга в похожих средах. Если две комнаты одинаковы по форме и стены в них расположены так же, различить их помогает пройденный путь: мозг суммирует сделанные шаги и повороты от входа и по этой внутренней «дороге» понимает, где находится. Если же стены переставили, а пройденный путь остался прежним, новая геометрия помещения работает как «якорь» и заново привязывает карту к местности.
За взаимодействие каналов отвечают латеральное торможение, при котором активные нейроны подавляют соседние, и хеббовская пластичность — механизм, укрепляющий связи между одновременно возбуждающимися клетками. Дополненная алгоритмом планирования маршрутов, модель уверенно находила цель в неоднозначных лабиринтах, тогда как прежние решения полагались на искусственные внешние подсказки, например специальное распознавание дверных проемов.
Открытие «системы позиционирования» мозга растянулось на десятилетия: клетки места, активирующиеся в конкретной точке пространства, обнаружил Джон О'Киф в опытах с крысами в 1970-х годах, а клетки сетки — супруги Мэй-Бритт и Эдвард Мозер в 2005-м. Однако механизм, позволяющий мозгу объединять разнородные сигналы в запутанной среде, до последнего времени оставался неясным.
Авторы рассчитывают, что предложенная схема не только углубит понимание обработки информации в гиппокампе, но и послужит фундаментом для автономных роботов и дронов с мозгоподобной навигацией. Такие машины смогут работать там, где недоступен спутниковый сигнал, — например, под землей, внутри зданий и при исследовании других труднодоступных территорий.
Ранее американские ученые раскрыли секрет формирования мозга.