Клетки направления головы ( HD ) — это нейроны, обнаруженные в ряде областей мозга, которые увеличивают свою частоту срабатывания выше базового уровня только тогда, когда голова животного указывает в определенном направлении. Они были зарегистрированы у крыс, [1] обезьян, [2] мышей, [3] шиншилл [4] и летучих мышей, [5], но считается, что они являются общими для всех млекопитающих , возможно, всех позвоночных [6] [7] и, возможно, даже некоторых беспозвоночных, [8] и лежат в основе «чувства направления». Когда голова животного обращена в «предпочтительном направлении срабатывания» клетки, эти нейроны срабатывают с постоянной частотой (т. е. они не демонстрируют адаптации ), но срабатывание уменьшается до базового уровня, когда голова животного отворачивается от предпочтительного направления (обычно примерно на 45° от этого направления). [9]
HD-клетки обнаружены во многих областях мозга, включая корковые области постсубикулума (также известные как дорсальный пресубикулум), ретроспленальную кору , [10] и энторинальную кору , [11] и подкорковые области, включая таламус (переднее дорсальное [12] и латеральное дорсальное [13] таламические ядра), латеральное маммиллярное ядро , [14] дорсальное тегментальное ядро и полосатое тело . Считается, что корковые клетки направления головы обрабатывают информацию об окружающей среде, в то время как подкорковые обрабатывают информацию об угловых движениях головы. [15]
Поразительной характеристикой HD-клеток является то, что в большинстве областей мозга они сохраняют те же самые предпочтительные направления срабатывания, даже если животное перемещается в другую комнату или если перемещаются ориентиры. Это предполагает, что клетки взаимодействуют таким образом, чтобы поддерживать единый стабильный сигнал направления (см. «Теоретические модели»). Однако недавно в дисгранулярной части ретроспленальной коры была обнаружена субпопуляция HD-нейронов, которая может работать независимо от остальной части сети и которая, по-видимому, более чувствительна к внешним сигналам. [16]
Система связана с системой клеток места , расположенной в гиппокампе , [17] которая в основном инвариантна к ориентации и специфична к местоположению, тогда как клетки HD в основном инвариантны к ориентации и специфичны к местоположению. Однако клеткам HD не требуется функциональный гиппокамп для выражения специфичности направления головы. [18] Они зависят от вестибулярной системы , [19] и их активация не зависит от положения тела животного относительно его головы. [20]
Некоторые HD-клетки демонстрируют упреждающее поведение: [21] было обнаружено, что наилучшее соответствие между активностью HD и фактическим направлением головы животного составляет до 95 мс в будущем. То есть активность клеток направления головы предсказывает на 95 мс вперед, каким будет направление головы животного. Это, возможно, отражает входные данные от двигательной системы («копия двигательной эфферентности»), подготавливая сеть к предстоящему повороту головы.
Клетки HD продолжают организованно активироваться во время сна, как если бы животные бодрствовали. [22] Однако вместо того, чтобы всегда указывать в одном и том же направлении — животные спят и, таким образом, неподвижны — нейронная «стрелка компаса» постоянно движется. В частности, во время сна с быстрым движением глаз , состояния мозга, богатого сновидческой активностью у людей, и электрическая активность которого практически неотличима от бодрствующего мозга, этот направленный сигнал движется так, как если бы животное бодрствовало: то есть нейроны HD последовательно активируются, и отдельные нейроны, представляющие общее направление во время бодрствования, все еще активны или молчат в то же время.
Сеть HD использует инерционные и другие входные данные, связанные с движением, и, таким образом, продолжает работать даже при отсутствии света. Эти инерционные свойства зависят от вестибулярной системы , особенно от полукружных каналов внутреннего уха , которые сигнализируют о поворотах головы. [23] Система HD интегрирует вестибулярный выход для поддержания сигнала, отражающего кумулятивное вращение. Однако интеграция не идеальна, особенно при медленных поворотах головы. Если животное помещают на изолированную платформу и медленно вращают в темноте, выравнивание системы HD обычно немного смещается для каждого поворота. Если животное исследует темную среду без направляющих сигналов, выравнивание HD имеет тенденцию медленно и случайным образом дрейфовать с течением времени.
Одним из самых интересных аспектов нейронов направления головы является то, что их активация не полностью определяется сенсорными особенностями окружающей среды. Когда животное впервые попадает в новую среду, выравнивание системы направления головы является произвольным. В течение первых нескольких минут исследования животное учится связывать ориентиры в окружающей среде с направлениями. Когда животное возвращается в ту же среду позднее, если система направления головы смещена, усвоенные ассоциации служат для ее перевыравнивания.
Можно временно нарушить выравнивание системы HD, например, выключив свет на несколько минут. Даже в темноте система HD продолжает работать, но ее выравнивание с окружающей средой может постепенно смещаться. Когда свет снова включается, и животное снова может видеть ориентиры, система HD обычно быстро возвращается к нормальному выравниванию. Иногда перестройка задерживается: клетки HD могут сохранять ненормальное выравнивание в течение нескольких минут, но затем резко возвращаются обратно. В соответствии с дрейфом в темноте, клетки HD не чувствительны к полярности геомагнитных полей. [24]
Если подобные эксперименты по несовпадению проводятся слишком часто, система может выйти из строя. Если животное неоднократно дезориентируют, а затем помещают в среду на несколько минут каждый раз, ориентиры постепенно теряют способность контролировать систему HD, и в конечном итоге система переходит в состояние, в котором она показывает разное и случайное выравнивание при каждом испытании [ необходима ссылка ] .
Существуют доказательства того, что визуальный контроль HD-клеток опосредован постсубикулумом. Повреждения постсубикулума не устраняют таламические HD-клетки, но они часто вызывают дрейф направленности с течением времени, даже когда есть много визуальных сигналов. Таким образом, HD-клетки у животных с повреждением постсубикулума [ проверьте написание ] ведут себя как HD-клетки у здоровых животных при отсутствии света. Кроме того, только меньшинство клеток, зарегистрированных в постсубикулуме, являются HD-клетами, а многие другие демонстрируют визуальные реакции. В знакомой среде HD-клетки показывают постоянные предпочтительные направления с течением времени, пока есть поляризующий сигнал определенного рода, позволяющий идентифицировать направления (в цилиндре с необозначенными стенками и без сигналов на расстоянии предпочтительные направления могут дрейфовать с течением времени) [ необходима ссылка ] .
Свойства системы направления головы — в частности, ее устойчивость в темноте, а также постоянная связь направлений срабатывания между клетками независимо от изменений окружающей среды — навели ранних теоретиков на все еще общепринятое представление о том, что клетки могут быть организованы в форме кольцевого аттрактора, включая одновременно предложенные модели Чжана [25] и Редиша и Турецкого . [26] В этих моделях, которые представляют собой тип сети аттракторов , в которой пары клеток, представляющих близлежащие направления, связаны сильнее, чем пары клеток, представляющих отдаленные ориентации. При глобальном торможении эти взаимодействия вызывают стабилизацию активности, так что представление одной ориентации более стабильно, чем состояния, представляющие несколько некогерентных ориентаций. Таким образом, эти клетки можно концептуализировать как образующие воображаемое кольцо, причем каждая клетка возбуждает клетки, кодирующие свои собственные или соседние направления, и подавляет клетки, кодирующие другие направления. Ключевое понимание, предоставленное этими моделями, состояло в том, что топология избирательности ориентации (кольцо) исходит из внутренних связей, в то время как внешние сигналы связаны с этими внутренними представлениями. Таким образом, клетки направления головы, как и клетки места , не были простыми сенсорными реакциями. В этих моделях и их последующих версиях информация об изменениях в ориентации животного, предоставляемая вестибулярными и визуальными сигналами движения, предоставлялась смещенными связями, в то время как информация от дистальных сигналов предоставлялась усвоенными входными связями. [27] Недавно было сообщено о прямых доказательствах такой организации у насекомых: [28] у млекопитающих предполагается, что «кольцо» распределено, а не имеет геометрической анатомической формы. Хотя прямых анатомических доказательств таких возбуждающих взаимосвязей между клетками направления головы не хватает, несколько предсказаний из моделей были подтверждены, например, как кривые настройки будут меняться во время левых и правых вращений, [27] самосогласованные представления во время сна, [29] и изменения во время дрейфа и переориентации. [30]
Альтернативная модель также была предложена Сонгом и Ваном [31] , в которой тот же механизм аттрактора мог бы быть реализован с ингибирующими взаимосвязями вместо этого. Более сложные матрицы соединений, которые могут производить математически эквивалентные системы, также были предложены [32] , но доказательства для этих альтернативных моделей отсутствуют.
Клетки направления головы были обнаружены Джеймсом Б. Ранком-младшим в дорсальном пресубикулуме крысы, структуре, которая находится около гиппокампа на дорсокаудальной поверхности мозга. Ранк сообщил о своем открытии в реферате Общества нейронауки в 1984 году. [33] Джеффри Таубе, научный сотрудник, работавший в лаборатории Ранка, сделал эти клетки предметом своего исследования. Таубе, Ранк и Боб Мюллер обобщили свои выводы в паре статей в журнале Neuroscience в 1990 году. [34] [35] Эти основополагающие статьи послужили основой для всей работы, которая была проделана впоследствии. Таубе, заняв должность в Дартмутском колледже, посвятил свою карьеру изучению клеток направления головы и был ответственным за ряд важнейших открытий, а также написал несколько ключевых обзорных статей.
Постсубикулум имеет многочисленные анатомические связи. Отслеживание этих связей привело к открытию клеток направления головы в других частях мозга. В 1993 году Мизумори и Уильямс сообщили об обнаружении клеток HD в небольшой области таламуса крысы, называемой латеральным дорсальным ядром . [36] Два года спустя Таубе обнаружил клетки HD в близлежащих передних ядрах таламуса . [37] Чен и др. обнаружили ограниченное количество клеток HD в задних частях неокортекса. [38] Наблюдение в 1998 году клеток HD в латеральной маммиллярной области гипоталамуса завершило интересную картину: парагиппокамп, маммиллярные ядра, передний таламус и ретросплениальная кора являются элементами нервной петли, называемой цепью Папеза , предложенной Уолтером Папеза в 1939 году в качестве нейронного субстрата эмоций. Ограниченное количество надежных HD-клеток также наблюдалось в гиппокампе и дорсальном стриатуме. Недавно значительное количество HD-клеток было обнаружено в медиальной энторинальной коре, перемешанной с пространственно настроенными решетчатыми клетками .
Замечательные свойства HD-клеток, в особенности их концептуальная простота и их способность поддерживать активность при удалении или нарушении визуальных сигналов, вызвали значительный интерес со стороны теоретиков-нейробиологов. Было разработано несколько математических моделей, которые различались в деталях, но имели общую зависимость от взаимно возбуждающей обратной связи для поддержания паттернов активности: своего рода рабочая память . [39]
Клетки HD были описаны у многих видов животных, включая крыс, мышей, нечеловекообразных приматов [40] и летучих мышей. [41] У летучих мышей система HD трехмерна, а не только вдоль горизонтальной плоскости, как у грызунов. Нейронная сеть, подобная HD, также присутствует у дрозофилы, в которой клетки HD анатомически расположены вдоль кольца.