Активность гиппокампа синхронизируется с локомоцией при решении навигационных задач

Гиппокамп млекопитающих отвечает за пространственное восприятие и память, а также за навигацию. До настоящего времени считалось, что работа гиппокампа диссоциирована от локомоторных процессов, таких как движение конечностей, которые контролируются подкорковыми структурами. Новое исследование, опубликованное американскими учеными, показало, что у крыс при решении навигационных задач активность гиппокампа синхронизируется с циклом шагания.

Авторы помещали крыс в W-образный лабиринт (три коридора, под прямым углом отходящих от одного), прохождение которого требовало применения пространственной памяти и принятия навигационных решений. Чтобы получить вознаграждение, крыса должна была воспроизвести правильную последовательность перемещений из центрального коридора в левый или правый. Таким образом, направления движения животного внутри лабиринта можно разделить на исходящие (из центрального коридора) и возвратные (в центральный коридор). Т-образный перекресток в конце центрального коридора представляет собой место принятия решения. Ученые замеряли тета-ритм головного мозга, наиболее выраженный именно в гиппокампе, и записывали движения крысы через прозрачный пол лабиринта для дальнейшего анализа.

Первым делом исследователи подтвердили описанную ранее корреляцию между скоростью движения и частотой тета-ритма. Интересно, что сила корреляции была выше на исходящих (более сложных) траекториях. Дальнейший детальный анализ движения отдельных конечностей показал, что пиковая частота движения каждой из передних лап составляет 4 Гц. Таким образом, пиковая частота движения крысы составляет 8 Гц, что соответствует пиковой частоте тета-ритма, которая оставалась постоянной на исходящих и возвратных траекториях. Однако корреляция между частотой шагов и частотой тета-ритма наблюдалась только при движении по исходящему направлению.

Далее авторы использовали ранее разработанную ими компьютерную модель, позволяющую «декодировать» мысленную позицию животного из активности гиппокампа. Таким образом возможно с определенной долей точности предположить, на какой точке пространства крыса сосредоточена в каждый момент времени. Данные о мысленной позиции были наложены во времени на данные о моментах касания передними лапами земли. Оказалось, что в цикле шагания мысленный фокус крысы наиболее близок к ее реальной позиции в тот момент, когда передняя лапа касается пола. Далее фокус «опережает» животное, выдвигаясь вперед, после чего опять возвращается на реальную позицию, когда другая лапа соприкасается с полом. Как и в предыдущих экспериментах, такая синхронизация гиппокампа с локомоторной активностью наблюдалась только на исходящих траекториях, при подходе к месту принятия навигационного решения.

Таким образом, эта работа показала возможность ситуативной синхронизации между активностью гиппокампа и движением конечностей у крыс. Авторы считают, что дальнейшие исследования могут раскрыть связь между восприятием пространства и сенсорно-моторными процессами и у других видов.

Сыворотка пациентов, которым угрожает болезнь Альцгеймера, нарушает развитие нейронов гиппокампа