Учёные из исследовательского кампуса Janelia при HHMI обнаружили, что животные, а в частности крысы, обладают воображением. Группа специалистов из лабораторий Ли и Харриса разработала новую систему, сочетающую виртуальную реальность и интерфейс «мозг-машина», чтобы изучить мысли крыс.
Они обнаружили, что, как и люди, животные могут думать о местах и предметах, которые не находятся прямо перед ними, используя свои мысли, чтобы представить, как они идут к тому или иному месту или перемещают удалённый предмет в определённую точку.
Как и у людей, у грызунов, когда последние при помощи органов чувств воспринимают места и события, в гиппокампе — области мозга, отвечающей за пространственную память — активизируются специфические паттерны нейронной активности. Новое исследование показало, что крысы могут по своему желанию генерировать такие же паттерны активности и делать это для того, чтобы вспомнить удалённые от их текущего положения места.
«Крыса действительно может активировать репрезентацию мест в окружающей среде, не перемещаясь туда, — говорит Чонгси Лай, постдок из лаборатории Харриса и Ли и первый автор статьи, описывающей новые результаты. — Даже если её физическое тело неподвижно, её пространственные мысли могут отправиться в очень отдалённое место».
Эта способность представлять себе места, удалённые от текущего положения человека, является основополагающей для запоминания прошлых событий и воображения возможных сценариев будущего. Поэтому, по мнению авторов исследования, новая работа показывает, что животные, как и люди, обладают определённой формой воображения.
«Воображение — это одна из самых замечательных вещей, на которые способен человек. Теперь мы обнаружили, что животные тоже могут это делать, и нашли способ изучить его», — говорит Альберт Ли, бывший руководитель группы в Janelia, а теперь исследователь HHMI в Beth Israel Deaconess Medical Center.
Новый интерфейс «мозг-машина»
Проект начался девять лет назад, когда Лай пришёл в Janelia в качестве аспиранта с идеей проверить, может ли животное мыслить. Его руководитель, старший научный сотрудник Janelia Тим Харрис, предложил Лаю познакомиться и пообщаться с Ли, работавшим в лаборатории поблизости, у которого были аналогичные вопросы.
Совместными усилиями они разработали систему, позволяющую понять, о чём думают животные — «детектор мыслей», работающий в режиме реального времени и измеряющий нейронную активность и переводящий её смысл.
В системе используется интерфейс «мозг-машина» (brain-machine interface, BMI), который обеспечивает прямую связь между активностью мозга и внешним устройством. В разработанной командой системе BMI обеспечивает связь между электрической активностью гиппокампа крысы и её положением на 360° арене виртуальной реальности.
Гиппокамп хранит ментальные карты мира, связанные с воспоминаниями о прошлых событиях и воображением будущих сценариев. Воспоминание включает в себя генерацию определённых паттернов активности гиппокампа, связанных с местами и событиями. Однако никто не знал, могут ли животные добровольно управлять этой активностью.
BMI позволяет исследователям проверить, может ли крыса активизировать гиппокамп, чтобы просто думать о каком-либо месте на арене, не отправляясь туда физически; по сути, определяя, способно ли животное представить, что оно идёт в это место.
Исследование мыслей крысы
Разработав систему, исследователи должны были создать «словарь мыслей», который позволил бы им расшифровать сигналы мозга крысы. Этот словарь собирает информацию о том, как выглядит активность крысы, когда она что-то испытывает — в данном случае, места в VR-арене.
Крыса помещается в систему виртуальной реальности, разработанную Синсуке Танакой, постдоком из лаборатории Ли. Когда крыса идёт по сферической беговой дорожке, её движения транслируются на 360-градусный экран. Крыса получает вознаграждение, когда добирается до цели.
Одновременно система BMI регистрирует активность гиппокампа крысы. Исследователи видят, какие нейроны активируются, когда крыса перемещается по арене, чтобы достичь цели. Эти сигналы служат основой для работы системы BMI с гиппокампом в режиме реального времени, когда активность гиппокампа переводится в действия на экране.
Затем исследователи отключают беговую дорожку и вознаграждают крысу за воспроизведение паттерна гиппокампальной активности, связанного с местоположением цели. В этом задании, названном «Телепорт» в честь фильма 2008 года, BMI переводит мозговую активность животного в движение на экране виртуальной реальности. По сути, животное использует свои мысли для навигации к вознаграждению, сначала думая о том, куда ему нужно пойти, чтобы получить вознаграждение. Подобные мыслительные процессы регулярно возникают и у людей. Например, когда нас просят зайти за продуктами в знакомый магазин, мы, прежде чем выйти из дома, представляем себе места, которые будем проходить по пути.
Во второй задаче («Джедай» — отсылка к «Звёздным войнам»} крыса перемещает объект в определённое место только с помощью мыслей. Крыса фиксируется в виртуальном пространстве, но «перемещает» объект к цели в VR-пространстве, управляя активностью гиппокампа, подобно тому, как человек, сидящий в офисе, может представить, что берёт чашку, стоящую рядом с кофеваркой, и наполняет её кофе. Затем исследователи изменили местоположение цели, требуя от животного выработки паттернов активности, связанных с новым местоположением.
Команда обнаружила, что крысы могут точно и гибко управлять активностью гиппокампа, как это, вероятно, делают люди. Животные также способны поддерживать эту активность гиппокампа, удерживая свои мысли на определённом месте в течение многих секунд, что аналогично времени, в течение которого человек переживает прошлые события или представляет себе новые сценарии.
«Поразительно то, как крысы научились думать именно об этом месте, и ни о каком другом, в течение очень длительного периода времени, исходя из нашего, возможно, наивного представления о продолжительности внимания крысы», — говорит Харрис.
Исследование также показывает, что BMI можно использовать для исследования активности гиппокампа, что даёт новую систему для изучения этой важной области мозга. По мнению авторов, поскольку BMI всё чаще используется в протезировании, новая работа открывает возможность создания новых протезов, основанных на тех же принципах.
