Команда из лабораторий Ли и Харриса разработала новую систему, сочетающую виртуальную реальность и интерфейс между мозгом и компьютером для исследования мыслей крыс. Они обнаружили, что животные, как и люди, могут думать о местах и ​​объектах, которые не находятся прямо перед ними. Например, они представляют, как они туда идут или перемещают куда-то некий отдаленный объект.

Как и в случае с людьми, когда грызуны знакомятся с местами и событиями, в гиппокампе — области мозга, ответственной за пространственную память — активируются определенные нейронные паттерны. Новое исследование показывает, что крысы могут намеренно генерировать эти паттерны, чтобы вспомнить удаленные места.

"Крыса действительно может активировать представление мест в окружающей среде, не заходя туда, — говорит первый автор статьи Чонгси Лай. — Даже если ее физическое тело зафиксировано, пространственные мысли могут отправиться очень далеко".

Эта способность представлять места вдали от текущего местоположения имеет основополагающее значение для запоминания прошлых событий и представления возможных сценариев будущего. Таким образом, результаты научной работы показывают, что, по мнению авторов исследования, животные, как и люди, обладают некоторой формой воображения.

"Воображать — одна из замечательных способностей, которой обладают люди. Теперь мы обнаружили, что животные тоже могут это делать, и нашли способ изучить это", — говорит Альберт Ли, ранее руководивший группой в исследовательском кампусе Джанелия, а в настоящее время научный сотрудник HHMI в медицинском центре Бет Израиль Диконесс.

Новый интерфейс

Проект начался девять лет назад, когда Лай приехал в Джанелию с идеей проверить, могут ли животные думать. Его советник, старший научный сотрудник Джанелии Тим Харрис, предложил Лаю зайти в соседнее помещение и поговорить с Ли, который задавал похожие вопросы.

Вместе их лаборатории работали над разработкой системы, позволяющей понять, о чем думают животные. Это был своего рода "детектор мыслей", работающий в режиме реального времени, который мог бы измерять нейронную активность и интерпретировать то, что она означает.

В системе используется нейрокомпьютерный интерфейс (НКИ), который обеспечивает прямую связь между активностью мозга и внешним устройством. В разработанной командой системе, он является связующим звеном между гиппокампом крысы и ее положением на виртуальной арене.

Гиппокамп хранит мысленные карты мира, участвующие в воспоминании прошлых событий и визуализации сценариев будущего. Воспроизведение памяти включает в себя создание определенных паттернов активности этой части мозга, связанных с местами и событиями. До сих пор не было известно, могут ли животные контролировать эту деятельность.

НКИ позволил исследователям проверить, может ли крыса активировать гиппокамп, чтобы просто думать о конкретном месте на арене, не посещая его физически. По сути — может ли животное представить себе перемещение в определенную локацию.

Исследование мыслей крысы

После того, как исследователи разработали свою систему, им пришлось создать "словарь мыслей", который позволил бы им расшифровывать сигналы мозга крысы. В этой базе данных собрано описание того, как выглядят паттерны активности, когда крыса что-то испытывает — в данном случае, места на виртуальной арене.

Животное поместили в систему виртуальной реальности, разработанной Синсуке Танакой, постдоком лаборатории Ли. Когда крыса ходила по сферической беговой дорожке, ее движения транслировались на 360-градусном экране. Когда же грызун достигал своей цели, он получал награду.

В то же время система НКИ регистрировала активность гиппокампа подопытного. Так исследователи смогли увидеть, какие нейроны активируются, когда крыса перемещается по арене, чтобы достичь каждой цели. Эти сигналы обеспечили основу для работы гиппокампального интерфейса в реальном времени, при этом активность мозга преобразовывалась в действия на экране.

Затем исследователи отключили беговую дорожку и вознаградили крысу за воспроизведение паттерна активности гиппокампа, связанного с целевым местоположением. В этом задании, получившим название "Телепорт" (англ. Jumper), в честь одноименного фильма 2008 года, НКИ переводит мозговую активность животного в движение на экране виртуальной реальности. По сути, грызун использует свои мысли, чтобы добраться до награды, думая о том, куда ему нужно пойти. Этот мыслительный процесс — то, что люди испытывают регулярно. Например, когда нас просят купить продукты в знакомом магазине,  прежде чем выйти из дома, мы можем представить себе места, которые проедем по пути.

Во втором задании "Джедай" (отсылка к "Звездным войнам"), крыса перемещает объект в определенное место, используя только мысли. Животное фиксируется в виртуальном пространстве, но "передвигает" объект к цели, управляя активностью гиппокампа, подобно тому, как человек, сидящий в офисе, может представить, что берет чашку и наполняет ее кофе. Затем исследователи изменили местоположение цели, что потребовало от животного воспроизвести паттерны, связанные с новым местоположением.

Команда обнаружила, что крысы могут точно и гибко контролировать активность гиппокампа, точно так же, как это делают люди. Животные также способны поддерживать это состояние, удерживая свои мысли в определенном месте в течение многих секунд — период времени, аналогичный тому, в котором люди заново переживают прошлые события или представляют себе новые сценарии.

Исследование также показывает, что НКИ можно использовать для исследования активности гиппокампа, создавая новую систему для изучения этой важной области мозга. По мнению авторов, поскольку интерфейс все чаще используется в протезировании, эта новая работа также открывает возможность разработки новых протезных устройств, основанных на тех же принципах.

Научная работа опубликована в журнале Science.