Нейроны направления головы: компас мозга и предсказание движения

Введение

Тип нейрона, участвующего в пространственной обработке. Клетки направления головы (HD) – это нейроны, обнаруженные в ряде областей мозга, которые увеличивают частоту возбуждения выше базового уровня только тогда, когда голова животного направлена в определенном направлении. Они зарегистрированы у крыс, обезьян, мышей, шиншилл и летучих мышей, но предполагается, что они распространены у всех млекопитающих, возможно, у всех позвоночных и даже у некоторых беспозвоночных, и лежат в основе «чувства направления». Когда голова животного обращена в «предпочтительное направление возбуждения» клетки, эти нейроны генерируют устойчивый импульс (то есть не проявляют адаптации), но частота возбуждения снижается до базового уровня, когда голова животного поворачивается от предпочтительного направления (обычно примерно на 45° от этого направления). Клетки HD обнаруживаются во многих областях мозга, включая кортикальные области постсубикуля (также известного как дорсальный пресубикулум), ретросплениальную кору и энторинальную кору, а также в подкорковых областях, включая таламус (переднее дорсальное и латеральное дорсальное ядра), латеральное млечное ядро, дорсальное тегментальное ядро и стриатум. Считается, что кортикальные клетки направления головы обрабатывают информацию об окружающей среде, в то время как подкорковые клетки обрабатывают информацию об угловых движениях головы. Примечательной особенностью клеток HD является то, что в большинстве областей мозга они сохраняют одни и те же относительные предпочтительные направления возбуждения, даже если животное перемещается в другую комнату или если ориентиры меняют свое положение. Это позволяет предположить, что клетки взаимодействуют, поддерживая единый стабильный сигнал направления (см. «Теоретические модели»). Однако недавно в дисгранулярной части ретросплениальной коры была обнаружена субпопуляция нейронов HD, способная функционировать независимо от остальной сети и более чувствительная к сигналам окружающей среды. Эта система связана с системой клеток местоположения, расположенной в гиппокампе, которая в основном инвариантна к ориентации и специфична для местоположения, в то время как клетки HD в основном специфичны к ориентации и инвариантны к местоположению. Однако для проявления специфичности направления головы клеткам HD не требуется функционирующий гиппокамп. Они зависят от вестибулярной системы, а их активность не зависит от положения тела животного относительно его головы. Некоторые клетки HD демонстрируют предвосхищающее поведение: наилучшее соответствие между активностью HD и фактическим направлением головы животного наблюдается на 95 мс в будущем. То есть, активность клеток направления головы предсказывает, каким будет направление головы животного через 95 мс. Это, возможно, отражает входные данные из двигательной системы («копия двигательного эфферентного сигнала»), готовящей сеть к предстоящему повороту головы. Клетки HD продолжают генерировать импульсы организованным образом во время сна, как будто животное бодрствует. Однако вместо того, чтобы всегда указывать в одном направлении – животное спит и, следовательно, неподвижно – нейронная «стрелка компаса» постоянно движется. В частности, во время фазы быстрого сна с движениями глаз, состояния мозга, богатого сновидениями у людей, чья электрическая активность практически не отличается от активности мозга в состоянии бодрствования, этот направленный сигнал движется так, как если бы животное было бодрствующим: то есть нейроны HD активируются последовательно, и отдельные нейроны, представляющие общее направление во время бодрствования, остаются активными или молчащими одновременно.

Type of neuron involved in spatial processingHead direction (HD) cells are neurons found in a number of brain regions that increase their firing rates above baseline levels only when the animal's head points in a specific direction. They have been reported in rats, monkeys, mice, chinchillas and bats, but are thought to be common to all mammals, perhaps all vertebrates and perhaps even some invertebrates, and to underlie the "sense of direction". When the animal's head is facing in the cell's "preferred firing direction" these neurons fire at a steady rate (i. e., they do not show adaptation), but firing decreases back to baseline rates as the animal's head turns away from the preferred direction (usually about 45° away from this direction). HD cells are found in many brain areas, including the cortical regions of postsubiculum (also known as the dorsal presubiculum), retrosplenial cortex, and entorhinal cortex, and subcortical regions including the thalamus (the anterior dorsal and the lateral dorsal thalamic nuclei), lateral mammillary nucleus, dorsal tegmental nucleus and striatum. It is thought that the cortical head direction cells process information about the environment, while the subcortical ones process information about angular head movements. A striking characteristic of HD cells is that in most brain regions they maintain the same relative preferred firing directions, even if the animal is moved to a different room, or if landmarks are moved. This has suggested that the cells interact so as to maintain a unitary stable heading signal (see "Theoretical models"). Recently, however, a subpopulation of HD neurons has been found in the dysgranular part of retrosplenial cortex that can operate independently of the rest of the network, and which seems more responsive to environmental cues. The system is related to the place cell system, located in the hippocampus, which is mostly orientation invariant and location specific, whereas HD cells are mostly orientation specific and location invariant. However, HD cells do not require a functional hippocampus to express their head direction specificity. They depend on the vestibular system, and the firing is independent of the position of the animal's body relative to its head. Some HD cells exhibit anticipatory behaviour: the best match between HD activity and the animal's actual head direction has been found to be up to 95 ms in future. That is, activity of head direction cells predicts, 95 ms in advance, what the animal's head direction will be. This possibly reflects inputs from the motor system ("motor efference copy") preparing the network for an impending head turn. HD cells continue to fire in an organized manner during sleep, as if animals were awake. However, instead of always pointing toward the same direction—the animals are asleep and thus immobile—the neuronal "compass needle" moves constantly. In particular, during rapid eye movement sleep, a brain state rich in dreaming activity in humans and whose electrical activity is virtually indistinguishable from the waking brain, this directional signal moves as if the animal is awake: that is, HD neurons are sequentially activated, and the individual neurons representing a common direction during wake are still active, or silent, at the same time.

Влияние на вестибулярные органы

HD-сеть использует инерционные и другие сигналы, связанные с движением, и поэтому продолжает функционировать даже при отсутствии света. Эти инерционные свойства зависят от вестибулярной системы, в особенности от полукружных каналов внутреннего уха, которые передают сигналы о вращениях головы. HD-система интегрирует сигналы вестибулярной системы для поддержания сигнала, отражающего суммарное вращение. Однако эта интеграция не является идеальной, особенно при медленных вращениях головы. Если поместить животное на изолированную платформу и медленно вращать его в темноте, выравнивание HD-системы обычно немного смещается при каждом вращении. Если животное исследует темную среду без каких-либо ориентирующих сигналов, выравнивание HD-системы имеет тенденцию медленно и случайным образом отклоняться со временем.

Визуальные и другие сенсорные воздействия

Одним из самых интересных аспектов клеток головного направления является то, что их активность не полностью определяется сенсорными характеристиками окружающей среды. Когда животное впервые попадает в новую среду, ориентация системы головного направления является произвольной. В течение первых нескольких минут исследования животное учится связывать ориентиры в среде с направлениями. Когда животное возвращается в ту же среду позже, и система головного направления оказалась дезориентированной, усвоенные ассоциации служат для её повторной ориентации. Возможно временно нарушить ориентацию системы головного направления, например, выключив свет на несколько минут. Даже в темноте система головного направления продолжает функционировать, но её соответствие окружающей среде может постепенно отклоняться. Когда свет включается снова, и животное вновь видит ориентиры, система головного направления обычно быстро возвращается к нормальной ориентации. Иногда повторная ориентация задерживается: клетки могут сохранять аномальную ориентацию в течение нескольких минут, но затем резко возвращаются к нормальной. В соответствии с отклонением в темноте, клетки головного направления не чувствительны к полярности геомагнитных полей. Если подобные эксперименты с дезориентацией 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 головного направления, и в конечном итоге система переходит в состояние, когда демонстрирует различное и случайное выравнивание в каждом испытании.

One of the most interesting aspects of head direction cells is that their firing is not fully determined by sensory features of the environment. When an animal comes into a novel environment for the first time, the alignment of the head direction system is arbitrary. Over the first few minutes of exploration, the animal learns to associate the landmarks in the environment with directions. When the animal comes back into the same environment at a later time, if the head direction system is misaligned, the learned associations serve to realign it. It is possible to temporarily disrupt the alignment of the HD system, for example by turning out the lights for a few minutes. Even in the dark, the HD system continues to operate, but its alignment to the environment may gradually drift. When the lights are turned back on and the animal can once more see landmarks, the HD system usually comes rapidly back into the normal alignment. Occasionally the realignment is delayed: the HD cells may maintain an abnormal alignment for as long as a few minutes, but then abruptly snap back. Consistent with the drifting in the dark, HD cells are not sensitive to the polarity of geomagnetic fields. If these sorts of misalignment experiments are done too often, the system may break down. If an animal is repeatedly disoriented, and then placed into an environment for a few minutes each time, the landmarks gradually lose their ability to control the HD system, and eventually, the system goes into a state where it shows a different, and random, alignment on each trial
There is evidence that the visual control of HD cells is mediated by the postsubiculum. Lesions of the postsubiculum do not eliminate thalamic HD cells, but they often cause the directionality to drift over time, even when there are plenty of visual cues. Thus, HD cells in postsubiculum lesioned animals behave like HD cells in intact animals in the absence of light. Also, only a minority of cells recorded in the postsubiculum are HD cells, and many of the others show visual responses. In familiar environments, HD cells show consistent preferred directions across time as long as there is a polarizing cue of some sort that allows directions to be identified (in a cylinder with unmarked walls and no cues in the distance, preferred directions may drift over time).

Существуют данные, свидетельствующие о том, что визуальный контроль клеток головного направления опосредован постсубикулумом. Повреждения постсубикулума не устраняют таламотические клетки головного направления, но часто приводят к отклонению их ориентации со временем, даже при наличии достаточного количества визуальных сигналов. Таким образом, клетки головного направления у животных с повреждением постсубикулума ведут себя как клетки головного направления у здоровых животных в отсутствие света. Кроме того, лишь небольшая часть клеток, регистрируемых в постсубикулуме, являются клетками головного направления, и многие другие демонстрируют визуальные реакции. В знакомых средах клетки головного направления показывают стабильные предпочтительные направления во времени, при условии наличия какого-либо поляризующего сигнала, позволяющего идентифицировать направления (в цилиндре с немаркированными стенами и отсутствием сигналов на расстоянии предпочтительные направления могут отклоняться со временем).

Теоретические модели

Свойства системы определения направления движения, особенно её устойчивость в темноте и постоянная взаимосвязь направлений активации между клетками независимо от изменений в окружающей среде, подсказали ранним теоретикам, и до сих пор поддерживается, представление о том, что клетки могут быть организованы в виде кольцевого аттрактора, включая одновременно предложенные модели Чжана и Редиша и Турецкого. В этих моделях, являющихся типом сети аттракторов, пары клеток, кодирующих близкие направления, связаны сильнее, чем пары клеток, кодирующих далёкие ориентации. Благодаря глобальному торможению эти взаимодействия приводят к стабилизации активности, так что представление одной ориентации более устойчиво, чем состояния, представляющие несколько некогерентных ориентаций. Таким образом, эти клетки можно представить как формирующие воображаемое кольцо, где каждая клетка возбуждает клетки, кодирующие её собственное или соседние направления, и подавляет клетки, кодирующие другие направления. Ключевым выводом, сделанным на основе этих моделей, стало то, что топология селективности ориентации (кольцо) определяется внутренними связями, в то время как внешние сигналы ассоциируются с этими внутренними представлениями. Таким образом, клетки направления движения, как и клетки места, не являются простыми сенсорными ответами. В этих моделях и их последующих версиях информация об изменениях ориентации животного, поступающая от вестибулярных и визуальных сигналов движения, обеспечивается смещёнными связями, а информация от дистальных сигналов – посредством выученных входных связей. Недавно прямые доказательства подобной организации были получены на насекомых; у млекопитающих предполагается, что "кольцо" распределено и не имеет чёткой геометрической анатомической формы. Хотя прямых анатомических доказательств существования таких возбуждающих межклеточных связей между клетками направления движения нет, ряд предсказаний, сделанных моделями, был подтверждён, например, изменение кривых настройки во время вращения влево и вправо, а также изменения при дрейфе и переориентации. Альтернативная модель была предложена Сонгом и Вангом, в которой тот же механизм аттрактора мог бы быть реализован посредством тормозных связей. Были предложены и более сложные матрицы связей, способные создавать математически эквивалентные системы, однако доказательств в пользу этих альтернативных моделей недостаточно.

The properties of the head direction system particularly its persistence in the dark, and also the constant relationship of firing directions between cells regardless of environmental changes suggested to early theoreticians the still accepted notion that the cells might be organized in the form of a ring attractor, including simultaneously proposed models by Zhang and by Redish and Touretzky. In these models, which are a type of attractor network with pairs of cells representing nearby directions being more strongly coupled than pairs of cells representing distant orientations. With global inhibition, these interactions cause activity to stabilize, such that a representation of a single orientation is more stable than states representing multiple incoherent orientations. Thus, these cells can be conceptualized as forming an imaginary ring, with each cell exciting cells coding for its own or neighboring directions, and suppressing cells coding for other directions. A key insight provided by these models was that the topology of the orientation selectivity (the ring) came from internal connections, while external cues were associated with those internal representations. Thus head direction cells, like place cells, were not simple sensory responses. In these models and their subsequent versions, information about changes in the animal's orientation provided by vestibular and visual motion signals were provided by off shifted connections, while information from distal cues were provided by learned input connections. Direct evidence for such an organization in insects was recently reported: in mammals it is assumed that the "ring" is distributed, and not a geometric anatomical form. While direct anatomical evidence for such excitatory interconnections between head direction cells is lacking, several predictions from the models have been confirmed, such as how the tuning curves would change during left and right rotations, and changes during drift and reorientation. An alternative model has also been proposed by Song and Wang, in which the same attractor mechanism could be implemented with inhibitory interconnections instead. More complex connection matrices that can produce mathematically equivalent systems have also been proposed, but evidence for these alternate models is lacking.

История

Клетки направления головы были обнаружены Джеймсом Б. Рэнком-младшим в спинном пресубикулуме крысы, структуре, расположенной рядом с гиппокампом на спинно-каудальной поверхности мозга. Ранк сообщил о своем открытии в тезисах Общества нейронаук в 1984 году. Джеффри Тауб, постдокторант, работавший в лаборатории Рэнка, сделал эти клетки объектом своих исследований. Тауб, Ранк и Боб Мюллер обобщили свои результаты в двух статьях в журнале Journal of Neuroscience в 1990 году. Эти основополагающие работы послужили фундаментом для всех последующих исследований. Тауб, после получения должности в Дартмутском колледже, посвятил свою карьеру изучению клеток направления головы и внес значительный вклад в ряд важнейших открытий, а также написал несколько ключевых обзорных статей. Постсубикулум имеет многочисленные анатомические связи. Прослеживание этих связей привело к обнаружению клеток направления головы в других отделах мозга. В 1993 году Мизумори и Уильямс сообщили об обнаружении клеток направления головы в небольшой области таламуса крысы, называемой латеральным дорсальным ядром. Два года спустя Тауб обнаружил клетки направления головы в близлежащих передних ядрах таламуса. Чэнь и соавторы обнаружили ограниченное количество клеток направления головы в задних отделах неокортекса. Наблюдение в 1998 году клеток направления головы в латеральной маммилярной области гипоталамуса завершило интересную закономерность: парагиппокамп, маммилярные тела, передний таламус и ретросплениальная кора – все являются элементами нейронной петли, называемой схемой Папеза, предложенной Уолтером Папезом в 1939 году как нейронный субстрат эмоций. Ограниченное количество устойчивых клеток направления головы также наблюдалось в гиппокампе и спинном стриатуме. Недавно значительное количество клеток направления головы было обнаружено в медиальной энторинальной коре, перемешанных с пространственно-настроенными клетками сетки. Замечательные свойства клеток направления головы, особенно их концептуальная простота и способность поддерживать активность при удалении или искажении зрительных сигналов, вызвали значительный интерес со стороны теоретических 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 рабочую память. Клетки направления головы были описаны у многих различных видов животных, включая крыс, мышей, приматов и летучих мышей. У летучих мышей система направления головы трехмерна, а не только вдоль горизонтальной плоскости, как у грызунов. Нейронная сеть, подобная системе направления головы, также присутствует у дрозофилы, где клетки направления головы анатомически расположены вдоль кольца.

Head direction cells were discovered by James B. Ranck, Jr., in the rat dorsal presubiculum, a structure that lies near the hippocampus on the dorsocaudal brain surface. Ranck reported his discovery in a Society for Neuroscience abstract in 1984. Jeffrey Taube, a postdoctoral fellow working in Ranck's laboratory, made these cells the subject of his research. Taube, Ranck and Bob Muller summarized their findings in a pair of papers in the Journal of Neuroscience in 1990. These seminal papers served as the foundation for all of the work that has been done subsequently. Taube, after taking a position at Dartmouth College, has devoted his career to the study of head direction cells, and been responsible for a number of the most important discoveries, as well as writing several key review papers. The postsubiculum has numerous anatomical connections. Tracing these connections led to the discovery of head direction cells in other parts of the brain. In 1993, Mizumori and Williams reported finding HD cells in a small region of the rat thalamus called the lateral dorsal nucleus. Two years later, Taube found HD cells in the nearby anterior thalamic nuclei. Chen et al. found limited numbers of HD cells in posterior parts of the neocortex. The observation in 1998 of HD cells in the lateral mammillary area of the hypothalamus completed an interesting pattern: the parahippocampus, mammillary nuclei, anterior thalamus, and retrosplenial cortex are all elements in a neural loop called the Papez circuit, proposed by Walter Papez in 1939 as the neural substrate of emotion. Limited numbers of robust HD cells have also been observed in the hippocampus and dorsal striatum. Recently, substantial numbers of HD cells have been found in the medial entorhinal cortex, intermingled with spatially tuned grid cells. The remarkable properties of HD cells, most particularly their conceptual simplicity and their ability to maintain firing when visual cues were removed or perturbed, led to considerable interest from theoretical neuroscientists. Several mathematical models were developed, which differed on details but had in common a dependence on mutually excitatory feedback to sustain activity patterns: a type of working memory, as it were. HD cells have been described in many different animal species, including rats, mice, non human primates and bats. In bats, the HD system is three dimensional, and not only along the horizontal plane as in rodents. A HD like neuronal network is also present in the drosophila, in which the HD cells are anatomically arranged along a ring.