Наш мозг обладает удивительной способностью создавать подсознательные системы представления, которые позволяют нам не только определять свое местоположение в пространстве, но и связывать текущие события с прошлыми воспоминаниями. Элементы окружающей обстановки, такие как окна, двери, расстановка мебели или книг, мгновенно регистрируются нашим сознанием, формируя основу для навигации и памяти. Когда мы проходим через коридор, выходя из комнаты, в нашем сознании возникает ментальная карта, сотканная из электрической активности сотен нейронов. Эта карта помогает нам воспринимать изменения в текстуре стен, распознавать сигналы, указывающие на наше местоположение, и понимать, что переход через дверной проем возвращает нас в ту же комнату с противоположной стороны, демонстрируя цикличность пространства. В этот момент мозг замыкает петлю, соединяя ментальные представления начала и конца пути.
Недавнее исследование, опубликованное в журнале Neuron, впервые показало, что информация об окружающей среде в мозге организована геометрически. Ученые анализировали активность сотен нейронов в гиппокампе — области, критически важной для памяти и навигации. В случае с комнатой и коридором, это представление принимает форму трехмерных колец. Каждый раз, когда мышь перемещается по лабиринту, ее нейроны активируются по траектории, завершающей полный круг в абстрактном пространстве, формируя кольцо, символизирующее весь опыт путешествия. Не все нейроны участвуют в этом процессе одинаково. Одни кодируют специфическую сенсорную информацию, такую как текстура пола или наличие награды, другие же используют внешние сигналы для организации представления, полагаясь на сигналы из более широкого окружения для поддержания стабильной ориентации. Эти различные популяции нейронов формируют параллельные кольца в пространстве активности нейронов, но выполняют разные функции. В норме они работают согласованно, обеспечивая стабильность восприятия.
Однако при дезориентации, например, при вращении или закрытии глаз, вступают в действие другие механизмы. Одно из таких представлений остается фиксированным, действуя как внутренний компас, и помогает поддерживать восприятие окружающей среды, в то время как другие нейроны перестраиваются для отражения изменений. Эта ментальная перестройка дает нам уверенность в правильности ориентации. Пространство является привычным вместилищем нашего опыта. Понимание того, как мозг кодирует его структуру с помощью точных геометрических форм, открывает новые горизонты для изучения нашего мышления, памяти и ориентации в мире.
Исследование геометрии и топологии активности мозга — это развивающаяся область, объединяющая математику и науку о данных с передовыми биоинженерными инструментами. Современные методы позволяют идентифицировать подтипы нейронов по их генетическому профилю и модифицировать их для визуализации и контроля активности в реальном времени. Эти подходы углубляют наше понимание того, как мозг конструирует свои внутренние карты. Каждое открытие не только помогает расшифровать биологические основы памяти и ориентации, но и прокладывает путь к новым применениям в нейротехнологиях, искусственном интеллекте и, возможно, в лечении неврологических расстройств, таких как болезнь Альцгеймера, где эти карты нарушаются.
Исследования показывают, что мозг воспринимает пространство в соответствии с нелинейной гиперболической геометрией, подобно расширяющимся песочным часам. Это означает, что наше представление о пространстве меняется нелинейно, в зависимости от времени, проведенного в определенном месте. Ученые обнаружили, что геометрия Лобачевского управляет нейронными реакциями, формируя карты пространства на основе сенсорных сигналов. Это открытие может помочь в лучшем понимании нейродегенеративных расстройств. Современные технологии, такие как искусственный интеллект, активно применяются для картирования нейронной активности мозга. Инструменты на основе ИИ помогают идентифицировать и реконструировать отдельные нейроны, что способствует более глубокому пониманию работы мозга и может привести к разработке новых методов лечения неврологических заболеваний.
Кроме того, исследования показывают, что раннее изучение геометрии может положительно влиять на развитие мозга. Эксперименты на крысах продемонстрировали, что знакомство с евклидовой геометрией в раннем возрасте способствует формированию нейронных сетей, отвечающих за пространственное кодирование. Важно отметить, что активное использование навигационных приложений может снижать нагрузку на гиппокамп, область мозга, отвечающую за память и навигацию. Это может привести к ослаблению его нейронных сетей и затруднить самостоятельную ориентацию в пространстве. Таким образом, поддержание когнитивной активности и тренировка пространственного мышления остаются важными для сохранения здоровья мозга.