Наш мозок несвідомо створює систему представлень, що дозволяє нам визначати своє місцезнаходження у просторі та пов'язувати поточні події з минулими спогадами. Елементи оточення, такі як вікна, двері, розташування меблів чи книг, миттєво реєструються у свідомості. Коли ми виходимо з кімнати через коридор, виникає ментальна карта, сформована електричною активністю сотень нейронів.
Ця карта допомагає нам сприймати зміни у текстурі стін, розпізнавати сигнали, що вказують на наше місцезнаходження, і розуміти, що перетин дверей повертає нас до тієї ж кімнати з протилежного боку, демонструючи, що коридор є замкненим. У цей момент наш мозок замикає коло, поєднуючи ментальні уявлення про початок і кінець подорожі. Нещодавнє дослідження, опубліковане в журналі Neuron, вперше показало, що інформація про наше оточення організована в мозку геометрично. Дослідники аналізували активність сотень нейронів у гіпокампі, ділянці, що має вирішальне значення для пам'яті та навігації. У випадку кімнати та коридору це представлення набуває форми тривимірних кілець. Кожного разу, коли миша проходить лабіринтом, її нейрони активуються по траєкторії, що завершує повне коло в абстрактному просторі: кільце, що представляє весь досвід подорожі.
Не всі нейрони беруть однакову участь. Деякі кодують дуже специфічну сенсорну інформацію, таку як текстура підлоги, наявність винагороди або напрямок поворотів у лабіринті. Інші ж записують та використовують інформацію, зовнішню до лабіринту, для організації представлення, покладаючись на сигнали з ширшого оточення, такі як місцезнаходження відносно кімнати, в якій вони перебували, або положення референтного об'єкта, для підтримки стабільної орієнтації. Ці різні популяції нейронів формують паралельні кільця у просторі нейронної активності, але служать різним функціям. Коли все функціонує належним чином, вони працюють злагоджено, забезпечуючи стабільність досвіду.
Якщо щось дезорієнтує нас, наприклад, нас крутять або закривають очі під час ведення кудись, вступають в дію інші механізми. У таких випадках одне з цих представлень залишається незмінним, діючи як внутрішній компас, і допомагає підтримувати сприйняття оточення. Інші нейрони переорієнтовуються, щоб представити зміну. Це ментальне переналаштування дає нам впевненість у тому, що ми орієнтовані. Простір є звичним контейнером для нашого досвіду.
Знання того, що мозок кодує свою структуру за допомогою точних геометричних форм, відкриває нові шляхи для розуміння того, як ми думаємо, запам'ятовуємо та орієнтуємося у світі. Дослідження геометрії та топології мозкової активності є новою галуззю, що поєднує математику та науку про дані з найсучаснішими інструментами біоінженерії, застосованими до вивчення мозку. Сьогодні ми можемо ідентифікувати підтипи нейронів на основі їхнього генетичного профілю, такі як збуджуючі, гальмівні та дофамінергічні нейрони, і модифікувати їх для експресії флуоресцентних білків, що дозволяє нам візуалізувати та контролювати їхню активність у реальному часі. Ці підходи дозволяють глибше зрозуміти, як мозок будує свої внутрішні карти.
Кожне відкриття не тільки допомагає нам розшифрувати біологічні основи пам'яті та орієнтації, але й прокладає шлях для нових застосувань у нейротехнологіях, штучному інтелекті та, можливо, одного дня, у лікуванні неврологічних розладів, як-от хвороба Альцгеймера. Сучасні дослідження, що використовують штучний інтелект (ШІ) та передові методи візуалізації, такі як магнітно-резонансна томографія (МРТ) та стереосеквенування, дозволяють створювати детальні карти мозку на субклітинному рівні. Це відкриває нові можливості для розуміння таких захворювань, як хвороба Альцгеймера, де порушення комунікації між нейронами та їхніми допоміжними клітинами, гліями, відіграють ключову роль. Дослідження, проведене Університетом штату Огайо, виявило, що порушення комунікації між клітинами, зокрема шлях SEMA6D–TREM2, може бути цільовим для розробки нових методів лікування, що уповільнюють прогресування хвороби. Компанія Omniscient Neurotechnology розробляє програмне забезпечення на основі ШІ для створення персоналізованих карт мозку, що допомагає нейрохірургам краще планувати операції, враховуючи індивідуальні особливості мозку пацієнтів. Ці досягнення свідчать про значний прогрес у розумінні складних процесів мозку та його потенціалу для лікування неврологічних розладів.