«Образец активности в области мозга, участвующей в пространственном обучении в виртуальном мире, полностью отличается от того, когда он обрабатывает активность в реальном мире», — сказал Майанк Мехта, профессор физики, неврологии и нейробиологии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. старший автор исследования. «Поскольку так много людей используют виртуальную реальность, важно понимать, почему существуют такие большие различия».Исследование было опубликовано сегодня в журнале Nature Neuroscience.Ученые изучали гиппокамп, область мозга, вовлеченную в такие заболевания, как болезнь Альцгеймера, инсульт, депрессия, шизофрения, эпилепсия и посттравматическое стрессовое расстройство.
Гиппокамп также играет важную роль в формировании новых воспоминаний и создании ментальных карт пространства. Например, когда человек исследует комнату, нейроны гиппокампа становятся избирательно активными, обеспечивая «когнитивную карту» окружающей среды.Механизмы, с помощью которых мозг создает эти когнитивные карты, остаются загадкой, но нейробиологи предположили, что гиппокамп вычисляет расстояния между объектом и окружающими ориентирами, такими как здания и горы.
Но в реальном лабиринте другие сигналы, такие как запахи и звуки, также могут помочь мозгу определять пространства и расстояния.Чтобы проверить, может ли гиппокамп на самом деле формировать пространственные карты, используя только визуальные ориентиры, команда Мехты разработала неинвазивную среду виртуальной реальности и изучила, как нейроны гиппокампа в мозгу крыс реагируют в виртуальном мире без возможности использовать запахи и звуки в качестве сигналов.
Исследователи поместили небольшую обвязку вокруг крыс и поместили их на беговую дорожку, окруженную «виртуальным миром» на больших видеоэкранах — виртуальная среда, которую они описывают как даже более захватывающую, чем IMAX, — в темной и тихой комнате. Ученые измерили поведение крыс и активность сотен нейронов в их гиппокампе, сказала аспирантка Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Лаванья Ачарья, ведущий автор исследования.
Исследователи также измерили поведение и нейронную активность крыс, когда они ходили в реальной комнате, спроектированной так, чтобы она выглядела точно так же, как комната виртуальной реальности.Ученые были удивлены, обнаружив, что результаты в виртуальном и реальном окружении были совершенно разными.
В виртуальном мире нейроны гиппокампа крыс, казалось, срабатывали совершенно беспорядочно, как будто нейроны понятия не имели, где была крыса — хотя крысы, казалось, вели себя совершенно нормально в реальном и виртуальном мирах.«« Карта »полностью исчезла, — сказал Мехта, директор W.M. Центр нейрофизики Фонда Кека и член Института исследования мозга Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. «Никто этого не ожидал. Активность нейронов была случайной функцией положения крысы в виртуальном мире».
Объяснила Захра Агаджан, аспирантка Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и еще один ведущий автор исследования: «На самом деле, тщательный математический анализ показал, что нейроны в виртуальном мире вычисляли расстояние, пройденное крысой, независимо от того, где она находилась в виртуальном пространстве. . "Они также были шокированы, обнаружив, что, хотя нейроны гиппокампа крыс были очень активны в реальной среде, более половины этих нейронов отключались в виртуальном пространстве.По словам Мехты, виртуальный мир, использованный в исследовании, был очень похож на среду виртуальной реальности, используемую людьми, и нейроны в мозгу крысы было бы очень трудно отличить от нейронов в человеческом мозге.Его вывод: «Нейронный паттерн в виртуальной реальности существенно отличается от паттерна активности в реальном мире. Нам необходимо полностью понять, как виртуальная реальность влияет на мозг».
Нейроны Бах был бы признателенПомимо анализа активности отдельных нейронов, команда Мехты изучила более крупные группы клеток мозга.
Предыдущие исследования, в том числе исследования его группы, показали, что группы нейронов создают сложный паттерн, используя ритмы мозга.«Эти сложные ритмы имеют решающее значение для обучения и памяти, но мы не можем слышать или чувствовать эти ритмы в нашем мозгу. Они скрыты от нас под капотом», — сказал Мехта. «Сложный паттерн, который они создают, бросает вызов человеческому воображению.
Нейроны в этой области создания памяти разговаривают друг с другом, используя одновременно два совершенно разных языка. Один из этих языков основан на ритме, другой — на интенсивности».
По словам Мехты, каждый нейрон в гиппокампе говорит на двух языках одновременно, сравнивая это явление с множеством одновременных мелодий фуги Баха.Группа Мехты сообщает, что в виртуальном мире язык, основанный на ритме, имеет структуру, аналогичную таковой в реальном мире, хотя в двух мирах он говорит о чем-то совершенно другом. Однако язык, основанный на интенсивности, полностью нарушен.
По словам Мехты, когда люди ходят или пытаются что-то вспомнить, активность гиппокампа становится очень ритмичной, и появляются эти сложные ритмические паттерны. Эти ритмы способствуют формированию воспоминаний и нашей способности их вспоминать. Мехта предполагает, что у некоторых людей с нарушениями обучаемости и памяти эти ритмы нарушены.«Нейроны, участвующие в памяти, взаимодействуют с другими частями гиппокампа, как оркестр», — сказал Мехта. «Каждому скрипачу и каждому трубачу недостаточно безупречно исполнять свою музыку.
Они также должны быть идеально синхронизированы».Мехта считает, что, перенастроив и синхронизируя эти ритмы, врачи смогут восстановить поврежденную память, но считает, что это остается огромной проблемой.«Необходимость восстановления воспоминаний огромна», — отмечает Мехта, который сказал, что нейроны и синапсы — связи между нейронами — представляют собой удивительно сложные машины.
Предыдущее исследование Мехты показало, что цепь гиппокампа быстро развивается с обучением и что ритмы мозга имеют решающее значение для этого процесса. Мехта проводит свои исследования на крысах, потому что анализ сложных мозговых цепей и нейронной активности с высокой точностью в настоящее время у людей невозможен.Другими соавторами исследования были Джейсон Мур, аспирант Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе; Клифф Вуонг, научный сотрудник, проводивший исследование, будучи студентом Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе; и докторант Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Джесси Кушман. Исследование финансировалось W.M.
Фонд Кека и Национальные институты здоровья.