Мозг воспринимает пространство в соответствии с геометрией Лобачевского

Псевдосфера

Биологи показали, что нейронные сети гиппокампа, ответственные за пространственное восприятие, изменяются не линейным образом, а в соответствии с гиперболической геометрией. То есть мозг представляет пространство в форме расширяющихся песочных часов. Результаты исследования могут иметь значение для лучшего понимания различных нейродегенеративных расстройств.

Маленьким детям иногда кажется, что Луна находится гораздо ближе к ним, чем есть на самом деле, и что они могут дотронуться до нее, просто протянув руку. Когда мы движемся в своей повседневной жизни, то склонны думать, что представляем пространство линейно. Однако теперь ученые из института Солка (США) обнаружили, что количество времени, которое мы затрачиваем на изучение окружающей среды, приводит к тому, что наши нейронные представления изменяются нелинейно.

Результаты работы, опубликованные в журнале Nature Neuroscience, показывали, что нейроны гиппокампа, отвечающие за пространственную навигацию, память и планирование, воспринимают пространство в соответствии с нелинейной гиперболической геометрии или геометрией Лобачевского. В ней трехмерное пространство экспоненциально расширяется наружу, другими словами, оно имеет форму песочных часов.

При этом размеры пространства в нашем представлении увеличиваются в зависимости от времени, проведенным в каком-либо месте. А расширяется изученное пространство логарифмически, что соответствует максимально возможному увеличению информации, которое может обработать наш мозг.

В ходе исследований ученые использовали передовые вычислительные подходы. Они впервые применили гиперболическую геометрию, чтобы лучше объяснить восприятие биологических сигналов, например таких, как запахи. Теперь авторы показали, что геометрия Лобачевского также управляет нейронными реакциями, так как гиперболические карты сенсорных молекул и событий воспринимаются нейронами, которые в соответствии с ними формируют в мозгу карты пространства.

Эксперименты на крысах показали, что репрезентации пространства нейронами мозга динамически расширялись в зависимости от количества времени, которое животное тратило на изучение каждой среды. Когда крыса двигалась медленнее, она успевала получить больше информации, что вызывало больший рост нейронных репрезентаций.

Результаты исследования позволят лучше понять нейронную активность в различных отделах мозга. Кроме того, они важны для анализа данных о нейродегенеративных расстройствах, связанных с обучением и памятью — например, болезнью Альцгеймера.