Нейроны, находящиеся в глубоких отделах мозга, не только участвуют в запуске движений, но и обеспечивают их точное подавление. К такому выводу пришли исследователи из Базельского университета и Института биомедицинских исследований имени Фридриха Мишера (FMI), опубликовавшие свою работу в журнале Nature. Достигнутые данные имеют особое значение для более глубокого изучения неврологических заболеваний, включая болезнь Паркинсона.
Для того чтобы взять яблоко или поднести ложку ко рту, требуется выполнение ряда непростых действий, которые включают в себя различные процессы, происходящие в мозге. Важную роль в этом сложном механизме играет область мозга, находящаяся в глубине, именуемая базальными ядрами (ганглиями). Ранее предполагалось, что сигналы, генерируемые базальными ядрами, в основном выполняют функцию торможения, сдерживая нежелательные действия.
В ходе исследования, проведенного под руководством профессора Сильвии Арбер, было показано на мышах, что некоторые нейроны в базальных ганглиях отвечают за точные решения о допустимости и своевременности движений. Эти сигналы, постоянно меняющиеся, определяют время выполнения движения.
Новые данные ставят под вопрос общепринятую модель функционирования базальных ганглиев. Согласно распространенному мнению, базальные ганглии регулируют движения, постоянно подавляя двигательные центры в мозге и лишь временно освобождая их, когда требуется выполнить движение. «Однако, эта модель не позволяет объяснить сложные двигательные процессы, такие как скоординированные действия рук и кистей», — отмечает Арбер.
Данное исследование посвящено ретикулярной части чёрной субстанции (Substantia Nigra pars reticulata, SNr) – ключевого элемента базальных ганглиев, который передаёт сигналы в двигательные центры ствола головного мозга. Учёные сделали неожиданное открытие: нейроны этой области не только подавляют движение, но и проявляют динамичные паттерны активности, точно соответствующие выполняемым движениям. В процессе сложных поведенческих реакций нейроны SNr многократно изменяют свой уровень активности, причём каждый нейрон имеет свой уникальный паттерн. Таким образом, базальные ганглии работают как скоординированная система, подобная светофорам на оживлённом перекрёстке: каждый из них переключается между сигналами «зелёный» и «красный» в зависимости от планируемого действия. Следовательно, сложное поведение может быть результатом управления отдельными движениями посредством сигналов, указывающих на необходимость продвижения или остановки».
Для изучения этих процессов ученые фиксировали мозговую деятельность мышей во время того, как они тянулись за кормом. Анализ показал, что отдельные нейроны SNr демонстрировали различную реакцию в зависимости от этапа движения: активность одних нейронов возрастала, когда лапка двигалась вперед, захватывала корм или убиралась, в то время как у других она уменьшалась. «Производители исследования отмечают, что эти сигналы настроены с поразительной точностью.
Затем исследователи использовали оптогенетические методы для воздействия на нейроны SNr. Им удалось установить, что активация этих нейронов подавляет двигательную активность, что наглядно демонстрирует их контролирующую функцию. Особенно примечательно, что даже незначительные изменения в движении сопровождались точными корректировками сигналов, поступающих от SNr. Двигательные центры, расположенные в стволе головного мозга, реагировали на это, отправляя сигналы обратно в SNr. Таким образом, когда нейрон SNr генерировал сигнал, разрешающий движение, нижележащий нейрон активировался, обеспечивая выполнение движения. Это свидетельствует о существовании специализированной системы кодирования, привязанной к движению – значительно более детализированной, чем просто общий механизм, определяющий направление движения».
Полученные данные позволяют детально понять, как мозг управляет даже минимальными движениями, регулируя активность и подавление, что кардинально меняет наше понимание моторного контроля. Это имеет большое значение для медицины, поскольку при болезнях, таких как болезнь Паркинсона или хорея, этот деликатный баланс нарушается, вызывая характерные признаки, например, затруднения при начале движения. «Постигнув принципы координации нормальных движений базальными ядрами, мы сможем создать точечные методы терапии для ситуаций, когда эта система функционирует ненормально», — подытожил руководитель исследования Арбер.
[Фото: University of Basel, Biozentrum]