Как именно мозг достигает этого замечательного подвига, было загадкой, но новое исследование на мышах, проведенное учеными из Гарвардской медицинской школы, дает столь необходимое понимание этого процесса.Результаты исследования, опубликованные в Интернете 17 мая в журнале Cell, показывают, что мозг зависит от тонкого баланса между активностью двух популяций нейронов в части мозга, называемой полосатым телом, координационным центром для двигательного планирования и планирования действий.
Полученные данные могут помочь исследователям лучше понять условия, которые существенно влияют на движение, такие как болезнь Паркинсона и болезнь Хантингтона, и в конечном итоге разработать новые способы их лечения.«Мы считаем, что наши наблюдения подготовили почву для понимания того, как движение преобразуется в желаемое действие, и продвигают нас вперед в нашей способности понимать и, в конечном итоге, лечить разрушительные нейродегенеративные расстройства, когда этот процесс идет не так», — сказал старший автор исследования Сандип Роберт.
Датта, доцент нейробиологии Гарвардской медицинской школы.Ученым давно известно, что полосатое тело, спиралевидная область, расположенная в переднем мозге, является важным компонентом двигательной системы, в которой находятся нейроны, отмирающие при болезнях Паркинсона и Хантингтона.Предыдущие исследования выявили две популяции клеток в полосатом теле — нейроны с выступами шипов, организованные в так называемые прямые и непрямые пути, которые контролируют ключевые аспекты движения.
Однако остается неясным, как именно эти два пути взаимодействуют, чтобы модулировать и направлять движение. Некоторые данные свидетельствуют о том, что прямой путь выбирает и инициирует выражение действий, в то время как непрямой путь подавляет нежелательные действия. Однако другие исследования показали, что оба пути часто активируются одновременно.«Это не имело смысла, исходя из того, что мы долгое время думали, что каждый путь делает», — объяснил ведущий автор исследования Джеффри Марковиц, научный сотрудник отдела нейробиологии.
Чтобы лучше определить динамику между этими путями, исследовательская группа воспользовалась технологией, разработанной лабораторией Datta, под названием MoSeq, сокращенно от последовательности движений. Система снимает трехмерные движения животных и использует машинное обучение для детального разбиения или точного анализа движений на базовые модели, длящиеся всего несколько сотен миллисекунд каждая.
Исследователи назвали эти сверхбыстрые движения «слогами».Объединившись с экспертами по нейронной визуализации из лаборатории Бернардо Сабатини, исследователи генетически изменили нейроны в прямом и косвенном путях, чтобы флуоресцировать или светиться разными цветами при активации. Сочетание нейронной визуализации, генной инженерии и MoSeq позволило ученым наблюдать и анализировать нейронную активность одновременно в обоих путях, когда мыши выполняли различные действия.
Подтверждая предыдущие исследования, исследователи обнаружили, что каждый раз, когда мыши переключают поведение — например, с бега на остановку — активность обоих путей увеличивается.Однако, когда они посмотрели на слоги, идентифицированные MoSeq, они обнаружили, что баланс активности между двумя путями различается. Для некоторых слогов доминировал прямой путь; для других — косвенный путь. Даже для очень похожих слогов, таких как два разных типа «скручивания» или «свернуться клубком», эти два пути можно было различить.
Каждый слог давал определенный баланс между двумя путями. Связь между нейронной активностью и слогами была настолько выражена, что исследователи смогли успешно идентифицировать определенные слоги, выраженные только на основе активности пути.Соотношение активности между проводящими путями было настолько постоянным, что исследователи успешно идентифицировали определенные слоги, выражаемые на основе активности одних только проводящих путей.
Используя методы визуализации, они также могли наблюдать ансамбли нейронов, которые демонстрировали регулярные и предсказуемые паттерны активности во время определенных слогов.В заключительной серии экспериментов ученые хотели понять, что происходит, когда активность этих путей нарушается или идет наперекосяк. Для этого они вызвали повреждения полосатого тела у горстки мышей. После недели выздоровления они поместили мышей в пространство, похожее на арену, с одной стороны которого доносился запах лисы.
Обладая врожденным инстинктом избегать нападения хищников, мыши с неповрежденным полосатым телом немедленно бросились на другую сторону арены. Мыши с повреждениями в полосатом теле также могли отображать все отдельные слоги, которые наблюдаются у нормальных мышей, такие как принюхивание, бег, вставание на дыбы и поворот, но их мозг каким-то образом не смог правильно упорядочить эти движения, что сделало животных неспособными достичь противоположной стороны арены. .«Это подчеркивает важность порядка в объединении движений для достижения желаемого результата», — сказал Датта. «Даже если вы можете правильно двигать своим телом, если вы не можете расположить действия в правильном порядке, вам будет трудно выполнять даже самые простые вещи».По словам исследователей, если они будут воспроизведены в дальнейших исследованиях, результаты могут помочь в разработке новых методов лечения болезни Паркинсона и болезни Хантингтона, состояний, при которых даже основные движения становятся чрезвычайно трудными по мере развития этих заболеваний.В настоящее время болезнь Паркинсона лечат путем введения пациентам формы нейромедиатора дофамина, который стимулирует как прямые, так и непрямые пути.
Однако эффективность лечения со временем ослабевает. До сих пор не существует эффективного лечения болезни Хантингтона.
«Мы надеемся, что будущая работа, основанная на этих открытиях, будет более конкретно посвящена тому, что именно происходит в этих типах клеток, когда нейродегенеративные расстройства лишают мозг людей способности генерировать действия и последовательности действий», — сказал Датта.