Zaplanowany ruch jest niezbędny w naszym codziennym życiu i często wymaga opóźnionej realizacji. Jako dzieci staliśmy skuleni i gotowi, ale czekaliśmy na okrzyk „GO!” przed sprintem z linii startu. Jako dorośli czekamy, aż światła zmienią się na zielone, zanim skręcimy. W obu sytuacjach mózg zaplanował nasze precyzyjne ruchy, ale wstrzymuje ich wykonanie aż do określonej wskazówki (np. okrzyku „GO!” lub zielonego światła). Teraz naukowcy odkryli sieć mózgową, która zamienia plany w działanie w odpowiedzi na tę wskazówkę.
Odkrycie, opublikowane w czasopiśmie naukowym Cell, jest wynikiem współpracy naukowców z Instytutu Neuronauki im. Maxa Plancka na Florydzie, kampusu badawczego Janelia HHMI, Instytutu Nauki o Mózgu im. Allena i innych. Kierowani przez współpierwszych autorów, dr Hidehiko Inagaki i dr Susu Chen oraz starszego autora dr Karela Svobodę, naukowcy postanowili zrozumieć, w jaki sposób sygnały w naszym środowisku mogą wyzwalać zaplanowany ruch.
„Mózg jest jak orkiestra” – powiedział dr Inagaki. „W symfonii instrumenty grają różne melodie w różnych tempach i barwach. Zbiór tych dźwięków kształtuje muzyczną frazę. Podobnie neurony w mózgu są aktywne z różnymi wzorcami i synchronizacją. Zespół czynności neuronalnych pośredniczy w określonych aspektach naszego zachowania ”.
Na przykład kora ruchowa to obszar mózgu kontrolujący ruch. Wzorce aktywności w korze ruchowej różnią się radykalnie w fazach planowania i wykonywania ruchu. Przejście między tymi wzorcami ma kluczowe znaczenie dla wywołania ruchu. Jednak obszary mózgu kontrolujące to przejście były nieznane. „Muszą istnieć obszary mózgu działające jako przewodnik” – opisał dr Inagaki. „Takie obszary monitorują sygnały środowiskowe i koordynują aktywność neuronów od jednego wzorca do drugiego. Dyrygent zapewnia, że plany są przekształcane w działanie we właściwym czasie”.
Aby zidentyfikować obwód neuronowy, który służy jako przewodnik inicjujący planowany ruch, zespół jednocześnie rejestrował aktywność setek neuronów, podczas gdy mysz wykonywała zadanie ruchu wyzwalane sygnałem. W tym zadaniu myszy uczono lizania w prawo, jeśli dotykano wąsów, lub w lewo, jeśli nie dotykano wąsów. Jeśli zwierzęta lizały we właściwym kierunku, otrzymywały nagrodę. Był jednak pewien haczyk. Zwierzęta musiały opóźnić swój ruch, aż do usłyszenia sygnału lub „idź na sygnał”. Tylko poprawne ruchy po sygnale startowym byłyby nagradzane. Dlatego myszy utrzymują plan kierunku, w którym będą lizać, aż do momentu rozpoczęcia ruchu, a następnie wykonają zaplanowane lizanie.
Następnie naukowcy skorelowali złożone wzorce aktywności neuronalnej z odpowiednimi etapami zadania behawioralnego. Naukowcy odkryli, że aktywność mózgu pojawia się natychmiast po sygnale startu i podczas przełączania między planowaniem a wykonaniem ruchu. Ta aktywność mózgu wywodzi się z obwodu neuronów w śródmózgowiu, wzgórzu i korze mózgowej.
Aby sprawdzić, czy ten obwód działał jako przewodnik, zespół wykorzystał optogenetykę. Takie podejście umożliwiło naukowcom aktywację lub dezaktywację tego obwodu za pomocą światła. Aktywacja tego obwodu podczas fazy planowania zadania behawioralnego przełączyła aktywność mózgu myszy z planowania motorycznego na wykonanie i spowodowała lizanie myszy. Z drugiej strony wyłączenie obwodu podczas odtwarzania cue go stłumiło ruch cued. Myszy pozostawały w fazie planowania motorycznego, tak jakby nie otrzymały sygnału startu.
Ta praca dr Inagaki i jego współpracowników zidentyfikowała obwód nerwowy, który ma kluczowe znaczenie dla wyzwalania ruchu w odpowiedzi na sygnały środowiskowe. Dr Inagaki wyjaśnia, w jaki sposób ich odkrycia pokazują uogólnione cechy kontroli behawioralnej. „Znaleźliśmy obwód, który może w odpowiednim czasie zmienić aktywność kory ruchowej od planowania motorycznego do wykonania. Daje nam to wgląd w to, jak mózg koordynuje aktywność neuronalną, aby wywoływać złożone zachowania. Przyszłe prace skupią się na zrozumieniu, w jaki sposób ten obwód a inne reorganizują aktywność neuronalną w wielu regionach mózgu”.
Oprócz tych fundamentalnych postępów w zrozumieniu funkcjonowania mózgu, praca ta ma ważne implikacje kliniczne. W zaburzeniach motorycznych, takich jak choroba Parkinsona, pacjenci doświadczają trudności w poruszaniu się samodzielnie, w tym trudności w chodzeniu. Jednak dodanie wskazówek środowiskowych wyzwalających ruchy, takich jak linie na podłodze lub dźwięki słuchowe, może znacznie poprawić mobilność pacjenta. Zjawisko to, znane jako paradoksalna kinezja, sugeruje, że różne mechanizmy w mózgu są zaangażowane w ruch inicjowany samodzielnie i ruch wyzwalany sygnałem. Odkrycie sieci mózgowych zaangażowanych w ruchy wyzwalane sygnałem, które są stosunkowo oszczędne w chorobie Parkinsona, może pomóc zoptymalizować leczenie.