Большинство нейробиологических исследований, посвященных изучению двигательных навыков, проводится на грызунах. В этих экспериментах грызунов обычно проверяют на простых двигательных задачах, которые они могут легко выполнить, используя двигательное поведение из своего репертуара или слегка адаптированные варианты этого поведения.
В отличие от этих исследований, обучение двигательным навыкам у людей может быть длительным процессом, который приводит к очень сложным движениям, ориентированным на выполнение конкретных задач. Чтобы надежно и напрямую исследовать эти навыки, некоторые исследователи пытались разработать способы обучения крыс также более сложному поведению.
Несколько лет назад исследователи из Гарвардского университета разработали задачу, которая обучает крыс выполнять сложные и ориентированные на конкретные задачи модели движений в течение нескольких недель практики. Подобно сложным образцам движений, наблюдаемым у людей, поведение, которому они тренируют крыс, очень стереотипно, идиосинкразично и стабильно с течением времени. Впоследствии исследователи провели исследование, направленное на определение областей мозга, участвующих в контроле новых сложных двигательных навыков, приобретаемых грызунами.
«К нашему удивлению, мы обнаружили, что моторная кора не участвует в генерации этих усвоенных паттернов», – сказал профессор Бенс П. Олвецки, ведущий исследователь исследования, сказал Medical Xpress. “Но если не моторная кора, какие части мозга учатся генерировать навыки, которые мы тренируем?? Наше внимание обратилось на базальные ганглии.”
Их недавнее исследование, опубликованное в Nature Neuroscience, предполагает, что базальные ганглии, группа подкорковых ядер в головном мозге, действительно определяют и контролируют мелкозернистые детали приобретенных двигательных навыков посредством их взаимодействия с моторными цепями более низкого уровня.
Известно, что базальные ганглии представляют собой пластиковую сеть, что означает, что они могут со временем адаптироваться и научиться связывать данные о состоянии мира с действиями, которые приносят вознаграждение в определенном состоянии. Считается, что эта пластичность лежит в основе роли базальных ганглиев в выборе наиболее полезных действий в конкретных ситуациях.
«Мы спросили себя, может ли эта ассоциативная сеть также научиться генерировать сигналы, которые формируют движения в миллисекундном масштабе времени», – сказал Олвецки. «Другими словами, можно ли расширить идею выбора действия базальных ганглиев, чтобы охватить тонкий контроль умелых движений – функцию, ранее приписываемую моторной коре и (в меньшей степени моторным центрам ствола мозга)? Мы решили проверить это.”
Чтобы проверить свои гипотезы, Олвецки и его коллеги измерили активность популяций одиночных нейронов в области базальных ганглиев, которые, как известно, связаны с движением, которое у грызунов называется дорсолатеральным полосатым телом (DLS). Они собрали свои измерения на животных, которые приобрели двигательные навыки, и связали обнаруженную нейронную активность с различными аспектами приобретенных навыков, которые они тщательно идентифицировали с помощью технологии видеонаблюдения.
«Мы обнаружили, что можем предсказать детальную кинематику в данном испытании, основываясь на возбуждении нейронов в DLS, но не в соседней полосатой области (DMS)», – сказал Олвецки. “Это означает, что нейроны в DLS кодируют информацию о поведении и, следовательно, могут служить для определения движений.”
Чтобы подтвердить, влияет ли активность нейронов DLS на умелые движения грызунов, исследователи повредили область DLS полосатого тела у субъектов, которые были интенсивно обучены новым сложным двигательным навыкам. Интересно, что они обнаружили, что когда эта область была повреждена, животные вернулись к простым движениям, которые они выполняли на ранних этапах обучения.
Хотя обученные грызуны не полностью забыли задачу, которой они обучались, они, похоже, больше не могли вспоминать и выполнять сложные модели движений, которые они приобрели во время обучения. Поскольку поражения области DLS привели к снижению работоспособности грызунов при выполнении задачи, которой они изначально были обучены, эта область, вероятно, будет играть ключевую роль в контроле за выученным двигательным поведением.
«Наша работа расширяет наше понимание того, что делают базальные ганглии, вовлекая эти важные структуры среднего мозга в генерацию мелкозернистой структуры умелых движений», – пояснил Олвецки. “Это повышает вероятность того, что некоторые моторные дефициты, связанные с нарушениями глюкозы в крови, связаны не с неспособностью выбрать соответствующие действия в последующих цепях управления, а на самом деле, в первую очередь, с их созданием.”
Недавнее исследование этой группы исследователей может иметь важные последствия для области нейробиологии. Фактически, их результаты показывают, что вместо того, чтобы просто влиять на выбор или силу действия, как предполагалось в предыдущих работах, базальные ганглии могут играть активную роль в генерации деталей физических движений.
До сих пор Олвецки и его коллеги уделяли основное внимание изучению двигательных навыков моторной коры и базальных ганглиев. Однако в своих будущих исследованиях они хотели бы расширить сферу своей работы, а также изучить другие области мозга, которые могут быть задействованы в контроле моторных навыков.
Базальные ганглии отправляют проекции в управляющие цепи в стволе мозга и получают входные данные от таламуса и коры, которые, в свою очередь, получают входные данные от ствола мозга, мозжечка и других структур », – сказал Олвецки. «Хотя мы определили базальные ганглии как важный узел в сети, производящей умелые движения, наша долгосрочная цель – построить понимание, которое также охватывает эти другие структуры мозга и может объяснить логику, с помощью которой распределенные моторные цепи в мозг млекопитающих учится и генерирует умелые движения.”