Ученые EPFL определили определенные нейроны в полосатом теле, которые способствуют мотивированному поведению, например движению. Работа может помочь в разработке новых способов лечения таких расстройств, как болезнь Паркинсона, в долгосрочной перспективе.
Возможно, самая важная функция мозга – обрабатывать сенсорную информацию и принимать на ее основе поведенческие решения, например, движение, чтобы схватить объект. Одна часть мозга, которая делает это, – полосатое тело, большая область в середине мозга. Используя передовые методы, нейробиологи из EPFL обнаружили, как определенный тип нейрона в полосатом теле способствует простому целенаправленному сенсомоторному поведению. Полученные данные добавляют недостающий элемент в загадку мозга, способствуя нашему фундаментальному пониманию области мозга, которая тесно связана с нейродегенеративными расстройствами, такими как болезнь Паркинсона и болезнь Хантингтона. Работа опубликована в Neuron.
Стриатум часто описывается как «координационный центр» для различных высших когнитивных действий, включая планирование моторики и действий, принятие решений, мотивацию, подкрепление и восприятие вознаграждения. Чтобы сделать все это, полосатое тело должно сначала интегрировать поступающую информацию из других частей мозга, а затем соответствующим образом отреагировать.
Таким образом, полосатое тело объединяет ДВА сенсомоторных сигнала и сигнала вознаграждения для управления мотивированным поведением. Входящая сенсорная и моторная информация достигает полосатого тела в основном через нейроны, исходящие из самой большой и внешней части мозга – неокортекса. Эти нейроны используют глутамат для передачи сигналов. С другой стороны, информация о вознаграждении поступает в полосатое тело в основном через нейроны, использующие дофамин в качестве своего передатчика.
Что делает что?
Стриатум содержит много разных типов нейронов, но различные роли этих разных типов нейронов в значительной степени неизвестны. Чтобы найти ответы, Таня Сиппи, Дэмиен Лапрей, Сильвен Кроше и Карл Петерсен из EPFL изучали полосатое тело мышей. Когда один из усов ненадолго отклонялся, животных учили реагировать, облизывая носик. Эта простая задача позволила исследователям отслеживать определенные группы нейронов внутри полосатого тела и видеть, какие из них активны.
В первой части эксперимента использовалась техника, которая может считывать электрические изменения, происходящие внутри отдельных нейронов. Здесь нейроны проецируются из полосатого тела в ближайшую часть мозга, черную субстанцию. Эта небольшая область темного цвета играет важную роль в поощрении, зависимости и движении. Исследователи также ввели метку в определенные нейроны, что позволило им определить, какой тип нейрона они записывали в любой момент времени.
Эксперимент показал, что, когда к усам животного прикасаются, чтобы заставить их лизать носик, определенные нейроны реагируют тем, что, по всей видимости, является сигналом к началу действия. Нейроны принадлежат полосатому телу, но оттуда проецируются специально на черную субстанцию. С помощью этого открытия исследователи определили часть мозга, в которой действия впервые возникают в жизни.
Оптогенетика
Затем ученые изменили эксперимент: они стимулировали определенные типы нейронов в полосатом теле, чтобы посмотреть, могут ли они заставить мышей лизать. Для этого они использовали метод, в котором команда Петерсена накопила значительный опыт за многие годы: оптогенетика.
Оптогенетика работает, вставляя ген светочувствительного белка в живые нейроны. Затем генетически модифицированные нейроны производят белок, который находится на их внешней мембране. Там он действует как электрические ворота, которые открываются, когда на нейрон попадает свет. Ионы проникают в нейрон, включают его и заставляют испускать электрический импульс. Оптогенетика также может быть узконаправленной, стимулируя определенные типы нейронов.
Команда обнаружила, что стимуляция тех же нейронов в полосатом теле, которые ранее давали сигнал «идти», – тех, которые проецируются на черную субстанцию, – вызывала реакцию лизания носика. Другими словами, ученые обошли цепь, вызвав то же действие (лизание) без внешнего стимула (отклонения усов), сначала проникающего в полосатое тело. Оптогенетические эксперименты добавили больше доказательств того, что этих нейронов достаточно, чтобы инициировать действие.
Это важный вывод для фундаментальной нейробиологии, поскольку он определяет определенный тип нейронов в полосатом теле, где информация превращается в действие, проливая свет на основную функцию мозга. Но есть и долгосрочный потенциал, поскольку в исследовании выделяются средства для возможного лечения заболеваний, которые влияют на инициацию действия и моторный контроль, таких как болезни Паркинсона и Хантингтона.