На протяжении десятилетий ученые задавались вопросом, почему определенные клетки мозга, которые контролируют движение, срабатывают, когда люди просто планируют или воображают движение, или наблюдают за кем-то другим, совершающим движение, но на самом деле сами не двигаются.
Теперь ученые из Чикагского университета, работающие над этой загадкой, обнаружили, что сигналы в моторной коре головного мозга действуют как серия сцеплений, когда дело доходит до движения, и что эти сигналы могут быть нарушены, чтобы замедлить начало движения мозга.
Результаты, опубликованные в журнале Neuron, потенциально могут в один прекрасный день привести к лечению людей с болезнью Паркинсона, двигательным расстройством.
«Эта работа предоставляет первое свидетельство того, что крупномасштабные, пространственно организованные мозговые паттерны имеют поведенческую значимость», – сказал нейробиолог Ничо Хацопулос, доктор философии.D., профессор биологии и анатомии организмов и старший автор исследования.
Давно известно, что когда человек думает или планирует движение, нейроны срабатывают в моторной коре и создают сигнал, называемый бета-колебаниями. Хатсопулос сравнивает действие этого сигнала с работой сцепления в автомобиле с механической коробкой передач: если вы нажмете педаль сцепления, а затем нажмете на газ, двигатель автомобиля начнет вращаться, но он не будет двигаться, потому что автомобиль не в машине. механизм. Точно так же, если вы просто представляете, как двигаете рукой, или наблюдаете, как кто-то другой двигает рукой, этот сигнал в вашей моторной коре сохраняется или даже усиливается, но вы не двигаете рукой. Только когда вы действительно готовы двигаться, бета-колебания прекращаются – по сути, сцепление включает двигатель в трансмиссию автомобиля – и ваша рука двигается.
Хатсопулос и его команда обнаружили, что этот сигнал “ сцепления ” в моторной коре лучше понимать не как одно, а скорее как множество сцеплений, которые участвуют в организованном пространственном паттерне, который может начинаться на любом конце моторной коры и заканчиваться на другом. Каждый раз, когда инициируется движение, эта организованная волна когтей – на самом деле, группы активируемых нейронов – вступает в контакт.
«Хотя этот механизм, похожий на сцепление, ранее наблюдался в отдельных участках моторной коры, мы обнаружили, что начало движения связано с распространением волны сцепления по кортикальной поверхности», – сказал Хацопулос. «Более того, мы предоставили первые причинные доказательства того, что эта волна является необходимым условием для начала движения.”
Исследователи изучили трех макак-резусов, которых награждали соком каждый раз, когда они выигрывали в видеоигре. Игра требовала, чтобы обезьяны использовали джойстик для перемещения курсора по экрану к цели. Электроды, имплантированные в область руки / кисти моторной коры обезьяны, регистрировали нейронную активность движения руки, участвующего в манипулировании джойстиком.
С помощью электрической микростимуляции нескольких участков в области руки / кисти моторной коры для создания волн стимуляции исследователи смогли нарушить время реакции обезьян при определенных условиях. Когда они применяли стимуляцию, следуя естественной волне освобождения лап, начало движения обезьяны оставалось неизменным. Но когда они стимулировали клетки в противоположном направлении волны, время реакции замедлялось.
«Это исследование впервые дает характеристику этого механизма, похожего на сцепление, на экспериментальной основе», – сказал Картикеян Баласубраманян, Ph.D., старший научный сотрудник отдела биологии и анатомии организмов, руководивший исследованием. «Более того, наши результаты стимуляции предполагают, что мы причинно нарушаем волнообразную нейронную динамику, когда мы стимулируем естественную волну, которая связана с инициированием движения.”
Подход со стимуляцией, возможно, однажды сможет помочь людям с такими заболеваниями, как болезнь Паркинсона, помогая им начать движение посредством пространственно-временной организованной электрической стимуляции электродов в их моторной коре головного мозга. Важно отметить, что этот новый подход к стимуляции может быть полезен для понимания крупномасштабных нейронных паттернов по всему мозгу.
В настоящее время команда изучает, возникают ли аналогичные паттерны сигналов в моторной коре при движении языка, и можно ли управлять движением языка с помощью микростимуляции.