Все родители знают основные этапы развития ребенка: переворачивание, обучение ползанию, вставание и первый шаг без посторонней помощи. Предположительно, достижение каждого достижения требует образования новых связей между подмножествами миллиардов нервных клеток в мозгу младенца. Но как, когда и где формируются эти связи, оставалось загадкой.
Теперь исследователи из Duke Medicine начали искать ответы. В исследовании сообщил Ян. 23, 2013, в научном журнале Neuron, группа исследователей описывает всю сеть клеток мозга, которые связаны с определенными двигательными нейронами, контролирующими мышцы усов у новорожденных мышей.
Лучшее понимание таких схем управления моторикой может помочь информировать о том, как развивается человеческий мозг, что может привести к новым способам восстановления движения у людей, страдающих параличом из-за травм головного мозга, или к разработке более совершенных протезов для замены конечностей.
"Усы для мышей похожи на пальцы для людей, поскольку оба являются движущимися сенсорными датчиками," сказал ведущий исследователь Фань Ван, доктор философии, адъюнкт-профессор клеточной биологии и член Duke Institute for Brain Sciences. "Понимание того, как мозг мыши управляет движениями усов, может рассказать нам о нейронном контроле движений пальцев у людей."
Мыши активны ночью, поэтому они в значительной степени полагаются на усы, чтобы обнаруживать и различать объекты в темноте, прикасаясь усами к предметам в ритмичном движении вперед и назад, называемом "взбивание". Но такое перемешивание появляется только через две недели после рождения, когда молодые мыши начинают исследовать мир за пределами своего гнезда.
Чтобы узнать, как происходит моторный контроль усов, Ван и научный сотрудник Джун Такато использовали новую технику, которая использует способность вируса бешенства распространяться через соединенные нервные клетки. Инвалидная форма вируса, используемого для вакцинации домашних животных, была создана со способностью экспрессировать флуоресцентный белок. Исследователи смогли проследить его путь через сеть клеток мозга, напрямую связанных с двигательными нейронами, контролирующими движение усов.
"Точность этого метода сопоставления позволила нам задать ключевой вопрос, а именно: какие части схемы управления двигателем усов еще не подключены у новорожденных мышей, и добавлены ли такие недостающие звенья позже, чтобы обеспечить взбивание??" Ван сказал.
Сделав серию снимков мозга, помеченных флуоресцентной меткой, в течение первых двух недель после рождения, исследовательская группа зафиксировала развитие цепей до и после того, как мыши начали взбивать.
"Когда мы проследили схему, это было потрясающе в том смысле, что мы не осознавали, что существует так много пулов нейронов, расположенных по всему стволу мозга, которые связаны с мотонейронами усов," сказал Ван. "Примечательно, что один двигательный нейрон получает так много входных сигналов и каким-то образом может их интегрировать."
В то же время, когда возникают колебательные движения, мотонейроны получают новый набор входных сигналов из области ствола мозга, называемой LPGi. Одиночный нейрон LPGi связан с двигательными нейронами по обе стороны лица, что позволяет им занять идеальное положение для синхронизации движений левого и правого усов.
Чтобы узнать больше о новой цепи, образованной между LPGi и моторными нейронами, Ван и Такато воспользовались опытом коллеги Герцога Ричарда Муни, доктора философии, профессора нейробиологии, и его ученика Андерса Нельсона. Вместе исследователи смогли записать меченые нейроны и обнаружили, что нейроны LPGi взаимодействуют с двигательными нейронами с помощью глутамата, основного нейротрансмиттера, который стимулирует мозг. Кроме того, они обнаружили, что нейроны LPGi получают прямой сигнал от моторной коры.
"Это имеет смысл, потому что исследовательское взбивание – это произвольное движение под контролем моторной коры головного мозга," Ван сказал. "Возбуждающий ввод необходим для инициирования таких движений, и LPGi может иметь решающее значение для передачи сигналов от моторной коры к мотонейронам усов."
Затем исследователи изучат возможность подключения с помощью генетических, вирусных и оптических инструментов, чтобы увидеть, что происходит, когда определенные компоненты цепей активируются или заглушаются во время различных двигательных задач.