С одной стороны, нервная система имеет ограниченные вычислительные возможности, но в то же время сенсорная среда содержит огромное количество информации. В этой сложной ситуации мозгу каким-то образом удается избирательно фокусировать внимание на соответствующих стимулах. Недавно ученые из Technische Universität München, Мюнхен и Рурского университета в Бохуме, Бохум исследовали таламическое тактильное сенсорное реле, используя оптогенетику (использование света для управления нейронами, которые были генетически сенсибилизированы к свету) для управления специфическим корковым входом в таламус. Они показывают, что самый глубокий кортикальный слой (известный как слой шесть, или просто L6) играет ключевую роль в управлении трансформацией таламического сигнала (в частности, путем управления адаптивными ответами таламических нейронов) и таламическим стробированием динамических сенсорных входных паттернов путем изменения режима возбуждения.
Доктор. Ребекка А. Мис и доктор. Александр Гро обсудил статью, которую они и проф. Патрик Кригер опубликован в Proceedings of the National Academy of Sciences. В этом исследовании они исследовали, как мозг активно контролирует и обрабатывает информацию, достигающую более высоких стадий корковой обработки, с помощью оптогенетики, чтобы включить определенный корковый вход в таламус и измерить, как это влияет на обработку сенсорных сигналов в таламусе.
"Передача сенсорных сигналов – это процесс с миллисекундной шкалой времени, в котором участвует пока еще неизвестное количество нейронных цепей," Гро рассказывает Medical Xpress. "Понимание сложной функции мозга – в данном случае ретрансляции и фильтрации сенсорной информации – требует анализа нейронных цепей в квазиреальном времени. Более того, сенсорная обработка может быть изучена только в неповрежденном, работающем мозге живых животных. " Он отмечает, что это технически сложно, потому что трудно идентифицировать различные компоненты схемы и изолировать их влияние, но оптогенетика, нацеливание функциональных зондов на конкретные типы клеток в сочетании с глубокими записями целых клеток мозга теперь позволило изучить конкретные нейронные сети и их функции в высших мозговых процессах, в которых, как известно, таламо-корковая сеть играет важную роль.
"Теперь мы знаем, что таламо-кортикальная сеть – это не простой односторонний маршрут, который передает только сенсорную информацию к коре головного мозга," Гро продолжает. "Вместо этого глубокие слои коры отправляют информацию обратно в таламус через массивные проекции аксонов." Фактически, он иллюстрирует, один из двух кортико-таламических путей берет начало в L6 и обеспечивает один из основных входов в таламические ядра. "По сравнению с другими корковыми слоями, L6 наименее изучен, частично из-за его недоступности и разнообразия типов клеток," Гро объясняет. "Использование специфической для клеточного типа стимуляции позволило нам специфически активировать L6 и изучить его влияние на сенсорную обработку таламуса."
С помощью этих инструментов исследователи показали, что L6 влияет на эти сигнальные свойства таламуса, контролируя мембранный потенциал покоя и доступность временных низкопороговых (Т-типа) кальциевых каналов, то есть кальциевых каналов, активируемых низким напряжением, которые открываются во время мембраны. деполяризация. Еще одной ключевой процедурой была методика патч-зажима глубокой структуры мозга in vivo, которую они использовали для ответа на эти вопросы. "Патч-зажим – методика, разработанная1,2 нашим наставником профессором. Берт Сакманн в сотрудничестве с Эрвином Неером – это стандартный метод для срезов мозга, но его все еще сложно применить в рабочем мозгу, особенно в его глубоких структурах," Миз рассказывает Medical Xpress. (Сакманн и Неер были совместно удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине 1991 г. за их работу, касающуюся патч-зажима, а также функции одиночных ионных каналов в клетках.) "Только при таком подходе мы смогли записать передачу сенсорной информации отдельными нейронами таламуса и определить, как корковая обратная связь от слоя 6 влияет на этот процесс." В этом случае, добавляет она, внеклеточная регистрация нервных спайков не показала бы, как активация L6 изменяет размер и адаптацию возбуждающих постсинаптических потенциалов (ВПСП) – временную деполяризацию постсинаптического мембранного потенциала, вызванную потоком положительно заряженных ионов в постсинаптическую клетку. в результате открытия ионных каналов.
Хотя Гро говорит, что в этой статье ученые не разработали каких-либо новых важных методов для решения этих вопросов, он указывает, что их открытие стало возможным благодаря объединению самых современных методов, включая оптогенетику, новую трансгенную мышь, известную как как nstr1, и записи целых клеток отдельных нейронов в глубоких структурах мозга. "Для этого проекта нам потребовались как оптогенетика, так и клеточно-специфическое нацеливание на нейроны L6 с использованием этой конкретной линии мышей," Гро объясняет, добавляя, что "линия трансгенных мышей была любезно предоставлена нам Натаниэлем Хайнцем и Эриком Шмидтом из Университета Рокфеллера. В более ранних методах манипулирования нейронными сетями часто использовалась электрическая стимуляция, которая не различает типы клеток, а пространственная протяженность плохо контролируется – поэтому комбинация активации, специфичной для определенного типа клеток, со светом преодолевает эти ограничения и позволяет нам специально изучить влияние L6 на режимах таламического реле." В частности, роль корковых входов в таламической обработке было трудно решить с помощью электростимуляции, потому что электрическая активация коры также активирует таламические нейроны через их аксонные окончания в коре – нежелательный побочный эффект, который может сделать интерпретацию данных очень сложно.
При этом исследователи обнаружили, что, вызывая деполяризацию, этот кортикоталамический путь эффективно регулирует реакцию таламических нейронов на сенсорные сигналы. Активность в пути L6 переключает таламус в тонический режим, одно из двух основных физиологических состояний (другое – импульсный режим), в котором может существовать каждый нейрон таламической проекции: в тоническом режиме нейроны переводят сенсорную информацию в одиночные потенциалы действия; в импульсном режиме (также известном как колебательный режим) нейроны отвечают кластерами высокочастотных всплесков. "Активировав этот путь оптогенетически," Миз говорит, "мы показали, что если L6 активен, инвариантный сенсорный стимул может вызывать два разных паттерна активности в таламусе. Кроме того, мы расширили эти результаты, проверив, служит ли тот же самый путь для оптимизации передачи сенсорных деталей. Мы обнаружили, что информация о стимуле – в данном случае о частоте – более надежно передается при активации коркового входа в таламус." Она отмечает, что это достигается за счет снижения таламической адаптации – хорошо известной особенности сенсорной физиологии.
Миз также прокомментировал открытие, что, хотя во время анестезии / сна и бодрствования / поведения были описаны как тонический, так и взрывной режимы, во время бодрствования наблюдается явный сдвиг в сторону тонического режима. "Отличная работа других специалистов в этой области показала, что бинарный разрыв между импульсным и тоническим режимами является чем-то вроде ложной дихотомии, и что таламический спайк – это скорее континуум между этими крайностями," Миз объясняет. "Активация L6 действительно увеличивает склонность к тоническому возбуждению, поэтому может быть, что L6 служит сигналом внимания, но эту возможность необходимо проверить на бодрствующих животных."
"Наши измерения подтверждают давнюю гипотезу, элегантно сформулированную Мюрреем Шерманом из Чикагского университета, о том, что невнимательный таламус, связанный со всплеском, оптимизирован для обнаружения внезапных изменений, таких как появление нового стимула, и преобразования их в сильный сигнал. в кору как быстрый всплеск спайков,"3 говорит Гро – "процесс Проф. Шерман назвал «тревожным сигналом для коры головного мозга» 4 в обзоре статьи Свадлоу и Гусева5. Впоследствии активность коры через L6 может переключать рабочий режим таламических нейронов реципиента на тоническое кодирование."
Грох отмечает, что исследователи расширили эти результаты, рассмотрев вопрос о том, влияет ли обратная связь L6 на временную передачу сенсорной частотной информации через таламус. "Для сенсорных физиологов это представляет интерес, поскольку частотная информация является важной подсказкой в сенсорных сигналах. Частотная информация в визуальных, слуховых и соматосенсорных сигналах обрабатывается сенсорными системами, поскольку оказалось, что мозг может обрабатывать эту информацию. Чтобы изучить частотное кодирование в таламокортикальной системе, мы представили мышам повторяющиеся вводы усов, как это делалось много раз раньше в других лабораториях. Однако, когда мы активировали путь L6 в этих экспериментах, ответы нейронов таламуса более точно отражали эти повторения, демонстрируя, что частотная информация более эффективно передается через таламус, когда L6 активен."
Кортико-таламический путь сохраняется в большинстве сенсорных систем млекопитающих, а это означает, что грызуны, кошки, приматы и люди демонстрируют общую архитектуру двух путей обратной связи от коры головного мозга к таламусу в слуховой, зрительной и соматосенсорной (но не обонятельной) системах. "Хотя это не было нашим открытием, это общее свойство кортикоталамических систем," Примечания к измерениям, "Возможно, что вход L6 в таламус может играть аналогичную роль в сенсорном гейтировании в других режимах ощущений."
"Поступающая сенсорная информация постоянно меняется," она продолжает, "и не вся эта информация важна для животного, потому что большая часть может быть избыточной или не относящейся к решаемой поведенческой задаче." Мис указывает, что нервная система справляется с этим, используя адаптивные механизмы во многих различных физических и временных масштабах, от синаптической депрессии в течение миллисекунд до инактивации ионных каналов в течение нескольких минут. Это означает, что для данного стимула выходной нейронный ответ не будет статическим, а будет зависеть от недавнего стимула и истории ответов. Это адаптивное поведение является фундаментальным свойством нейронной обработки и позволяет нейронам лучше использовать свой динамический диапазон выходных ответов для кодирования широкого диапазона свойств стимула. "Мы обнаружили, что вход L6 служит для ослабления частотно-зависимой адаптации, поэтому впоследствии больше стимулов достигает коры головного мозга."
При этом есть более широкие последствия входа L6 в таламус, формирующего как общий выигрыш, так и временную динамику сенсорных реакций, которые достигают коры головного мозга. "Эволюционное преимущество создается за счет универсальности, в частности, способности справляться с различными условиями при заселении разных территорий или ниш," Гро говорит. "Эта универсальность достигается за счет того, что выбирается больше информации, чем требуется в конкретной ситуации." В результате мозг развил механизмы, позволяющие обращать внимание на важные детали в конкретной ситуации, игнорируя при этом неинтересные сигналы (которые, по словам Гро, вероятно, представляют собой большую часть сенсорной информации). Он приходит к выводу, что их открытие предполагает, что кора головного мозга может точно настраивать свой собственный вход с помощью управления усилением (ослабление или усиление общих таламических сигналов) и фильтрации (управление временным разрешением паттернов).
На вопрос, если, учитывая, что (1) сенсорные сигналы на пути к коре претерпевают глубокие преобразования сигналов в таламусе, (2) ключевым таламическим преобразованием является сенсорная адаптация, при которой нейронный выход приспосабливается к статистике и динамике прошлых стимулов, и ( 3) таламус, гипоталамус и гиппокамп, являющиеся частью лимбической системы, может играть роль реконсолидации памяти в кортико-таламическом пути? "Вполне возможно, что кортико-таламический путь подвержен долговременной пластичности," Гипотезы Гроха. "Фактически, на синаптическом уровне эти входные данные могут изменять свою силу и сохранять скорректированную силу в течение длительных периодов времени. Этот процесс представляет собой еще одну, хотя и гораздо более медленную форму адаптации, которую некоторые интерпретируют как память.
И наоборот, может ли таламо-кортикальный путь влиять на память?? "Если определенные модели сенсорно-вызванной активности вызовут долгосрочные изменения в кортико-таламическом пути и тем самым изменят способ обработки входящих сигналов до достижения коры головного мозга," он полагает, "тогда это действительно будет отражать форму хранения информации."
Двигаясь вперед, Гро говорит, что есть несколько проектов, запланированных или находящихся в процессе, которые основываются на результатах их статьи. В одном из таких проектов рассматривается изменяющийся во времени эффект активации L6, то есть то, как передаются сенсорные сигналы, когда L6 активируется только на короткое время (в отличие от продолжающейся повышенной активности)? "Идея состоит в том, что ранний эффект гиперполяризации, который мы здесь не исследовали, накладывает порог для сенсорного ввода, чтобы переключить режим обработки на обработку с высокой точностью, но также обеспечивает высокую обнаруживаемость новых стимулов путем прайминга отдельных нейронов. Возможно, относительное время гиперполяризации и деполяризации помогает определить, какие стимулы кодируются в деталях," Гро объясняет.
"Один из основных вопросов, которым мы займемся," он продолжает, "как этот путь работает в бодрствующем мозгу – в частности, как он влияет на поведение, особенно с учетом того, что многие другие группы сообщали о сочетании всплеска и тонических всплесков у бодрствующих животных." Например, он показывает, при каких обстоятельствах целесообразно передавать сенсорные сигналы в пакетном режиме? В связи с этим, добавляет он, они также будут смотреть на то, какие поведенческие задачи лучше решаются, когда активен кортико-таламический путь. "В конце концов, мы надеемся лучше понять, почему природа вообще разработала переключатель. Это может даже позволить нам понять, какие патологические состояния вызваны дисфункцией кортико-таламической обратной связи.
"Кроме того," Гро продолжает, "Понимание того, что определяет баланс между гиперполяризацией и деполяризацией, которую L6 вызывает в таламических нейронах, является проблемой, которая требует дальнейшего изучения в неповрежденном мозге." Другие группы обнаружили, что эта изменчивость обусловлена выравниванием двух областей мозга мыши: кортикального ствола, области соматосенсорной коры, представляющей входные данные с контралатеральной стороны тела; и таламический барреллоид, набор структур в вентрально-заднем медиальном ядре таламуса, каждая из которых связана с определенным усом. "Эта изменчивость, скорее всего, имеет функциональное значение, и поэтому ее следует рассматривать более систематическим образом," он подчеркивает. "Гиперполяризующий эффект этого пути, который мы и другие описали, вероятно, также имеет отношение к тому, как таламические нейроны обрабатывают сенсорные стимулы, но это необходимо изучить во время сенсорной обработки. Для этого исследования," он продолжает, "мы сосредоточились на основном стабильном эффекте L6, который заключался в сбросе потенциала таламической мембраны в период повышенной активности L6."
Гро отмечает, что эту стабильную деполяризацию можно рассматривать как результат более длительной, то есть более 200 мс, активации этого пути, которая может произойти, когда объект исследуется более внимательно и / или когда для исследования требуются двигательные центры. например, во время движения усов. "Зависимость кортикальной обратной связи L6 от времени действительно очень интересна, и мы не затрагивали этот механизм в статье. Тем не менее, вполне вероятно, что результат корковой обратной связи по таламической сенсорной обработке может значительно варьироваться в зависимости от продолжительности активации слоя 6."
Кроме того, Гро отмечает, что есть и другие инновации, которые они рассматривают для применения в этом контексте. "Переход на поведенческий уровень требует технического развития," он говорит. "К счастью, отдельные методы были разработаны другими исследователями и коллегами, но необходимо выработать комбинированный подход. Также большой интерес представляет изучение общности таламокортикальных путей в различных модальностях. В этом исследовании мы рассмотрели обработку сенсорной информации и хотели бы знать, как гомологичные пути влияют на визуальную или слуховую обработку. Удивительно, что, несмотря на фундаментальные различия между зрительными, слуховыми и соматосенсорными сигналами, основные схемы таламокортикальных систем для каждой модальности очень похожи."
В заключение Гро рассказывает Phys.org, что другие области исследований, которые могут извлечь выгоду из их исследования, включают "любое медицинское исследование с участием таламо-корковой системы – например, эпилепсия, вызванная патологическими колебаниями мозга, – или другие состояния, которые могут включать несоответствующее управление сенсорными сигналами, такие как хроническая боль, шизофрения или панические расстройства. Однако, независимо от непосредственных практических последствий, в долгосрочной перспективе важно понимать основы нейронных систем."