За полсекунды мозг животного подготавливает его к быстрому и точному выполнению сложных движений. Ученые из исследовательского кампуса Janelia при Медицинском институте Говарда Хьюза определили нейронную цепь, которая преобразует волну активности, происходящую в этот подготовительный период, в команды, управляющие мышечными движениями.
Исследование ученых Джанелии объясняет, почему травмы, которые нарушают способность мозга выполнять планирование движений, обычно ухудшают способность человека совершать движения только одной стороной своего тела. Лидер группы Janelia Карел Свобода и его коллеги сообщили о своих выводах в номере журнала Nature от 26 февраля 2014 г.
Нейроны в премоторной коре головного мозга активны в течение периода планирования, который происходит за долю секунды до того, как человек или другой примат инициирует движение. Эти нейроны не получают напрямую сенсорных сигналов и не стимулируют движения тела. Вместо этого, говорит Свобода, их деятельность представляет собой когнитивный феномен. "Фактически вы можете прочитать по нейронам, что животное будет делать в будущем," он говорит. "У людей вы можете записывать эту активность с помощью электрода ЭЭГ и в грубой форме считывать, когда и как человек будет двигаться, прежде чем он или она узнает, куда они будут двигаться."
Тем не менее, говорит Свобода, не было прямых доказательств того, что мозг переводил эти сигналы перед движением в двигательные команды. Более того, кажущиеся противоречивыми наблюдения о том, как левая и правая стороны премоторной коры влияют на движение, оставили ученых в недоумении.
Большая часть того, что известно о премоторной коре, получено из наблюдений за пациентами и экспериментов с приматами. Пациенты, у которых во время инсульта повреждена премоторная кора головного мозга, теряют способность планировать движения на стороне тела, противоположной травмированной стороне головного мозга. "Таким образом, когда у человека есть поражение на одной стороне, возникает сильно латерализованный эффект. Но динамика нейронов, которую люди обнаружили в экспериментах по нейрофизиологии, действительно не согласуется с этим," Свобода говорит.
Ученые обнаружили примерно равное количество клеток по обе стороны от премоторной коры, активность которых была связана с перемещением в левую часть тела; то же самое было верно для нейронов, связанных с движением к правой стороне тела. "Похоже, деятельность по планированию полностью распределена для обеих сторон в обоих полушариях," Свобода говорит.
Около года назад команда Свободы определила область в мозге мышей, которая ведет себя как премоторная кора у людей и других приматов. По его словам, это открыло возможность для более точных экспериментов.
Чтобы узнать больше о том, как нейронная активность во время этого подготовительного периода влияет на движения, команда использовала технологию, называемую оптогенетикой, в которой светочувствительный белок генетически вводится в нейроны, чтобы эксперименты могли включать и выключать клетки с помощью лазерного импульса. Постдокторские исследователи Нуо Ли и Цзэнцай Го разработали поведенческую задачу, в которой они обучили мышей реагировать на сенсорный сигнал – полюс, положение которого животное могло определить своими усами – лизанием вправо или влево с задержкой в 1.3 секунды для планирования движения.
Затем Ли заставил замолчать нейроны по обе стороны от премоторной коры головного мозга мыши, известной как передняя боковая моторная кора. Оптогенетика допускает точность до миллисекунды, поэтому Ли мог заставить замолчать нейроны именно в период планирования движения. Подавление нейронов на правой стороне нарушало способность животных лизать влево, тогда как подавление нейронов на левой стороне ухудшало их способность лизать вправо. Но так же, как другие ученые наблюдали у приматов и людей, когда Ли контролировал нейронную активность в переднебоковой моторной коре головного мозга животных, примерно одинаковое количество нейронов с каждой стороны запускалось перед движением в обе стороны тела.
Многие типы клеток проходят через эту часть мозга, и предыдущие эксперименты не смогли выделить разные нейроны в смеси. Применяя новые инструменты оптогенетики для изучения активности определенных типов клеток, команда обнаружила небольшую группу нейронов, активность которых была связана только с будущими движениями на противоположной стороне тела животного. Это были нейроны пирамидного тракта, которые доходили до двигательных центров, производящих движение. Специалист по исследованиям Цай-Вэнь Чен использовал визуализацию, чтобы проследить активность нейронов пирамидного тракта, и обнаружил такую же взаимосвязь с движениями на противоположной стороне тела.
"В коре у нас есть нейроны, которые проецируются на полдюжины различных областей мозга," Свобода говорит. "Эти выходные нейроны составляют незначительное меньшинство клеток в этой области, поэтому, если вы ведете запись без разбора со всех типов нейронов, они вымываются," Свобода говорит. "Чтобы понять, как работает мозг, нам действительно нужно изучить нейронный код на уровне определенных нейронных популяций."
Ученые обнаружили, что они могут влиять на направление реакции животного на облизывание, стимулируя нейроны пирамидного тракта. "Если мы стимулируем эти нейроны во время двигательной подготовки, за секунды до движения, это заставляет животное двигаться в противоположном (противоположном) направлении гораздо чаще, чем в противном случае," Свобода говорит. "Это действительно показывает эти области мозга, и эти нейроны причинно связаны с планированием этих движений."
"Возникает очень простая картина," Свобода говорит. "Двигательный план распределен по обоим полушариям, которые сильно взаимодействуют друг с другом. Активность широко распространена, включая нейроны, которые взаимодействуют с сенсорными областями. Непосредственно перед движением этот двигательный план эффективно загружается в нейроны пирамидного тракта. И именно в этих нейронах мы видим сильно латерализованную популяционную активность."
С новым пониманием схемы, которая связывает двигательное планирование с движением, команда Svoboda стремится начать исследовать, как генерируется это планирование, как моторная кора участвует в принятии решений и как информация о плане сохраняется до тех пор, пока движение не будет выполнено. "Вы не можете написать компьютерную программу, чтобы сгенерировать это на основе того, что мы знаем о нейронах," он говорит. "Там настоящие загадки."