Ученые сообщают, что они обнаружили ранее упущенную связь между нейронами в двух различных областях мозга млекопитающих. Они говорят, что нейроны контролируют осязание, и их эксперименты на мышах предлагают понимание схем мозга, отвечающих за нормальное и ненормальное восприятие и движения, связанные с прикосновением.
Результаты экспериментов обобщены в выпуске Cell Reports от 29 мая.
"Нейробиологам нужно многое узнать о схемах, которые организуют прикосновения. Поскольку осязание играет важную роль в том, как мы перемещаемся и понимаем мир, и влияет на восприятие боли, важно знать, какие нейроны соединяются с другими нейронами и что происходит с сигналами между этими передающими импульсы клетками в головном мозге," говорит Дэниел О’Коннор, доктор философии.D., адъюнкт-профессор нейробиологии Медицинского факультета Университета Джона Хопкинса.
Часто, по его словам, мы воспринимаем прикосновения пассивно, например, ощущение одежды на теле или ощущение стула, на котором мы сидим. Но когда мы активно прикасаемся, например, нажимая на объект, чтобы увидеть, насколько он твердый, или двигая рукой взад и вперед, чтобы убедиться, что он гладкий, мы объединяем осязание с движением. И эта обработка, столь важная для нашей жизни и даже выживания, происходит быстро, иногда менее чем за тысячную долю секунды, – говорит О’Коннор.
У людей, говорит О’Коннор, реакция происходит в области мозга, называемой соматосенсорной корой, которая проходит вдоль области, в которой на голове находится повязка для наушников. В этой полосе мозга обрабатываются все сенсорные данные о прикосновении. Он разделен на две основные области: S1, первичная соматосенсорная кора, которая проходит вдоль области оголовья, и S2, вторичная соматосенсорная кора, которая находится ближе к ушам.
Области коры S1 и S2 делятся на шесть слоев ткани. Работая с мышами, О’Коннор и его команда внимательно изучили нейроны в слое 4 коры головного мозга. Долгое время считалось, что эти нейроны слоя 4 в коре головного мозга получают сенсорную информацию из внешнего мира, а затем транслируют ее другим нейронам в том же локальном регионе. Нейроны посылают химические и электрические сигналы, вытягивая руки или "аксоны," к другим нейронам.
В первой части исследования О’Коннор и его команда из Университета Джонса Хопкинса Соломон Х. Отделение нейробиологии Снайдера, Институт исследований мозга и Институт открытий нейробиологии Кавли изучили более 47 мышей, многократно касаясь их усов и просвечивая свет через их череп. О’Коннор говорит, что мозг мыши и человека имеет схожие черты, включая клеточные структуры. Мыши используют свои усы, как люди – пальцами и руками, поэтому многие ученые сосредотачивают свои эксперименты на этих волосоподобных структурах у животных в качестве суррогатов сенсоров человеческого прикосновения.
Чтобы точно определить местоположение нейронов, реагирующих на прикосновение, исследователи направили свет на мозг и использовали причуду физиологии мозга: чем больше активность мозга, тем больше света поглощается. Затем в области мозга, идентифицированные световым экспериментом, ученые вводили химические индикаторы, которые путешествовали по нейронам, чтобы найти, где они протянули свои аксоны и испускали химические сигналы.
"К нашему удивлению, мы обнаружили у мышей, что нейроны слоя 4 в области S2 расширяли свои аксоны за пределы своей локальной области, вплоть до нейронов в области S1," говорит О’Коннор.
Области коры S1 и S2 у мышей и людей расположены рядом с областями мозга, которые контролируют движение. "Это не совпадение. Мы думаем, что это задумано, потому что существует связь между движением и ощущениями," говорит О’Коннор.
О’Коннор и его команда расширили свои исследования, чтобы изучить, как функционируют нейроны уровня 4. Среди мышей они наблюдали за тысячами нейронов, включая нейроны слоя 4, которые отправляли свои аксоны в S1, с помощью электродов, которые регистрируют активность за миллисекунды. Ученые покачивали бакенбардами мышей с помощью калиброванных, контролируемых компьютером движений.
Ученым удалось идентифицировать нейроны слоя 4 в областях коры S1 и S2, которые активировались в первые 10 миллисекунд каждого движения усов. "Поскольку они реагируют так быстро, это означает, что цикл обратной связи возникает, как только происходит прикосновение," говорит О’Коннор.
Затем с помощью сложных микроскопов ученые увеличили изображение аксонов, простирающихся от области S2 до области S1. Они перемещали усы мышей вверх и вниз, вперед и назад, моделируя, как мыши используют свои усы, чтобы воспринимать направление прикосновения. Около 10 процентов нейронов слоя 4 были активированы определенными направлениями движения.
Когда О’Коннор и его команда заблокировали активность нейронов слоя 4 в области S2 с помощью активируемых светом молекул, подавляющих звук, нейроны в области S1 менее специфично реагировали на движения усов вверх и вниз или назад и вперед – нейроны больше не реагировали "заботился" много о направлении движения.
"Это говорит нам о том, что петля обратной связи между нейронами S2 слоя 4 и S1 улучшает кодирование информации об ориентации или направлении прикосновения," говорит О’Коннор.
По словам О’Коннор, помимо помощи ученым в понимании мозговых цепей, участвующих в прикосновении, эта работа может однажды помочь понять и потенциально вылечить некоторые расстройства мозга, связанные с движением и прикосновением, такие как инсульты и хроническая боль.