Den del af hjernen, der styrer bevægelse, styrer også følelser | Quanta Magasinet

I de seneste årtier har neurovidenskaben set nogle fantastiske fremskridt, og alligevel forbliver en kritisk del af hjernen et mysterium. Jeg refererer til lillehjernen, så opkaldt efter latin for "lille hjerne", som er placeret som en bolle bagerst i hjernen. Dette er ikke en lille forglemmelse: Lillehjernen indeholder tre fjerdedele af alle hjernens neuroner, som er organiseret i et næsten krystallinsk arrangement, i modsætning til det sammenfiltrede krat af neuroner, der findes andre steder.

Encyklopædi artikler og lærebøger understreger det faktum, at lillehjernens funktion er at kontrollere kroppens bevægelser. Der er ingen tvivl om, at lillehjernen har denne funktion. Men videnskabsmænd har nu mistanke om, at denne langvarige opfattelse er nærsynet.

Eller det lærte jeg i november i Washington, DC, mens jeg deltog i Årsmøde for Society for Neuroscience, det største møde mellem neuroforskere i verden. Der organiserede et par neurovidenskabsmænd en symposium om nyopdagede funktioner i lillehjernen, der ikke er relateret til motorisk kontrol. Nye eksperimentelle teknikker viser, at ud over at kontrollere bevægelse, regulerer lillehjernen kompleks adfærd, sociale interaktioner, aggression, arbejdshukommelse, indlæring, følelser og meget mere.

En revne i dominerende visdom

Forbindelsen mellem lillehjernen og bevægelsen har været kendt siden det 19. århundrede. Patienter, der led traumer i hjerneregionen, havde tydelige problemer med balance og bevægelse, hvilket ikke efterlod nogen tvivl om, at det var afgørende for koordinering af bevægelse. I løbet af årtierne udviklede neuroforskere en detaljeret forståelse af, hvordan lillehjernens unikke neurale kredsløb styrer motorisk funktion. Forklaringen på, hvordan lillehjernen virkede, virkede vandtæt.

Derefter, i 1998, i journalen Brain, rapporterede neurologer om vidtrækkende følelsesmæssige og kognitive handicap hos patienter med beskadigelse af lillehjernen. For eksempel var en 1991-årig kvindelig universitetsstuderende i 22 faldet under skøjteløb; en CT-scanning afslørede en tumor i hendes lillehjernen. Efter at det blev fjernet kirurgisk, var hun en helt anden person. Den dygtige universitetsstuderende havde mistet sin evne til at skrive med dygtighed, lave hovedregning, navngive almindelige genstande eller kopiere et simpelt diagram. Hendes humør fladede. Hun gemte sig under dyner og opførte sig upassende, klædte sig af på gangene og talte i babysnak. Hendes sociale interaktioner, herunder genkendelse af kendte ansigter, var også svækket.

Denne og lignende sager undrede forfatterne. Disse kognitive og følelsesmæssige funktioner på højt niveau blev forstået at ligge i hjernebarken og det limbiske system. "Nøjagtigt hvad denne lillehjernens rolle er, og hvordan lillehjernen udfører den, er endnu ikke fastlagt," konkluderede de.

På trods af disse spor fra kliniske undersøgelser om, at konventionel visdom var på den forkerte vej, insisterede førende myndigheder stadig på, at lillehjernens funktion var at kontrollere bevægelse og intet mere. "Det er lidt trist, fordi der er gået 20 år [siden disse tilfælde blev rapporteret]," sagde Diasynou Fioravante, en neurofysiolog ved University of California, Davis, som var med til at organisere konferencesymposiet.

Andre neurologer har hele tiden bemærket neuropsykiatriske mangler hos deres patienter, sagde neuroforskeren Stephanie Rudolph fra Albert Einstein College of Medicine, som var med til at organisere symposiet med Fioravante. Der var dog ingen hårde anatomiske beviser for, hvordan cerebellums unikke neurale kredsløb muligvis kunne regulere de rapporterede psykologiske og følelsesmæssige funktioner, så de kliniske rapporter blev overset.

Nu viser en bedre forståelse af lillehjernens kredsløb, at disse casestudier er rigtige og dominerende visdom forkert.

Præcisionsledninger

ledningsmønster i lillehjernen er præcist organiseret og komprimeret til at koncentrere tre fjerdedele af hjernens neuroner i en 4-tommer lap. Den primære type neuron i lillehjernen, kaldet Purkinje-cellen, er vidt forgrenet som en viftekoral, men alligevel fladtrykt og næsten todimensionel. Blæserens blade er neurons dendritter, som modtager indkommende signaler. Disse flade neuroner er arrangeret parallelt, som om millioner af viftekoraller var stablet oven på hinanden i et tæt bundt. Tusindvis af små neuroner løber axoner - hjernens transmissionskabler for elektriske impulser - vinkelret gennem stakken af ​​dendritter, som tråde i en væv. Hvert axon forbinder med dendritterne i titusindvis af Purkinje-celler.

Dette niveau af sammenkobling giver lillehjernens 50 milliarder neuroner en forbløffende evne til integration. Dette kredsløb, der er unikt for lillehjernen, kan knuse enorme mængder indkommende data fra sanserne for at regulere kroppens bevægelser. Den flydende bevægelse af en ballerina, der springer hen over scenen, kræver, at lillehjernen hurtigt behandler information fra alle sanser, mens den sporer lemmernes skiftende positioner, opretholder balancen og kortlægger det rum, hvorigennem kroppen bevæger sig. Lillehjernen bruger den dynamiske information til at kontrollere muskler med præcis timing og til at gøre det i den rigtige sociale kontekst, drevet af følelser og motivation.

Fioravante og Rudolph fortalte mig, at neurovidenskabsmænd nu indser, at det kraftfulde neurale kredsløb i lillehjernen, der integrerer information til kropsbevægelser, også ruster det til at håndtere komplekse mentale processer og adfærd.

“For eksempel lige nu,” forklarede Rudolph, mens vi talte sammen før symposiet begyndte, “stiller du spørgsmål, og vi giver svar. Det er en kompleks adfærd." Hun havde brug for at forstå min tale, formulere et svar og derefter bruge muskler til at fremstille ord. Hun måtte også tage mit kropssprog og andre subtile signaler til sig. "Du nikker for eksempel lige nu, så ud fra dette kan jeg konkludere, at du lytter og er interesseret," sagde hun.

Jeg havde ikke fuldt ud påskønnet kompleksiteten af ​​den motoriske kontrol, der kræves til tale før. Fysiskheden omfatter ikke kun tungens og læbernes indviklede gymnastik - til at producere lyd samt justere tonehøjde og lydstyrke - men også gestikulation. Vores ord er timet, så vi ikke taler over den anden person, og de er reguleret til den sociale kontekst: tilført de rette følelser og drevet af motivation, tanke, forventning og humør.

Koordinering af disse forskellige funktioner kræver, at man bruger næsten alt, hvad hjernen gør - fra regulering af hjertefrekvens og blodtryk, udført i dybe hjerneområder, til behandling af sensorisk og følelsesmæssig information, udført af det limbiske system. Det kræver også at engagere sig i de kognitive funktioner på højeste niveau af forståelse, hæmning og beslutningstagning i den præfrontale hjernebark.

For at lillehjernen kan gøre det, skal den have forbindelser, der spænder over hele hjernen. Indtil nu manglede beviser for det, men nye teknikker afdækker disse veje.

En hub af sensorisk input

For blot årtier siden, da neuroanatomer kortlagde hjernen, kunne de ikke finde nogen direkte forbindelser fra lillehjernen til hjerneregioner, der styrer følelser og kognition, såsom det limbiske system og den præfrontale cortex. Det fik dem til at tro, at lillehjernen var noget isoleret og ikke involveret i disse højere kognitive funktioner. Men ligesom banditter kan unddrage sig en tracker ved at skifte køretøj, kan neurale signaler springe fra den ene neuron til den næste. Denne undercover-aktion kastede neuroanatomer ud af lillehjernens spor.

Nye metoder har gjort det muligt for neuroanatomer at spore disse veje fra lillehjernen på tværs af relæpunkter og følge dem på tværs af hele hjernen. Forskere kan for eksempel plante rabiesvirus i neuroner for at se præcist, hvilke andre neuroner de kontakter. De har gensplejset fluorescerende proteiner til at blinke, når en neural impuls udløses, så de kan se strømmen af ​​trafik i neurale kredsløb. De kan også spore fodspor efterladt af neuronal trafik: Fremkomsten af ​​proteiner, der produceres, når en neuron affyrer, kan hjælpe med at identificere alle de celler, der kommunikerer i et neuralt netværk, når en specifik adfærd udføres.

På symposiet delte forskere en byge af fascinerende nye resultater afsløret af disse nye metoder, der demonstrerer deres udviklende forståelse af cerebellum.

Jessica Verpeut fra Arizona State University rapporterede data, der beskriver det indviklede og ekspansive netværk af cerebellare forbindelser, der aktiveres i hele hjernen hos mus, når de socialiserer eller lærer at forhandle en labyrint.

Rudolph delte eksperimenter, der viste, at moderens adfærd, studeret hos hunmus, der passede deres unger, blev påvirket af hormoner, der virker på lillehjernen, især hormonet oxytocin, som fremmer moderens binding. Da denne mekanisme blev afbrudt eksperimentelt, passede moderen ikke længere sine unger.

Yi-Mei Yang fra University of Minnesota viste, at da hun forstyrrede visse cerebellare neuroner, mistede mus interessen for at engagere sig med ukendte mus, der blev indført i deres bur. Imidlertid havde de ingen vanskeligheder med at interagere med og huske nye livløse genstande. Dette indikerede et underskud i kompleks social-genkendelseshukommelse, svarende til hvad autister oplever.

Faktisk er lillehjernen ofte mindre hos autister, og Aleksandra Badura fra Erasmus University Medical Center i Rotterdam præsenterede nye data, der tyder på, at lillehjernen er involveret i autisme, fordi det er et centrum for sensorisk input, især for signaler relateret til sociale sammenhænge.

Denne nye forskning går ud over museundersøgelser. Andreas Thieme fra University Hospital Essen i Tyskland præsenterede en ny klinisk test, der bruges til nøjagtigt at diagnosticere de følelsesmæssige og kognitive svækkelser forårsaget af cerebellar skade.

Disse nye, banebrydende undersøgelser viser, at ud over at kontrollere bevægelse, regulerer lillehjernen kompleks social og følelsesmæssig adfærd. For at opnå denne globale indflydelse skal lillehjernen være et dataknusende knudepunkt med forbindelser i hele hjernen. Ikke underligt, at den har så mange neuroner. For at udføre denne høje ordens kommando og kontrol på egen hånd, skal det i virkeligheden være en lille hjerne.