Το μέρος του εγκεφάλου που ελέγχει την κίνηση καθοδηγεί επίσης τα συναισθήματα | Περιοδικό Quanta

Τις τελευταίες δεκαετίες, η νευροεπιστήμη έχει δει μερικές εκπληκτικές προόδους, και ωστόσο ένα κρίσιμο τμήμα του εγκεφάλου παραμένει ένα μυστήριο. Αναφέρομαι στην παρεγκεφαλίδα, που ονομάστηκε έτσι για το λατινικό «μικρό εγκέφαλο», που βρίσκεται σαν κουλούρι στο πίσω μέρος του εγκεφάλου. Αυτό δεν είναι μικρή παράβλεψη: Η παρεγκεφαλίδα περιέχει τα τρία τέταρτα του συνόλου των νευρώνων του εγκεφάλου, οι οποίοι είναι οργανωμένοι σε μια σχεδόν κρυσταλλική διάταξη, σε αντίθεση με το μπερδεμένο σύνολο νευρώνων που βρίσκονται αλλού.

Άρθρα εγκυκλοπαίδειας και τα σχολικά βιβλία υπογραμμίζουν το γεγονός ότι η λειτουργία της παρεγκεφαλίδας είναι να ελέγχει την κίνηση του σώματος. Δεν υπάρχει αμφιβολία ότι η παρεγκεφαλίδα έχει αυτή τη λειτουργία. Αλλά οι επιστήμονες υποπτεύονται τώρα ότι αυτή η μακροχρόνια άποψη είναι μυωπική.

Ή έτσι έμαθα τον Νοέμβριο στην Ουάσιγκτον, DC, ενώ παρακολουθούσα το Εταιρεία για τη Νευροεπιστήμη ετήσια συνάντηση, η μεγαλύτερη συνάντηση νευροεπιστημόνων στον κόσμο. Εκεί, ένα ζευγάρι νευροεπιστημόνων οργάνωσε ένα συμπόσιο σχετικά με τις λειτουργίες της παρεγκεφαλίδας που ανακαλύφθηκαν πρόσφατα που δεν σχετίζονται με τον κινητικό έλεγχο. Νέες πειραματικές τεχνικές δείχνουν ότι εκτός από τον έλεγχο της κίνησης, η παρεγκεφαλίδα ρυθμίζει σύνθετες συμπεριφορές, κοινωνικές αλληλεπιδράσεις, επιθετικότητα, μνήμη εργασίας, μάθηση, συναίσθημα και πολλά άλλα.

Μια ρωγμή στην κυρίαρχη σοφία

Η σύνδεση παρεγκεφαλίδας και κίνησης είναι γνωστή από τον 19ο αιώνα. Οι ασθενείς που υπέφεραν από τραύμα στην περιοχή του εγκεφάλου είχαν εμφανείς δυσκολίες με την ισορροπία και την κίνηση, χωρίς αμφιβολία ότι ήταν κρίσιμο για τον συντονισμό της κίνησης. Κατά τη διάρκεια των δεκαετιών, οι νευροεπιστήμονες ανέπτυξαν μια λεπτομερή κατανόηση του τρόπου με τον οποίο το μοναδικό νευρικό κύκλωμα της παρεγκεφαλίδας ελέγχει την κινητική λειτουργία. Η εξήγηση για το πώς λειτουργούσε η παρεγκεφαλίδα φαινόταν στεγανή.

Στη συνέχεια, το 1998, στο περιοδικό Εγκέφαλος, ανέφεραν νευρολόγοι ευρείες συναισθηματικές και γνωστικές αναπηρίες σε ασθενείς με βλάβη στην παρεγκεφαλίδα. Για παράδειγμα, το 1991, μια 22χρονη φοιτήτρια είχε πέσει ενώ έκανε πατινάζ στον πάγο. μια αξονική τομογραφία αποκάλυψε όγκο στην παρεγκεφαλίδα της. Αφού αφαιρέθηκε χειρουργικά, ήταν εντελώς διαφορετικός άνθρωπος. Η ευφυής φοιτήτρια είχε χάσει την ικανότητά της να γράφει με επάρκεια, να κάνει νοητική αριθμητική, να ονομάζει κοινά αντικείμενα ή να αντιγράφει ένα απλό διάγραμμα. Η διάθεσή της ισοπέδωσε. Κρύφτηκε κάτω από τα σκεπάσματα και συμπεριφέρθηκε ανάρμοστα, γδύνονταν στους διαδρόμους και μιλώντας σε μωρό. Οι κοινωνικές της αλληλεπιδράσεις, συμπεριλαμβανομένης της αναγνώρισης οικείων προσώπων, ήταν επίσης μειωμένες.

Αυτή και παρόμοιες περιπτώσεις μπέρδεψαν τους συγγραφείς. Αυτές οι υψηλού επιπέδου γνωστικές και συναισθηματικές λειτουργίες θεωρήθηκε ότι βρίσκονται στον εγκεφαλικό φλοιό και στο μεταιχμιακό σύστημα. «Ακριβώς ποιος είναι αυτός ο ρόλος της παρεγκεφαλίδας και πώς τον επιτυγχάνει η παρεγκεφαλίδα, δεν έχει ακόμη καθοριστεί», κατέληξαν.

Παρά αυτές τις ενδείξεις από κλινικές μελέτες ότι η συμβατική σοφία ήταν σε λάθος δρόμο, οι κορυφαίες αρχές επέμεναν ακόμη ότι η λειτουργία της παρεγκεφαλίδας ήταν να ελέγχει την κίνηση και τίποτα περισσότερο. «Είναι κάπως λυπηρό γιατί έχουν περάσει 20 χρόνια [από τότε που αναφέρθηκαν αυτές οι περιπτώσεις]», είπε Διασύνου Φιοράβαντε, νευροφυσιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Davis, ο οποίος συνδιοργάνωσε το συμπόσιο του συνεδρίου.

Άλλοι νευρολόγοι έχουν παρατηρήσει νευροψυχιατρικά ελλείμματα στους ασθενείς τους καθ' όλη τη διάρκεια, είπε ο νευροεπιστήμονας Στέφανι Ρούντολφ του Albert Einstein College of Medicine, ο οποίος συνδιοργάνωσε το συμπόσιο με τον Fioravante. Ωστόσο, δεν υπήρχαν σκληρά ανατομικά στοιχεία για το πώς το μοναδικό νευρικό κύκλωμα της παρεγκεφαλίδας θα μπορούσε ενδεχομένως να ρυθμίσει τις αναφερόμενες ψυχολογικές και συναισθηματικές λειτουργίες, επομένως οι κλινικές αναφορές παραβλέφθηκαν.

Τώρα, μια καλύτερη κατανόηση του κυκλώματος της παρεγκεφαλίδας αποδεικνύει ότι αυτές οι μελέτες περιπτώσεων είναι σωστές και η κυρίαρχη σοφία είναι λάθος.

Καλωδίωση Ακριβείας

Η σχέδιο καλωδίωσης στην παρεγκεφαλίδα είναι με ακρίβεια οργανωμένο και συμπιεσμένο για να συγκεντρώνει τα τρία τέταρτα των νευρώνων του εγκεφάλου σε έναν λοβό 4 ιντσών. Ο κύριος τύπος νευρώνα στην παρεγκεφαλίδα, που ονομάζεται κύτταρο Purkinje, είναι ευρέως διακλαδισμένος σαν κοράλλι, αλλά πεπλατυσμένος και σχεδόν δισδιάστατος. Τα πτερύγια του ανεμιστήρα είναι οι δενδρίτες του νευρώνα, οι οποίοι λαμβάνουν εισερχόμενα σήματα. Αυτοί οι επίπεδοι νευρώνες είναι διατεταγμένοι παράλληλα, σαν να στοιβάζονται εκατομμύρια κοράλλια το ένα πάνω στο άλλο σε μια σφιχτή δέσμη. Χιλιάδες μικροσκοπικοί νευρώνες περνούν άξονες - τα καλώδια μετάδοσης του εγκεφάλου για ηλεκτρικές ώσεις - κάθετα μέσα από τη στοίβα των δενδριτών, σαν νήματα στον αργαλειό. Κάθε άξονας συνδέεται με τους δενδρίτες δεκάδων χιλιάδων κυττάρων Purkinje.

Αυτό το επίπεδο διασυνδεσιμότητας δίνει στους 50 δισεκατομμύρια νευρώνες της παρεγκεφαλίδας μια εκπληκτική ικανότητα ολοκλήρωσης. Αυτό το κύκλωμα, μοναδικό για την παρεγκεφαλίδα, μπορεί να θρυμματίσει τεράστιες ποσότητες εισερχόμενων δεδομένων από τις αισθήσεις για να ρυθμίσει την κίνηση του σώματος. Η ρευστή κίνηση μιας μπαλαρίνας που πηδάει στη σκηνή απαιτεί από την παρεγκεφαλίδα να επεξεργάζεται γρήγορα πληροφορίες από όλες τις αισθήσεις, ενώ παρακολουθεί τις μεταβαλλόμενες θέσεις των άκρων, διατηρεί την ισορροπία και χαρτογραφεί το χώρο μέσω του οποίου κινείται το σώμα. Η παρεγκεφαλίδα χρησιμοποιεί αυτές τις δυναμικές πληροφορίες για να ελέγξει τους μύες με ακριβή χρονισμό και για να το κάνει στο σωστό κοινωνικό πλαίσιο, με γνώμονα το συναίσθημα και το κίνητρο.

Οι Fioravante και Rudolph μου είπαν ότι οι νευροεπιστήμονες συνειδητοποιούν τώρα ότι το ισχυρό νευρικό κύκλωμα στην παρεγκεφαλίδα που ενσωματώνει πληροφορίες για την κίνηση του σώματος το εξοπλίζει επίσης για να χειρίζεται περίπλοκες νοητικές διεργασίες και συμπεριφορές.

«Για παράδειγμα, αυτή τη στιγμή», εξήγησε ο Ρούντολφ καθώς μιλούσαμε πριν ξεκινήσει το συμπόσιο, «εσύ κάνεις ερωτήσεις και εμείς δίνουμε απαντήσεις. Αυτή είναι μια σύνθετη συμπεριφορά». Έπρεπε να κατανοήσει την ομιλία μου, να διατυπώσει μια απάντηση και μετά να χρησιμοποιήσει τους μύες για να παράγει λέξεις. Έπρεπε επίσης να πάρει τη γλώσσα του σώματός μου και άλλα διακριτικά σήματα. «Κουνάτε το κεφάλι τώρα, για παράδειγμα, οπότε από αυτό μπορώ να συμπεράνω ότι ακούτε και ενδιαφέρεστε», είπε.

Δεν είχα εκτιμήσει πλήρως την πολυπλοκότητα του ελέγχου κινητήρα που απαιτείται για την ομιλία πριν. Η σωματικότητα περιλαμβάνει όχι μόνο την περίπλοκη γυμναστική της γλώσσας και των χειλιών - για την παραγωγή ήχου καθώς και τη ρύθμιση του τόνου και της έντασης - αλλά και τη χειρονομία. Τα λόγια μας είναι χρονισμένα ώστε να μην μιλάμε για το άλλο άτομο και ρυθμίζονται για το κοινωνικό πλαίσιο: εμποτισμένα με το κατάλληλο συναίσθημα και οδηγούνται από κίνητρα, σκέψη, προσμονή και διάθεση.

Ο συντονισμός αυτών των διαφορετικών λειτουργιών απαιτεί σχεδόν ό,τι κάνει ο εγκέφαλος - από τη ρύθμιση του καρδιακού ρυθμού και της αρτηριακής πίεσης, που εκτελείται σε εν τω βάθει περιοχές του εγκεφάλου, έως την επεξεργασία αισθητηριακών και συναισθηματικών πληροφοριών, που εκτελείται από το μεταιχμιακό σύστημα. Απαιτεί επίσης ενασχόληση με τις υψηλότερου επιπέδου γνωστικές λειτουργίες κατανόησης, αναστολής και λήψης αποφάσεων στον προμετωπιαίο εγκεφαλικό φλοιό.

Για να το κάνει η παρεγκεφαλίδα, θα πρέπει να έχει συνδέσεις που καλύπτουν ολόκληρο τον εγκέφαλο. Μέχρι τώρα, δεν υπήρχαν στοιχεία για αυτό, αλλά νέες τεχνικές αποκαλύπτουν αυτά τα μονοπάτια.

Ένα κέντρο αισθητηριακής εισόδου

Μόλις πριν από δεκαετίες, όταν οι νευροανατόμοι χαρτογράφησαν τον εγκέφαλο, δεν μπορούσαν να βρουν άμεσες συνδέσεις από την παρεγκεφαλίδα με τις περιοχές του εγκεφάλου που ελέγχουν το συναίσθημα και τη γνώση, όπως το μεταιχμιακό σύστημα και ο προμετωπιαίος φλοιός. Αυτό τους οδήγησε να πιστέψουν ότι η παρεγκεφαλίδα ήταν κάπως απομονωμένη και μη εμπλεκόμενη σε αυτές τις ανώτερες γνωστικές λειτουργίες. Αλλά όπως οι ληστές μπορεί να αποφύγουν έναν ιχνηλάτη αλλάζοντας οχήματα, τα νευρικά σήματα μπορούν να μεταπηδήσουν από τον έναν νευρώνα στον άλλο. Αυτή η μυστική ενέργεια έριξε τους νευροανατόμους από τα ίχνη της παρεγκεφαλίδας.

Νέες μέθοδοι επέτρεψαν στους νευροανατόμους να εντοπίσουν αυτές τις οδούς από την παρεγκεφαλίδα σε σημεία αναμετάδοσης, ακολουθώντας τις σε ολόκληρο τον εγκέφαλο. Οι ερευνητές μπορούν, για παράδειγμα, να φυτέψουν ιούς λύσσας σε νευρώνες για να δουν ακριβώς με ποιους άλλους νευρώνες έρχονται σε επαφή. Έχουν κατασκευάσει γενετικά φθορίζουσες πρωτεΐνες για να αναβοσβήνουν όταν ενεργοποιείται μια νευρική ώθηση, ώστε να μπορούν να δουν τη ροή της κυκλοφορίας στα νευρωνικά κυκλώματα. Μπορούν επίσης να παρακολουθούν τα ίχνη που αφήνει πίσω η νευρωνική κίνηση: Η εμφάνιση πρωτεϊνών που παράγονται όταν ένας νευρώνας πυροδοτείται μπορεί να βοηθήσει στον εντοπισμό όλων των κυττάρων που επικοινωνούν σε ένα νευρωνικό δίκτυο όταν εκτελείται μια συγκεκριμένη συμπεριφορά.

Στο συμπόσιο, οι ερευνητές μοιράστηκαν μια σειρά από συναρπαστικά νέα ευρήματα που αποκαλύφθηκαν από αυτές τις νέες μεθόδους που καταδεικνύουν την εξελισσόμενη κατανόησή τους για την παρεγκεφαλίδα.

Τζέσικα Βερπέουτ του κρατικού πανεπιστημίου της Αριζόνα ανέφερε δεδομένα που περιγράφουν το περίπλοκο και εκτεταμένο δίκτυο παρεγκεφαλιδικών συνδέσεων που ενεργοποιούνται σε όλο τον εγκέφαλο στα ποντίκια όταν κοινωνικοποιούνται ή μαθαίνουν να διαπραγματεύονται έναν λαβύρινθο.

Ο Ρούντολφ μοιράστηκε πειράματα που έδειξαν ότι η μητρική συμπεριφορά, που μελετήθηκε σε θηλυκά ποντίκια που φρόντιζαν τα νεογνά τους, επηρεαζόταν από ορμόνες που δρουν στην παρεγκεφαλίδα, ειδικά την ορμόνη ωκυτοκίνη, η οποία προάγει τον μητρικό δεσμό. Όταν αυτός ο μηχανισμός διαταράχθηκε πειραματικά, η μητέρα δεν νοιαζόταν πλέον για τα κουτάβια της.

Γι-Μέι Γιανγκ του Πανεπιστημίου της Μινεσότα έδειξε ότι όταν διέκοψε ορισμένους παρεγκεφαλιδικούς νευρώνες, τα ποντίκια έχασαν το ενδιαφέρον τους να ασχοληθούν με άγνωστα ποντίκια που εισήχθησαν στο κλουβί τους. Ωστόσο, δεν είχαν καμία δυσκολία να αλληλεπιδράσουν και να θυμηθούν νέα άψυχα αντικείμενα. Αυτό έδειξε ένα έλλειμμα στη σύνθετη μνήμη κοινωνικής αναγνώρισης, παρόμοιο με αυτό που βιώνουν τα αυτιστικά άτομα.

Στην πραγματικότητα, η παρεγκεφαλίδα είναι συχνά μικρότερη στα αυτιστικά άτομα και Αλεξάντρα Μπαντούρα από το Ιατρικό Κέντρο του Πανεπιστημίου Erasmus στο Ρότερνταμ παρουσίασε νέα δεδομένα που υποδηλώνουν ότι η παρεγκεφαλίδα εμπλέκεται στον αυτισμό επειδή είναι ένας κόμβος αισθητηριακών εισροών, ειδικά για σήματα που σχετίζονται με κοινωνικά πλαίσια.

Αυτή η νέα έρευνα υπερβαίνει τις μελέτες σε ποντίκια. Andreas Thieme από το Πανεπιστημιακό Νοσοκομείο Έσσεν στη Γερμανία παρουσίασε ένα νέο κλινικό τεστ που χρησιμοποιείται για την ακριβή διάγνωση των συναισθηματικών και γνωστικών διαταραχών που προκαλούνται από την παρεγκεφαλιδική βλάβη.

Αυτές οι νέες, πρωτοποριακές μελέτες δείχνουν ότι εκτός από τον έλεγχο της κίνησης, η παρεγκεφαλίδα ρυθμίζει την περίπλοκη κοινωνική και συναισθηματική συμπεριφορά. Για να επιτευχθεί αυτή η παγκόσμια επιρροή, η παρεγκεφαλίδα πρέπει να είναι ένας κόμβος που συγκεντρώνει δεδομένα με συνδέσεις σε όλο τον εγκέφαλο. Δεν είναι περίεργο που έχει τόσους πολλούς νευρώνες. Για να επιτύχει αυτή την υψηλών προδιαγραφών εντολή και έλεγχο από μόνος του, πρέπει στην πραγματικότητα να είναι λίγο μυαλό.