Az agynak a mozgást irányító része az érzéseket is irányítja | Quanta Magazin

Az elmúlt évtizedekben az idegtudomány lenyűgöző fejlődést ért el, de az agy kritikus része továbbra is rejtély marad. A kisagyra gondolok, amelyet a latin „kis agy”-ról neveztek el, amely kontyként helyezkedik el az agy hátsó részén. Ez nem kis mulasztás: a kisagyban található az agy összes idegsejtjének háromnegyede, amelyek szinte kristályos elrendezésben szerveződnek, ellentétben a másutt található idegsejtek kusza bozótjával.

Enciklopédia cikkek és a tankönyvek hangsúlyozzák azt a tényt, hogy a kisagy feladata a test mozgásának szabályozása. Nem kérdéses, hogy a kisagynak ez a funkciója van. A tudósok azonban azt gyanítják, hogy ez a régóta fennálló nézet rövidlátó.

Legalábbis így tanultam novemberben Washington DC-ben, miközben részt vettem a A Neurotudományi Társaság éves találkozója, az idegtudósok legnagyobb találkozója a világon. Ott egy idegtudós pár szervezett a szimpózium a kisagy újonnan felfedezett funkcióiról, amelyek nem kapcsolódnak a motoros szabályozáshoz. Az új kísérleti technikák azt mutatják, hogy a mozgás szabályozása mellett a kisagy szabályozza az összetett viselkedéseket, a szociális interakciókat, az agressziót, a munkamemóriát, a tanulást, az érzelmeket és még sok mást.

Repedés az uralkodó bölcsességben

A kisagy és a mozgás kapcsolata a 19. század óta ismert. Az agyi régióban traumát szenvedő betegeknek nyilvánvaló nehézségei voltak az egyensúly és a mozgás terén, ami nem hagy kétséget afelől, hogy ez kritikus fontosságú a mozgás koordinálása szempontjából. Az évtizedek során az idegtudósok részletesen megértették, hogyan szabályozza a kisagy egyedi idegrendszere a motoros működést. A kisagy működésének magyarázata vízhatlannak tűnt.

Aztán 1998-ban a folyóiratban Agyszámoltak be a neurológusok széles körű érzelmi és kognitív fogyatékosságok kisagykárosodásban szenvedő betegeknél. Például 1991-ben egy 22 éves egyetemista nő elesett korcsolyázás közben; a CT-vizsgálat daganatot mutatott ki a kisagyában. Miután műtéti úton eltávolították, teljesen más ember volt. Az okos egyetemista elvesztette a képességét, hogy készségesen írjon, fejben számoljon, elnevezzen általános tárgyakat vagy másoljon egyszerű diagramot. A hangulata ellaposodott. Takaró alá bújt, és oda nem illően viselkedett, a folyosókon vetkőzött, és bababeszédben beszélt. Társadalmi interakciói, beleértve az ismerős arcok felismerését is, szintén károsodtak.

Ez és hasonló esetek zavarba ejtették a szerzőket. Úgy gondolták, hogy ezek a magas szintű kognitív és érzelmi funkciók az agykéregben és a limbikus rendszerben találhatók. "Pontosan mi ez a kisagy szerepe, és hogy a kisagy hogyan teljesíti, még nem állapították meg" - összegezték.

A klinikai vizsgálatok nyomai ellenére, amelyek arra utalnak, hogy a hagyományos bölcsesség rossz úton halad, a vezető hatóságok továbbra is ragaszkodtak ahhoz, hogy a kisagy funkciója a mozgás szabályozása, semmi több. „Ez szomorú, mert 20 év telt el [az esetek bejelentése óta]” – mondta Diasynou Fioravante, a Kaliforniai Egyetem neurofiziológusa, Davis, a konferencia szimpózium társszervezője.

Más neurológusok mindvégig neuropszichiátriai hiányosságokat észleltek pácienseiknél – mondta az idegtudós Stephanie Rudolph Albert Einstein Orvostudományi Főiskola munkatársa, aki Fioravantéval közösen szervezte a szimpóziumot. Azonban nem volt kemény anatómiai bizonyíték arra vonatkozóan, hogy a kisagy egyedi idegrendszere hogyan szabályozhatja a jelentett pszichológiai és érzelmi funkciókat, ezért a klinikai jelentéseket figyelmen kívül hagyták.

Most, a kisagy áramkörének jobb megértése bebizonyítja, hogy ezek az esettanulmányok helyesek, és a domináns bölcsesség helytelen.

Precíziós huzalozás

A huzalozási minta a kisagyban pontosan megszervezve és tömörítve az agy neuronjainak háromnegyedét egy 4 hüvelykes lebenybe koncentrálja. A kisagy neuronjainak fő típusa, az úgynevezett Purkinje-sejt, szélesen elágazó, mint egy legyezőkorall, mégis lapos és csaknem kétdimenziós. A ventilátor lapátjai a neuron dendritjei, amelyek fogadják a bejövő jeleket. Ezek a lapos neuronok párhuzamosan helyezkednek el, mintha több millió legyezőkorall halmozódna egymásra szoros kötegben. Apró neuronok ezrei vezetik az axonokat – az agy elektromos impulzusok átviteli kábeleit – merőlegesen a dendritek halmán keresztül, mint fonalak a szövőszékben. Mindegyik axon több tízezer Purkinje sejt dendritjéhez kapcsolódik.

Az összekapcsolhatóság ilyen szintje a kisagy 50 milliárd neuronjának elképesztő integrációs képességet biztosít. Ez a kisagyra jellemző áramkör hatalmas mennyiségű, az érzékszervekből érkező adatot képes összetörni a test mozgásának szabályozása érdekében. A színpadon átugró balerina folyékony mozgása megköveteli, hogy a kisagy gyorsan feldolgozza az összes érzékszervből származó információt, miközben követi a végtagok változó helyzetét, megőrzi az egyensúlyt, és feltérképezi azt a teret, amelyen keresztül a test mozog. A kisagy ezt a dinamikus információt használja fel az izmok pontos időzítéssel történő irányítására, és ezt a megfelelő társadalmi kontextusban, érzelmektől és motivációtól vezérelve.

Fioravante és Rudolph azt mondta nekem, hogy az idegtudósok most kezdik felismerni, hogy a kisagy erőteljes idegrendszere, amely a testmozgáshoz szükséges információkat integrálja, egyúttal felvértezi a kisagyot az összetett mentális folyamatok és viselkedések kezelésére is.

„Például most – magyarázta Rudolph, amikor a szimpózium kezdete előtt beszélgettünk –, Ön kérdéseket tesz fel, mi pedig választ adunk. Ez egy összetett viselkedés.” Meg kellett értenie a beszédemet, meg kellett fogalmaznia a választ, majd izmokat kellett használnia a szavak előállításához. Fel kellett vennie a testbeszédemet és más finom jeleket is. „Most például bólogatsz, tehát ebből arra következtethetek, hogy figyelsz és érdeklődsz” – mondta.

Korábban nem értékeltem teljesen a beszédhez szükséges motorvezérlés bonyolultságát. A testiség nem csak a nyelv és az ajkak bonyolult gimnasztikáját foglalja magában – hangot kelt, valamint hangmagasságot és hangerőt állít be –, hanem a gesztikulációt is. Szavaink időzítettek, hogy ne beszéljünk a másik személyről, és a társadalmi kontextushoz igazodnak: a megfelelő érzelmekkel átitatott, motiváció, gondolat, várakozás és hangulat vezérli.

E sokrétű funkciók összehangolása megköveteli, hogy szinte mindenre rá kell nyúlni, amit az agy tesz – a szívfrekvencia és a vérnyomás szabályozásától, amelyet az agy mély régióiban hajtanak végre, a szenzoros és érzelmi információk limbikus rendszer általi feldolgozásáig. Ezenkívül a prefrontális agykéreg legmagasabb szintű kognitív funkcióival való bekapcsolódásra van szükség, mint a megértés, a gátlás és a döntéshozatal.

Ahhoz, hogy a kisagy ezt megtehesse, olyan kapcsolatokkal kell rendelkeznie, amelyek az egész agyra kiterjednek. Eddig erre nem voltak bizonyítékok, de új technikák tárják fel ezeket az utakat.

Érzékszervi bemenet központja

Alig évtizedekkel ezelőtt, amikor a neuroanatómusok feltérképezték az agyat, nem találtak közvetlen kapcsolatot a kisagytól az érzelmeket és a megismerést irányító agyi régiókkal, például a limbikus rendszerrel és a prefrontális kéreggel. Ez arra késztette őket, hogy elhiggyék, hogy a kisagy valamelyest elszigetelt, és nem vesz részt ezekben a magasabb szintű kognitív funkciókban. De ahogy a banditák járműváltással kikerülhetik a nyomkövetőt, a neurális jelek egyik neuronról a másikra ugorhatnak. Ez a titkos akció letaszította a neuroanatómusokat a kisagyról.

Az új módszerek lehetővé tették a neuroanatómusok számára, hogy nyomon kövessék ezeket az útvonalakat a kisagytól a közvetítőpontokon keresztül, követve azokat az egész agyban. A kutatók például veszettségvírusokat ültethetnek az idegsejtekbe, hogy pontosan lássák, mely más neuronokkal érintkeznek. Génsebészeti úton fluoreszcens fehérjéket alakítottak ki, amelyek felvillannak, amikor egy idegi impulzus felvillan, így láthatják a forgalom áramlását az idegi áramkörökben. Nyomon követhetik a neuronforgalom által hátrahagyott lábnyomokat is: A neuronok tüzelésekor keletkező fehérjék megjelenése segíthet azonosítani a neurális hálózatban kommunikáló összes sejtet, amikor egy adott viselkedést végrehajtanak.

A szimpóziumon a kutatók számos lenyűgöző új felfedezést osztottak meg ezekkel az új módszerekkel, amelyek bizonyítják a kisagyról alkotott ismereteik fejlődését.

Jessica Verpeut Az Arizona State University munkatársa olyan adatokat közölt, amelyek leírják a kisagyi kapcsolatok bonyolult és kiterjedt hálózatát, amelyek az egész agyban aktiválódnak egereknél, amikor szocializálódnak vagy megtanulnak tárgyalni egy labirintusban.

Rudolph megosztotta azokat a kísérleteket, amelyek kimutatták, hogy az anyai viselkedést, amelyet kölykeiket gondozó nőstény egereken vizsgáltak, befolyásolták a kisagyra ható hormonok, különösen az oxitocin hormon, amely elősegíti az anyai kötődést. Amikor ezt a mechanizmust kísérletileg megzavarták, az anya már nem törődött a kölykeivel.

Yi-Mei Yang A Minnesotai Egyetem kutatója kimutatta, hogy amikor megzavart bizonyos kisagyi neuronokat, az egerek elvesztették érdeklődésüket a ketrecükbe bevitt ismeretlen egerek iránt. Azonban nem okozott nehézséget az újszerű élettelen tárgyakkal való interakció és az emlékezés. Ez a komplex társas-felismerő memória hiányát jelezte, hasonlóan ahhoz, amit az autisták tapasztalnak.

Valójában autista embereknél a kisagy gyakran kisebb, és Aleksandra Badura A rotterdami Erasmus Egyetem Orvosi Központja új adatokat mutatott be, amelyek arra utalnak, hogy a kisagy az autizmusban érintett, mivel az érzékszervi bemenet központja, különösen a társadalmi összefüggésekkel kapcsolatos jelek esetében.

Ez az új kutatás túlmutat az egérrel végzett vizsgálatokon. Andreas Thieme A németországi Esseni Egyetemi Kórházból egy új klinikai tesztet mutattak be, amelyet a cerebelláris károsodás okozta érzelmi és kognitív károsodások pontos diagnosztizálására használnak.

Ezek az új, úttörő tanulmányok azt mutatják, hogy a mozgás szabályozásán túl a kisagy szabályozza az összetett szociális és érzelmi viselkedést. Ahhoz, hogy ezt a globális hatást elérjük, a kisagynak adatrögzítő csomópontnak kell lennie, amely az egész agyban összeköttetésekkel rendelkezik. Nem csoda, hogy sok neuron van benne. Ahhoz, hogy ezt a magas szintű parancsot és irányítást önmagában végrehajtsa, valójában egy kis agynak kell lennie.