Den delen av hjernen som kontrollerer bevegelser, styrer også følelser | Quanta Magazine

De siste tiårene har nevrovitenskap sett noen fantastiske fremskritt, og likevel forblir en kritisk del av hjernen et mysterium. Jeg sikter til lillehjernen, så oppkalt etter latin for "lille hjerne", som ligger som en bolle bakerst i hjernen. Dette er ingen liten forglemmelse: Lillehjernen inneholder tre fjerdedeler av alle hjernens nevroner, som er organisert i et nesten krystallinsk arrangement, i motsetning til det sammenfiltrede kratt av nevroner som finnes andre steder.

Encyclopedia artikler og lærebøker understreker det faktum at lillehjernens funksjon er å kontrollere kroppens bevegelser. Det er ingen tvil om at lillehjernen har denne funksjonen. Men forskere mistenker nå at dette langvarige synet er nærsynt.

Eller så lærte jeg i november i Washington, DC, mens jeg deltok på Samfunn for Neurovidenskaps årsmøte, det største møtet av nevrovitenskapsmenn i verden. Der organiserte et par nevrovitenskapsmenn en symposium på nyoppdagede funksjoner i lillehjernen som ikke er relatert til motorisk kontroll. Nye eksperimentelle teknikker viser at i tillegg til å kontrollere bevegelse, regulerer lillehjernen kompleks atferd, sosiale interaksjoner, aggresjon, arbeidsminne, læring, følelser og mer.

En sprekk i dominerende visdom

Sammenhengen mellom lillehjernen og bevegelsen har vært kjent siden 19-tallet. Pasienter som led traumer i hjerneregionen hadde åpenbare problemer med balanse og bevegelse, og etterlot ingen tvil om at det var avgjørende for å koordinere bevegelse. I løpet av tiårene utviklet nevrovitenskapsmenn en detaljert forståelse av hvordan lillehjernens unike nevrale kretser kontrollerer motorisk funksjon. Forklaringen på hvordan lillehjernen fungerte virket vanntett.

Så, i 1998, i journalen Brain, rapporterte nevrologer om omfattende emosjonelle og kognitive funksjonshemninger hos pasienter med skade på lillehjernen. For eksempel, i 1991 hadde en 22 år gammel kvinnelig student falt mens han gikk på skøyter; en CT-skanning avdekket en svulst i lillehjernen hennes. Etter at det ble fjernet kirurgisk, var hun en helt annen person. Den flinke collegestudenten hadde mistet evnen til å skrive med dyktighet, gjøre hoderegning, navngi vanlige objekter eller kopiere et enkelt diagram. Humøret hennes flatet ut. Hun gjemte seg under tak og oppførte seg upassende, kledde av seg i korridorene og snakket i babysnakk. Hennes sosiale interaksjoner, inkludert gjenkjennelse av kjente fjes, ble også svekket.

Denne og lignende saker undret forfatterne. Disse kognitive og emosjonelle funksjonene på høyt nivå ble forstått å ligge i hjernebarken og det limbiske systemet. "Nøyaktig hva den lillehjernens rolle er, og hvordan lillehjernen oppnår den, er ennå ikke fastslått," konkluderte de.

Til tross for disse ledetrådene fra kliniske studier om at konvensjonell visdom var på feil spor, insisterte ledende myndigheter fortsatt på at lillehjernens funksjon var å kontrollere bevegelse og ingenting mer. "Det er litt trist fordi det har gått 20 år [siden disse tilfellene ble rapportert]," sa Diasynou Fioravante, en nevrofysiolog ved University of California, Davis, som var medarrangør av konferansesymposiet.

Andre nevrologer har lagt merke til nevropsykiatriske mangler hos pasientene sine hele tiden, sa nevroforskeren Stephanie Rudolph fra Albert Einstein College of Medicine, som co-organiserte symposiet med Fioravante. Imidlertid var det ingen harde anatomiske bevis for hvordan lillehjernens unike nevrale kretsløp muligens kunne regulere de rapporterte psykologiske og emosjonelle funksjonene, så de kliniske rapportene ble oversett.

Nå, en bedre forståelse av lillehjernens kretsløp beviser at casestudiene er riktige og dominerende visdom feil.

Presisjonsledninger

De ledningsmønster i lillehjernen er nøyaktig organisert og komprimert for å konsentrere tre fjerdedeler av hjernens nevroner til en 4-tommers lapp. Den viktigste nevrontypen i lillehjernen, kalt Purkinje-cellen, er vidt forgrenet som en viftekorall, men likevel flat og nesten todimensjonal. Viftens blader er nevronets dendritter, som mottar innkommende signaler. Disse flate nevronene er arrangert parallelt, som om millioner av viftekoraller var stablet oppå hverandre i en tett bunt. Tusenvis av små nevroner kjører aksoner - hjernens overføringskabler for elektriske impulser - vinkelrett gjennom stabelen av dendritter, som tråder i en vevstol. Hvert akson forbindes med dendrittene til titusenvis av Purkinje-celler.

Dette nivået av sammenkobling gir lillehjernens 50 milliarder nevroner en forbløffende kapasitet for integrering. Denne kretsen, unik for lillehjernen, kan knuse enorme mengder innkommende data fra sansene for å regulere kroppsbevegelser. Den flytende bevegelsen til en ballerina som hopper over scenen krever at lillehjernen raskt behandler informasjon fra alle sanser mens den sporer de skiftende posisjonene til lemmer, opprettholder balansen og kartlegger rommet kroppen beveger seg gjennom. Lillehjernen bruker den dynamiske informasjonen til å kontrollere muskler med presis timing, og for å gjøre det i den rette sosiale konteksten, drevet av følelser og motivasjon.

Fioravante og Rudolph fortalte meg at nevrovitenskapsmenn nå innser at de kraftige nevrale kretsene i lillehjernen som integrerer informasjon for kroppsbevegelser, også utstyrer den til å håndtere komplekse mentale prosesser og atferd.

«For eksempel, akkurat nå,» forklarte Rudolph mens vi snakket sammen før symposiet begynte, «stiller du spørsmål, og vi gir svar. Det er en kompleks oppførsel." Hun trengte å forstå talen min, formulere et svar og deretter bruke muskler til å produsere ord. Hun måtte også ta inn kroppsspråket mitt og andre subtile signaler. "Du nikker akkurat nå, for eksempel, så ut fra dette kan jeg konkludere med at du lytter og er interessert," sa hun.

Jeg hadde ikke fullt ut satt pris på kompleksiteten til den motoriske kontrollen som kreves for tale før. Fysiskheten inkluderer ikke bare den intrikate gymnastikken av tunge og lepper - for å produsere lyd samt justere tonehøyde og volum - men også gestikulering. Ordene våre er timet slik at vi ikke snakker over den andre personen, og de er regulert for den sosiale konteksten: tilført de riktige følelsene og drevet av motivasjon, tanke, forventning og humør.

Koordinering av disse forskjellige funksjonene krever å tappe inn i nesten alt hjernen gjør - fra regulering av hjertefrekvens og blodtrykk, utført i dype hjerneområder, til prosessering av sensorisk og emosjonell informasjon, utført av det limbiske systemet. Det krever også engasjement med de kognitive funksjonene på høyeste nivå av forståelse, hemming og beslutningstaking i den prefrontale cerebrale cortex.

For at lillehjernen skal gjøre det, må den ha forbindelser som spenner over hele hjernen. Inntil nå manglet bevis for det, men nye teknikker avdekker disse veiene.

Et knutepunkt for sanseinndata

For bare tiår siden, da nevroanatomer kartla hjernen, kunne de ikke finne noen direkte forbindelser fra lillehjernen til hjerneregioner som kontrollerer følelser og kognisjon, som det limbiske systemet og den prefrontale cortex. Det fikk dem til å tro at lillehjernen var noe isolert og ikke involvert i disse høyere kognitive funksjonene. Men akkurat som banditter kan unnslippe en sporer ved å bytte kjøretøy, kan nevrale signaler hoppe fra en nevron til den neste. Denne undercover-aksjonen kastet nevroanatomer ut av lillehjernens spor.

Nye metoder har gjort det mulig for nevroanatomer å spore disse banene fra lillehjernen over relépunkter, og følge dem over hele hjernen. Forskere kan for eksempel plante rabiesvirus i nevroner for å se nøyaktig hvilke andre nevroner de kommer i kontakt med. De har genetisk konstruert fluorescerende proteiner til å blinke når en nevrale impuls utløses, slik at de kan se trafikkflyten i nevrale kretsløp. De kan også spore fotavtrykk etterlatt av nevronal trafikk: Utseendet til proteiner som produseres når et nevron avfyrer, kan hjelpe til med å identifisere alle cellene som kommuniserer i et nevralt nettverk når en bestemt atferd utføres.

På symposiet delte forskere en rekke fascinerende nye funn avslørt av disse nye metodene som demonstrerer deres utviklende forståelse av lillehjernen.

Jessica Verpeut fra Arizona State University rapporterte data som beskriver det intrikate og ekspansive nettverket av cerebellare forbindelser som aktiveres i hele hjernen hos mus når de sosialiserer seg eller lærer å forhandle en labyrint.

Rudolph delte eksperimenter som viste at mors atferd, studert hos hunnmus som tok vare på valpene sine, ble påvirket av hormoner som virker på lillehjernen, spesielt hormonet oksytocin, som fremmer mors binding. Da denne mekanismen ble forstyrret eksperimentelt, brydde ikke moren seg lenger om valpene sine.

Yi-Mei Yang fra University of Minnesota viste at når hun forstyrret visse cerebellare nevroner, mistet mus interessen for å engasjere seg med ukjente mus som ble introdusert i buret deres. Imidlertid hadde de ingen problemer med å samhandle med og huske nye livløse gjenstander. Dette indikerte et underskudd i kompleks sosial gjenkjennelseshukommelse, lik det autister opplever.

Faktisk er lillehjernen ofte mindre hos autister, og Aleksandra Badura fra Erasmus University Medical Center i Rotterdam presenterte nye data som tyder på at lillehjernen er involvert i autisme fordi den er et knutepunkt for sensoriske input, spesielt for signaler knyttet til sosiale kontekster.

Denne nye forskningen går utover musestudier. Andreas Thieme fra University Hospital Essen i Tyskland presenterte en ny klinisk test som brukes til å nøyaktig diagnostisere emosjonelle og kognitive svekkelser forårsaket av cerebellar skade.

Disse nye, banebrytende studiene viser at i tillegg til å kontrollere bevegelse, regulerer lillehjernen kompleks sosial og emosjonell atferd. For å oppnå denne globale innflytelsen, må lillehjernen være et dataknusende knutepunkt med forbindelser i hele hjernen. Ikke rart den har så mange nevroner. For å utføre denne høyordnede kommandoen og kontrollen på egen hånd, må det faktisk være en liten hjerne.