Część mózgu kontrolująca ruch kieruje także uczuciami | Magazyn Quanta

W ostatnich dziesięcioleciach neuronauka dokonała oszałamiającego postępu, a jednak kluczowa część mózgu pozostaje tajemnicą. Mam na myśli móżdżek, którego nazwa pochodzi od łacińskiego słowa „mały mózg”, który znajduje się z tyłu mózgu niczym bułka. Nie jest to małe przeoczenie: móżdżek zawiera trzy czwarte wszystkich neuronów mózgu, które są zorganizowane w niemal krystaliczny układ, w przeciwieństwie do splątanej gąszczu neuronów spotykanej gdzie indziej.

Artykuły encyklopedyczne a podręczniki podkreślają fakt, że funkcją móżdżku jest kontrolowanie ruchu ciała. Nie ma wątpliwości, że móżdżek spełnia tę funkcję. Jednak naukowcy podejrzewają obecnie, że ten utrwalony pogląd jest krótkowzroczny.

Tak przynajmniej dowiedziałem się w listopadzie w Waszyngtonie, uczestnicząc w konferencji Doroczne spotkanie Society for Neuroscience, największe spotkanie neuronaukowców na świecie. Tam para neurologów zorganizowała a sympozjum na nowo odkrytych funkcjach móżdżku niezwiązanych z kontrolą motoryczną. Nowe techniki eksperymentalne pokazują, że oprócz kontrolowania ruchu móżdżek reguluje złożone zachowania, interakcje społeczne, agresję, pamięć roboczą, uczenie się, emocje i nie tylko.

Pęknięcie w dominującej mądrości

Związek móżdżku z ruchem znany jest już od XIX wieku. Pacjenci, którzy doznali urazu obszaru mózgu, mieli oczywiste trudności z równowagą i poruszaniem się, co nie pozostawiało wątpliwości, że ma to kluczowe znaczenie dla koordynacji ruchu. Przez dziesięciolecia neurobiolodzy szczegółowo zrozumieli, w jaki sposób unikalny obwód nerwowy móżdżku kontroluje funkcje motoryczne. Wyjaśnienie działania móżdżku wydawało się nieprzekonujące.

Następnie w 1998 r. w czasopiśmie Mózg– podają neurolodzy szerokie spektrum niepełnosprawności emocjonalnej i poznawczej u pacjentów z uszkodzeniem móżdżku. Na przykład w 1991 r. 22-letnia studentka upadła podczas jazdy na łyżwach; tomografia komputerowa wykazała guz w jej móżdżku. Po chirurgicznym usunięciu była zupełnie inną osobą. Inteligentna studentka straciła zdolność sprawnego pisania, wykonywania obliczeń mentalnych, nazywania zwykłych przedmiotów i kopiowania prostych diagramów. Jej nastrój się spłaszczył. Chowała się pod kołdrą i zachowywała się niewłaściwie, rozbierając się na korytarzach i mówiąc dziecięcym głosem. Jej interakcje społeczne, w tym rozpoznawanie znajomych twarzy, również były zaburzone.

Ten i podobne przypadki zaintrygowały autorów. Przyjmowano, że te funkcje poznawcze i emocjonalne wysokiego poziomu znajdują się w korze mózgowej i układzie limbicznym. „Dokładna rola móżdżku i sposób, w jaki móżdżek ją spełnia, nie została jeszcze ustalona” – podsumowali.

Pomimo wskazówek z badań klinicznych, że konwencjonalna wiedza podąża błędną drogą, czołowe autorytety nadal upierały się, że funkcją móżdżku jest kontrolowanie ruchu i nic więcej. „To trochę smutne, ponieważ minęło 20 lat [od zgłoszenia tych przypadków]” – stwierdziła Diasynou Fioravante, neurofizjolog z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Davis, który był współorganizatorem sympozjum konferencyjnego.

Inni neurolodzy od zawsze zauważali deficyty neuropsychiatryczne u swoich pacjentów, powiedział neurobiolog Stefania Rudolf Albert Einstein College of Medicine, który wraz z Fioravante był współorganizatorem sympozjum. Jednakże nie było twardych dowodów anatomicznych na to, w jaki sposób unikalny obwód nerwowy móżdżku mógłby regulować zgłaszane funkcje psychologiczne i emocjonalne, dlatego pominięto raporty kliniczne.

Teraz lepsze zrozumienie obwodów móżdżku udowadnia, że ​​te studia przypadków są słuszne, a dominująca mądrość błędna.

Precyzyjne okablowanie

Połączenia wzór okablowania w móżdżku jest precyzyjnie zorganizowany i zwarty, aby skoncentrować trzy czwarte neuronów mózgu w płatku o średnicy 4 cali. Główny typ neuronów w móżdżku, zwany komórką Purkinjego, jest szeroko rozgałęziony jak koral wachlarzowy, a mimo to jest spłaszczony i prawie dwuwymiarowy. Łopatki wentylatora to dendryty neuronu, które odbierają przychodzące sygnały. Te płaskie neurony są ułożone równolegle, jak gdyby miliony koralowców wachlarzowatych były ułożone jeden na drugim w ciasny pęczek. Tysiące maleńkich neuronów kieruje aksonami – kablami przesyłającymi impulsy elektryczne w mózgu – prostopadle przez stos dendrytów, niczym nici na krośnie. Każdy akson łączy się z dendrytami dziesiątek tysięcy komórek Purkinjego.

Ten poziom wzajemnych połączeń zapewnia 50 miliardom neuronów móżdżku zadziwiającą zdolność do integracji. Ten obwód, występujący wyłącznie w móżdżku, może przetwarzać ogromne ilości danych przychodzących ze zmysłów w celu regulacji ruchu ciała. Płynny ruch baletnicy skaczącej po scenie wymaga, aby móżdżek szybko przetwarzał informacje docierające do wszystkich zmysłów, jednocześnie śledząc zmieniające się pozycje kończyn, utrzymując równowagę i mapując przestrzeń, w której porusza się ciało. Móżdżek wykorzystuje te dynamiczne informacje do kontrolowania mięśni w precyzyjnym wyczuciu czasu i robi to we właściwym kontekście społecznym, kierując się emocjami i motywacją.

Fioravante i Rudolph powiedzieli mi, że neurobiolodzy zdają sobie teraz sprawę, że potężne obwody nerwowe w móżdżku, które integrują informacje dotyczące ruchu ciała, wyposażają go również do radzenia sobie ze złożonymi procesami i zachowaniami umysłowymi.

„Na przykład teraz” – wyjaśnił Rudolph, gdy rozmawialiśmy przed rozpoczęciem sympozjum – „zadajecie pytania, a my udzielamy odpowiedzi. To złożone zachowanie.” Musiała zrozumieć moją mowę, sformułować odpowiedź, a następnie użyć mięśni, aby wymówić słowa. Musiała także odczytać moją mowę ciała i inne subtelne sygnały. „Na przykład teraz kiwasz głową, więc mogę z tego wywnioskować, że słuchasz i jesteś zainteresowany” – powiedziała.

Wcześniej nie doceniałem w pełni złożoności kontroli motorycznej wymaganej do mówienia. Fizyczność obejmuje nie tylko misterną gimnastykę języka i warg – polegającą na wytwarzaniu dźwięku oraz dostosowywaniu wysokości i głośności – ale także gestykulację. Nasze słowa są wymierzone w czasie, abyśmy nie zagłuszali drugiej osoby, i są regulowane pod kątem kontekstu społecznego: nasycone właściwymi emocjami i napędzane motywacją, myślami, oczekiwaniem i nastrojem.

Koordynacja tych różnorodnych funkcji wymaga wykorzystania niemal wszystkiego, co robi mózg – od regulacji tętna i ciśnienia krwi, zachodzącej w głębokich obszarach mózgu, po przetwarzanie informacji sensorycznych i emocjonalnych, realizowane przez układ limbiczny. Wymaga także zaangażowania najwyższych funkcji poznawczych, takich jak rozumienie, hamowanie i podejmowanie decyzji, w korze przedczołowej mózgu.

Aby móżdżek mógł to zrobić, musiałby mieć połączenia obejmujące cały mózg. Do tej pory brakowało na to dowodów, ale nowe techniki odkrywają te ścieżki.

Centrum wejść sensorycznych

Zaledwie kilkadziesiąt lat temu, kiedy neuroanatomowie mapowali mózg, nie mogli znaleźć żadnych bezpośrednich połączeń między móżdżkiem a obszarami mózgu kontrolującymi emocje i funkcje poznawcze, takimi jak układ limbiczny i kora przedczołowa. To doprowadziło ich do przekonania, że ​​móżdżek jest w pewnym stopniu odizolowany i niezaangażowany w wyższe funkcje poznawcze. Ale tak jak bandyci mogą ominąć urządzenie śledzące, zmieniając pojazd, tak sygnały neuronowe mogą przeskakiwać z jednego neuronu do drugiego. Ta tajna akcja zepchnęła neuroanatomów z tropu móżdżku.

Nowe metody umożliwiły neuroanatomom prześledzenie tych ścieżek z móżdżku przez punkty przekaźnikowe, podążając nimi w całym mózgu. Naukowcy mogą na przykład umieścić w neuronach wirusy wścieklizny, aby dokładnie sprawdzić, z którymi innymi neuronami się kontaktują. Genetycznie zmodyfikowali białka fluorescencyjne, które migają po uruchomieniu impulsu nerwowego, dzięki czemu mogą obserwować przepływ ruchu w obwodach neuronowych. Mogą także śledzić ślady pozostawione przez ruch neuronowy: pojawienie się białek wytwarzanych podczas odpalania neuronu może pomóc w identyfikacji wszystkich komórek komunikujących się w sieci neuronowej, gdy wykonywane jest określone zachowanie.

Podczas sympozjum badacze podzielili się wieloma fascynującymi nowymi odkryciami uzyskanymi dzięki tym nowym metodom, które pokazują ich ewoluującą wiedzę na temat móżdżku.

Jessiki Verpeut z Arizona State University przedstawili dane opisujące skomplikowaną i ekspansywną sieć połączeń móżdżkowych, które aktywują się w całym mózgu myszy, gdy nawiązują kontakty towarzyskie lub uczą się pokonywać labirynt.

Rudolph podzielił się eksperymentami pokazującymi, że na zachowanie matki, badane u samic myszy opiekujących się potomstwem, wpływają hormony działające na móżdżek, zwłaszcza hormon oksytocyna, który wzmacnia więź matczyną. Kiedy mechanizm ten został zakłócony eksperymentalnie, matka nie troszczyła się już o swoje potomstwo.

Yi-Mei Yang z University of Minnesota wykazała, że ​​kiedy zakłócała ​​działanie niektórych neuronów móżdżku, myszy traciły zainteresowanie kontaktem z nieznanymi myszami wprowadzonymi do ich klatki. Nie mieli jednak trudności z interakcją i zapamiętywaniem nowych obiektów nieożywionych. Wskazywało to na deficyt złożonej pamięci rozpoznawania społecznego, podobny do tego, jakiego doświadczają osoby autystyczne.

W rzeczywistości móżdżek jest często mniejszy u osób autystycznych i Aleksandra Badura z Centrum Medycznego Uniwersytetu Erazma w Rotterdamie przedstawili nowe dane sugerujące, że móżdżek jest powiązany z autyzmem, ponieważ stanowi ośrodek bodźców sensorycznych, zwłaszcza sygnałów związanych z kontekstami społecznymi.

To nowe badanie wykracza poza badania na myszach. Andreasa Thieme’a ze Szpitala Uniwersyteckiego w Essen w Niemczech zaprezentowali nowy test kliniczny służący do dokładnej diagnozy zaburzeń emocjonalnych i poznawczych spowodowanych uszkodzeniem móżdżku.

Te nowe, przełomowe badania pokazują, że oprócz kontrolowania ruchu móżdżek reguluje złożone zachowania społeczne i emocjonalne. Aby osiągnąć ten globalny wpływ, móżdżek musi być węzłem przetwarzającym dane z połączeniami w całym mózgu. Nic dziwnego, że ma tak wiele neuronów. Aby samodzielnie wykonywać to nadrzędne dowodzenie i kontrolę, musi to być w rzeczywistości mały mózg.