Partea creierului care controlează mișcarea ghidează și sentimentele | Revista Quanta

În ultimele decenii, neuroștiința a cunoscut unele progrese uimitoare și totuși o parte critică a creierului rămâne un mister. Mă refer la cerebel, numit așa în latină pentru „creierul mic”, care este situat ca un coc în partea din spate a creierului. Aceasta nu este o neglijență mică: cerebelul conține trei sferturi din toți neuronii creierului, care sunt organizați într-un aranjament aproape cristalin, în contrast cu desișul încâlcit de neuroni găsit în altă parte.

Articole de enciclopedie iar manualele subliniază faptul că funcția cerebelului este de a controla mișcarea corpului. Nu există nicio îndoială că cerebelul are această funcție. Dar oamenii de știință bănuiesc acum că această viziune de lungă durată este miopă.

Sau așa am învățat în noiembrie la Washington, DC, în timp ce participam la Societatea pentru Neuroscience reuniune anuala, cea mai mare întâlnire de neuroștiință din lume. Acolo, o pereche de neurologi au organizat a simpozion asupra funcţiilor nou-descoperite ale cerebelului care nu au legătură cu controlul motor. Noile tehnici experimentale arată că, pe lângă controlul mișcării, cerebelul reglează comportamentele complexe, interacțiunile sociale, agresivitatea, memoria de lucru, învățarea, emoția și multe altele.

O fisură în înțelepciunea dominantă

Legătura dintre cerebel și mișcare este cunoscută încă din secolul al XIX-lea. Pacienții care sufereau de traumatisme la nivelul regiunii creierului au avut dificultăți evidente cu echilibrul și mișcarea, fără a lăsa nicio îndoială că aceasta era esențială pentru coordonarea mișcării. De-a lungul deceniilor, oamenii de știință au dezvoltat o înțelegere detaliată a modului în care circuitele neuronale unice ale cerebelului controlează funcția motrică. Explicația modului în care funcționează cerebelul părea etanșă.

Apoi, în 1998, în jurnal Creier, au raportat neurologii dizabilități emoționale și cognitive ample la pacienţii cu afectare a cerebelului. De exemplu, în 1991, o studentă de 22 de ani căzuse în timp ce patina pe gheață; o scanare CT a dezvăluit o tumoare în cerebelul ei. După ce a fost îndepărtat chirurgical, ea a fost o persoană complet diferită. Studenta strălucită își pierduse capacitatea de a scrie cu pricepere, de a face aritmetică mentală, de a numi obiecte comune sau de a copia o diagramă simplă. Dispoziţia ei s-a aplatizat. Ea s-a ascuns sub pături și s-a comportat nepotrivit, dezbrăcându-se pe coridoare și vorbind în baby talk. Interacțiunile ei sociale, inclusiv recunoașterea fețelor familiare, au fost, de asemenea, afectate.

Acest lucru și cazuri similare i-au nedumerit pe autori. S-a înțeles că aceste funcții cognitive și emoționale de nivel înalt se află în cortexul cerebral și sistemul limbic. „Ce este rolul cerebelos exact și cum îl îndeplinește cerebelul, nu a fost încă stabilit”, au concluzionat ei.

În ciuda acestor indicii din studiile clinice că înțelepciunea convențională era pe drumul greșit, autoritățile de conducere au insistat în continuare că funcția cerebelului era de a controla mișcarea și nimic mai mult. „Este oarecum trist pentru că au trecut 20 de ani [de când au fost raportate aceste cazuri]”, a spus Diasynou Fioravante, neurofiziolog la Universitatea din California, Davis, care a co-organizat simpozionul conferinței.

Alți neurologi au observat tot timpul deficite neuropsihiatrice la pacienții lor, a spus neurologul Stephanie Rudolph de la Colegiul de Medicină Albert Einstein, care a co-organizat simpozionul împreună cu Fioravante. Cu toate acestea, nu existau dovezi anatomice concrete pentru modul în care circuitele neuronale unice ale cerebelului ar putea regla funcțiile psihologice și emoționale raportate, așa că rapoartele clinice au fost trecute cu vederea.

Acum, o mai bună înțelegere a circuitelor cerebelului demonstrează că acele studii de caz sunt corecte și înțelepciunea dominantă este greșită.

Cablaj de precizie

model de cablare în cerebel este organizat și compactat cu precizie pentru a concentra trei sferturi din neuronii creierului într-un lob de 4 inci. Principalul tip de neuron din cerebel, numit celula Purkinje, este ramificat pe scară largă ca un coral fan, dar aplatizat și aproape bidimensional. Paletele ventilatorului sunt dendritele neuronului, care primesc semnale de intrare. Acești neuroni plati sunt aranjați în paralel, ca și cum milioane de corali evantai ar fi stivuite unul peste altul într-un pachet strâns. Mii de neuroni minuscuri trec axonii - cablurile creierului de transmisie a impulsurilor electrice - perpendicular prin teancul de dendrite, ca firele dintr-un țesut. Fiecare axon se conectează cu dendritele a zeci de mii de celule Purkinje.

Acest nivel de interconectivitate conferă celor 50 de miliarde de neuroni ai cerebelului o capacitate uimitoare de integrare. Acest circuit, unic pentru cerebel, poate analiza cantități enorme de date primite de la simțuri pentru a regla mișcarea corpului. Mișcarea fluidă a unei balerine care sărește peste scenă necesită cerebelului să prelucreze rapid informațiile din toate simțurile în timp ce urmărește pozițiile în schimbare ale membrelor, menține echilibrul și cartografiază spațiul prin care se mișcă corpul. Cerebelul folosește această informație dinamică pentru a controla mușchii cu o sincronizare precisă și pentru a face acest lucru în contextul social potrivit, condus de emoție și motivație.

Fioravante și Rudolph mi-au spus că oamenii de știință în neuroștiință realizează acum că circuitele neuronale puternice din cerebel care integrează informațiile pentru mișcarea corpului îl echipează și pentru a gestiona procese și comportamente mentale complexe.

„De exemplu, chiar acum”, a explicat Rudolph în timp ce discutam înainte de începerea simpozionului, „tu pui întrebări, iar noi dăm răspunsuri. Acesta este un comportament complex.” Trebuia să-mi înțeleagă discursul, să formuleze un răspuns și apoi să folosească mușchii pentru a produce cuvinte. De asemenea, a trebuit să ia în considerare limbajul meu corporal și alte semnale subtile. „În acest moment, dai din cap, de exemplu, așa că din asta pot concluziona că asculți și ești interesat”, a spus ea.

Înainte nu apreciasem pe deplin complexitatea controlului motor necesar vorbirii. Fiziculitatea include nu numai gimnastica complicată a limbii și buzelor - pentru a produce sunet, precum și pentru a regla înălțimea și volumul - ci și gesticulația. Cuvintele noastre sunt cronometrate astfel încât să nu vorbim peste cealaltă persoană și sunt reglementate pentru contextul social: infuzate cu emoția potrivită și conduse de motivație, gândire, anticipare și dispoziție.

Coordonarea acestor funcții diverse necesită accesarea aproape a tot ceea ce face creierul - de la reglarea ritmului cardiac și a tensiunii arteriale, efectuate în regiunile profunde ale creierului, până la procesarea informațiilor senzoriale și emoționale, efectuată de sistemul limbic. De asemenea, necesită implicarea cu funcțiile cognitive de cel mai înalt nivel de înțelegere, inhibiție și luare a deciziilor în cortexul cerebral prefrontal.

Pentru ca cerebelul să facă asta, ar trebui să aibă conexiuni care să cuprindă întregul creier. Până acum, dovezile pentru acest lucru au lipsit, dar noi tehnici descoperă aceste căi.

Un centru de intrare senzorială

Cu doar câteva decenii în urmă, când neuroanatomiștii au cartografiat creierul, nu au putut găsi nicio conexiune directă de la cerebel la regiunile creierului care controlează emoțiile și cogniția, cum ar fi sistemul limbic și cortexul prefrontal. Asta i-a făcut să creadă că cerebelul era oarecum izolat și neimplicat în aceste funcții cognitive superioare. Dar așa cum bandiții ar putea evita un tracker schimbând vehiculele, semnalele neuronale pot sări de la un neuron la altul. Această acțiune sub acoperire i-a aruncat pe neuroanatomiști de pe urma cerebelului.

Noile metode le-au permis neuroanatomiștilor să urmărească acele căi de la cerebel prin punctele releu, urmându-le pe tot creierul. Cercetătorii pot, de exemplu, să planteze virusuri rabiei în neuroni pentru a vedea cu exactitate ce alți neuroni îi contactează. Ei au modificat genetic proteine ​​fluorescente pentru a clipi când se declanșează un impuls neural, astfel încât să poată vedea fluxul de trafic în circuitele neuronale. De asemenea, pot urmări amprentele lăsate în urmă de traficul neuronal: apariția proteinelor produse atunci când un neuron se declanșează poate ajuta la identificarea tuturor celulelor care comunică într-o rețea neuronală atunci când este efectuat un anumit comportament.

La simpozion, cercetătorii au împărtășit o serie de descoperiri fascinante noi revelate de aceste noi metode care demonstrează înțelegerea lor în evoluție a cerebelului.

Jessica Verpeut de la Universitatea de Stat din Arizona a raportat date care descriu rețeaua complexă și extinsă de conexiuni cerebeloase care sunt activate în tot creierul la șoareci atunci când socializează sau învață să negocieze un labirint.

Rudolph a împărtășit experimente care arată că comportamentul matern, studiat la șoareci femele care își îngrijesc puii, a fost afectat de hormonii care acționează asupra cerebelului, în special de hormonul oxitocină, care promovează legătura maternă. Când acest mecanism a fost întrerupt experimental, mama nu a mai avut grijă de puii ei.

Yi-Mei Yang de la Universitatea din Minnesota a arătat că, atunci când a perturbat anumiți neuroni cerebelosi, șoarecii și-au pierdut interesul pentru a se implica cu șoareci nefamiliari introduși în cușca lor. Cu toate acestea, nu au avut dificultăți în a interacționa cu și a-și aminti obiecte neînsuflețite noi. Acest lucru a indicat un deficit în memoria complexă de recunoaștere socială, similar cu ceea ce experimentează persoanele cu autism.

De fapt, cerebelul este adesea mai mic la persoanele cu autism și Aleksandra Badura de la Centrul Medical al Universității Erasmus din Rotterdam a prezentat noi date care sugerează că cerebelul este implicat în autism, deoarece este un centru de intrare senzorială, în special pentru semnalele legate de contexte sociale.

Această nouă cercetare depășește studiile la șoarece. Andreas Thieme de la Spitalul Universitar Essen din Germania a prezentat un nou test clinic folosit pentru a diagnostica cu acuratețe deficiențele emoționale și cognitive cauzate de afectarea cerebeloasă.

Aceste studii noi, inovatoare, arată că, pe lângă controlul mișcării, cerebelul reglează comportamentul social și emoțional complex. Pentru a obține această influență globală, cerebelul trebuie să fie un hub de strângere a datelor cu conexiuni în tot creierul. Nu e de mirare că are atât de mulți neuroni. Pentru a realiza această comandă și control de ordin înalt pe cont propriu, trebuie să fie, de fapt, un mic creier.