Часть мозга, контролирующая движение, также управляет чувствами | Журнал Кванта

За последние десятилетия в нейробиологии произошли ошеломляющие успехи, но важная часть мозга остается загадкой. Я имею в виду мозжечок, названный так в честь латинского слова «маленький мозг», который расположен в виде булочки в задней части мозга. Это немалое упущение: мозжечок содержит три четверти всех нейронов мозга, которые организованы почти кристаллически, в отличие от запутанной заросли нейронов, встречающейся в других местах.

Статьи энциклопедии В учебниках подчеркивается тот факт, что функция мозжечка заключается в контроле движений тела. Нет сомнений в том, что мозжечок выполняет эту функцию. Но теперь учёные подозревают, что эта давняя точка зрения является близорукой.

По крайней мере, я узнал об этом в ноябре в Вашингтоне, округ Колумбия, во время посещения Ежегодное собрание Общества Нейронауки, крупнейшее собрание нейробиологов в мире. Там пара нейробиологов организовала симпозиум о вновь открытых функциях мозжечка, не связанных с двигательным контролем. Новые экспериментальные методы показывают, что мозжечок не только контролирует движение, но и регулирует сложное поведение, социальные взаимодействия, агрессию, рабочую память, обучение, эмоции и многое другое.

Трещина в доминирующей мудрости

Связь мозжечка с движением известна еще с XIX века. Пациенты, перенесшие травму области мозга, имели очевидные трудности с равновесием и движением, что не оставляло сомнений в том, что это имеет решающее значение для координации движений. За десятилетия нейробиологи разработали детальное понимание того, как уникальная нейронная схема мозжечка контролирует двигательные функции. Объяснение того, как работает мозжечок, казалось неопровержимым.

Затем, в 1998 году, в журнале Мозг, сообщили неврологи широкий спектр эмоциональных и когнитивных нарушений у больных с поражением мозжечка. Например, в 1991 году 22-летняя студентка колледжа упала, катаясь на коньках; КТ выявила опухоль в мозжечке. После того, как его удалили хирургическим путем, она стала совершенно другим человеком. Одаренная студентка колледжа потеряла способность профессионально писать, выполнять арифметику в уме, называть обычные предметы или копировать простые диаграммы. Ее настроение ухудшилось. Она пряталась под одеялом и вела себя неадекватно, раздеваясь в коридорах и разговаривая детским лепетом. Ее социальное взаимодействие, в том числе узнавание знакомых лиц, также было нарушено.

Этот и подобные случаи озадачили авторов. Считалось, что эти высокоуровневые когнитивные и эмоциональные функции находятся в коре головного мозга и лимбической системе. «Какова именно эта роль мозжечка и как он ее выполняет, еще предстоит установить», — заключили они.

Несмотря на данные клинических исследований, свидетельствующие о том, что общепринятая точка зрения находится на неправильном пути, ведущие авторитеты по-прежнему настаивали на том, что функция мозжечка заключалась в контроле движений и не более того. «Это немного грустно, потому что прошло 20 лет [с тех пор, как были зарегистрированы эти случаи]», — сказал он. Диасину Фиораванте, нейрофизиолог из Калифорнийского университета в Дэвисе, который был одним из организаторов симпозиума конференции.

Другие неврологи всегда замечали нервно-психические нарушения у своих пациентов, говорит нейробиолог. Стефани Рудольф из Медицинского колледжа Альберта Эйнштейна, который вместе с Фиораванте организовал симпозиум. Однако не было убедительных анатомических доказательств того, как уникальная нейронная схема мозжечка может регулировать психологические и эмоциональные функции, о которых сообщалось, поэтому клинические отчеты были проигнорированы.

Теперь лучшее понимание схемы мозжечка доказывает, что эти тематические исследования верны, а доминирующая мудрость ошибочна.

Прецизионная проводка

Ассоциация Схема проводки в мозжечке точно организован и компактен, чтобы сконцентрировать три четверти нейронов мозга в 4-дюймовой доле. Основной тип нейронов мозжечка, называемый клетками Пуркинье, широко разветвляется, как веерный коралл, но при этом уплощен и почти двумерен. Лопасти вентилятора — это дендриты нейрона, которые принимают входящие сигналы. Эти плоские нейроны расположены параллельно, как если бы миллионы веерных кораллов были сложены друг на друга в плотный пучок. Тысячи крошечных нейронов проводят аксоны — кабели мозга для передачи электрических импульсов — перпендикулярно через стопку дендритов, как нити на ткацком станке. Каждый аксон соединяется с дендритами десятков тысяч клеток Пуркинье.

Такой уровень взаимосвязи дает 50 миллиардам нейронов мозжечка удивительную способность к интеграции. Эта схема, уникальная для мозжечка, может обрабатывать огромные объемы данных, поступающих от органов чувств, чтобы регулировать движения тела. Плавное движение прыгающей по сцене балерины требует от мозжечка быстрой обработки информации от всех органов чувств, одновременного отслеживания изменения положения конечностей, поддержания равновесия и составления карты пространства, в котором движется тело. Мозжечок использует эту динамическую информацию для точного управления мышцами и делает это в правильном социальном контексте, движимом эмоциями и мотивацией.

Фиораванте и Рудольф рассказали мне, что нейробиологи сейчас понимают, что мощные нейронные цепи в мозжечке, которые интегрируют информацию о движениях тела, также позволяют ему справляться со сложными психическими процессами и поведением.

«Например, прямо сейчас, — объяснил Рудольф во время нашего разговора перед началом симпозиума, — вы задаете вопросы, а мы даем ответы. Это сложное поведение». Ей нужно было понять мою речь, сформулировать ответ, а затем с помощью мышц произнести слова. Ей также пришлось принять мой язык тела и другие тонкие сигналы. «Вы сейчас киваете, например, поэтому из этого я могу сделать вывод, что вы слушаете и интересуетесь», — сказала она.

Раньше я не вполне осознавал сложность моторного контроля, необходимого для речи. Физическость включает в себя не только сложную гимнастику языка и губ — для воспроизведения звука, а также регулировки высоты и громкости — но и жестикуляцию. Наши слова рассчитаны так, чтобы мы не переговаривались с другим человеком, и они регулируются в соответствии с социальным контекстом: наполнены соответствующими эмоциями и движимы мотивацией, мыслью, предвкушением и настроением.

Координация этих разнообразных функций требует задействования практически всего, что делает мозг — от регуляции сердечного ритма и артериального давления, осуществляемой в глубоких областях мозга, до обработки сенсорной и эмоциональной информации, выполняемой лимбической системой. Это также требует задействования когнитивных функций высшего уровня понимания, торможения и принятия решений в префронтальной коре головного мозга.

Чтобы мозжечок мог это сделать, ему необходимо иметь связи, охватывающие весь мозг. До сих пор доказательств этого не было, но новые методы открывают эти пути.

Центр сенсорной информации

Всего несколько десятилетий назад, когда нейроанатомы картировали мозг, они не смогли найти никаких прямых связей между мозжечком и областями мозга, которые контролируют эмоции и познание, такими как лимбическая система и префронтальная кора. Это заставило их поверить, что мозжечок в некоторой степени изолирован и не участвует в этих высших когнитивных функциях. Но точно так же, как бандиты могут уклониться от следящего устройства, сменив транспортное средство, нейронные сигналы могут передаваться от одного нейрона к другому. Эта тайная акция сбила нейроанатомов с пути мозжечка.

Новые методы позволили нейроанатомам проследить эти пути от мозжечка через точки ретрансляции, проследив их по всему мозгу. Исследователи могут, например, посадить вирусы бешенства в нейроны, чтобы точно увидеть, с какими нейронами они контактируют. Они генетически сконструировали флуоресцентные белки, которые мигают при возникновении нервного импульса, чтобы они могли видеть поток трафика в нервных цепях. Они также могут отслеживать следы, оставленные нейронным трафиком: появление белков, образующихся при срабатывании нейрона, может помочь идентифицировать все клетки, взаимодействующие в нейронной сети при выполнении определенного поведения.

На симпозиуме исследователи поделились множеством интересных новых результатов, полученных с помощью этих новых методов, которые демонстрируют их развивающееся понимание мозжечка.

Джессика Верпё из Университета штата Аризона сообщили о данных, описывающих сложную и обширную сеть мозжечковых связей, которые активируются по всему мозгу у мышей, когда они общаются или учатся преодолевать лабиринт.

Рудольф поделился экспериментами, показывающими, что на материнское поведение, изученное на мышах-самках, ухаживающих за своими детенышами, влияют гормоны, действующие на мозжечок, особенно гормон окситоцин, который способствует установлению материнской связи. Когда этот механизм был нарушен экспериментально, мать больше не заботилась о своих детенышах.

И-Мэй Ян из Университета Миннесоты показали, что когда она нарушала работу определенных нейронов мозжечка, мыши теряли интерес к общению с незнакомыми мышами, помещенными в их клетку. Однако у них не было проблем с взаимодействием и запоминанием новых неодушевленных объектов. Это указывало на дефицит сложной памяти социального распознавания, аналогичный тому, что испытывают аутичные люди.

На самом деле у аутичных людей мозжечок часто меньше по размеру, и Александра Бадура из Медицинского центра Университета Эразма в Роттердаме представили новые данные, свидетельствующие о том, что мозжечок участвует в аутизме, поскольку он является центром сенсорной информации, особенно сигналов, связанных с социальным контекстом.

Это новое исследование выходит за рамки исследований на мышах. Андреас Тиме из Университетской больницы Эссена в Германии представили новый клинический тест, используемый для точной диагностики эмоциональных и когнитивных нарушений, вызванных повреждением мозжечка.

Эти новые революционные исследования показывают, что мозжечок не только контролирует движения, но и регулирует сложное социальное и эмоциональное поведение. Чтобы добиться такого глобального влияния, мозжечок должен стать центром обработки данных, имеющим связи по всему мозгу. Неудивительно, что у него так много нейронов. Чтобы самостоятельно осуществлять такое командование и контроль высшего порядка, у него должен быть, по сути, маленький мозг.