Del možganov, ki nadzoruje gibanje, usmerja tudi občutke | Revija Quanta

V zadnjih desetletjih je nevroznanost doživela nekaj osupljivega napredka, vendar kritični del možganov ostaja skrivnost. Mislim na male možgane, tako imenovane po latinščini za "majhne možgane", ki se nahajajo kot žemljica na zadnji strani možganov. To ni majhna pomanjkljivost: mali možgani vsebujejo tri četrtine vseh možganskih nevronov, ki so organizirani v skoraj kristalni razporeditvi, v nasprotju z zapleteno goščavo nevronov, ki jih najdemo drugje.

Enciklopedijski članki in učbeniki poudarjajo dejstvo, da je funkcija malih možganov nadzor gibanja telesa. Nobenega dvoma ni, da imajo mali možgani to funkcijo. Toda znanstveniki zdaj sumijo, da je ta dolgoletni pogled kratkoviden.

Ali vsaj tako sem izvedel novembra v Washingtonu, DC, med obiskovanjem Letno srečanje Društva za nevroznanost, največje srečanje nevroznanstvenikov na svetu. Tam je par nevroznanstvenikov organiziral a simpozij o novo odkritih funkcijah malih možganov, ki niso povezane z nadzorom motorike. Nove eksperimentalne tehnike kažejo, da mali možgani poleg nadzora gibanja uravnavajo kompleksno vedenje, socialne interakcije, agresijo, delovni spomin, učenje, čustva in drugo.

Razpoka v prevladujoči modrosti

Povezava med malimi možgani in gibanjem je znana že od 19. stoletja. Bolniki, ki so utrpeli travmo v predelu možganov, so imeli očitne težave z ravnotežjem in gibanjem, pri čemer ni bilo nobenega dvoma, da je bilo to ključnega pomena za koordinacijo gibanja. Skozi desetletja so nevroznanstveniki razvili podrobno razumevanje, kako edinstveno nevronsko vezje malih možganov nadzoruje motorično funkcijo. Razlaga o delovanju malih možganov se je zdela neprepustna.

Potem pa leta 1998 v žurnalu Brain, poročajo nevrologi obsežne čustvene in kognitivne motnje pri bolnikih s poškodbo malih možganov. Na primer, leta 1991 je 22-letna študentka padla med drsanjem; CT je razkril tumor v njenih malih možganih. Ko so jo kirurško odstranili, je bila popolnoma druga oseba. Bistra študentka je izgubila sposobnost spretnega pisanja, mentalnega računanja, poimenovanja običajnih predmetov ali kopiranja preprostega diagrama. Njeno razpoloženje se je umirilo. Skrivala se je pod odejo in se obnašala neprimerno, na hodnikih se je slačila in govorila po bebe. Oslabljene so bile tudi njene socialne interakcije, vključno s prepoznavanjem znanih obrazov.

Ta in podobni primeri so avtorje begali. Te kognitivne in čustvene funkcije na visoki ravni naj bi bile v možganski skorji in limbičnem sistemu. "Kakšna točno je ta vloga malih možganov in kako jo mali možgani opravljajo, je treba še ugotoviti," so zaključili.

Kljub tem namigom iz kliničnih študij, da je konvencionalna modrost na napačni poti, so vodilni avtoriteti še vedno vztrajali, da je funkcija malih možganov nadzor gibanja in nič drugega. "Nekako žalostno, ker je minilo 20 let [od poročanja o teh primerih]," je dejal Diasynou Fioravante, nevrofiziolog s kalifornijske univerze v Davisu, ki je soorganiziral konferenčni simpozij.

Drugi nevrologi so ves čas opažali nevropsihiatrične izpade pri svojih pacientih, je dejal nevroznanstvenik Stephanie Rudolph Albert Einstein College of Medicine, ki je soorganiziral simpozij s Fioravantejem. Vendar pa ni bilo trdnih anatomskih dokazov, kako bi lahko edinstveno nevronsko vezje malih možganov uravnavalo poročane psihološke in čustvene funkcije, zato so bila klinična poročila spregledana.

Zdaj pa boljše razumevanje vezja malih možganov dokazuje, da so te študije primerov pravilne in prevladujoča modrost napačna.

Natančno ožičenje

O vzorec ožičenja v malih možganih je natančno organiziran in strnjen, da koncentrira tri četrtine možganskih nevronov v 4-palčni reženj. Glavna vrsta nevrona v malih možganih, imenovana Purkinjejeva celica, je široko razvejana kot pahljačasta korala, vendar sploščena in skoraj dvodimenzionalna. Lopatice ventilatorja so dendriti nevrona, ki sprejemajo dohodne signale. Ti ploščati nevroni so razporejeni vzporedno, kot da bi bili milijoni pahljačastih koral naloženi druga na drugo v tesnem snopu. Na tisoče drobnih nevronov vodi aksone - možganske prenosne kable za električne impulze - pravokotno skozi kup dendritov, kot niti na statvah. Vsak akson je povezan z dendriti več deset tisoč Purkinjejevih celic.

Ta raven medsebojne povezanosti daje 50 milijardam nevronov malih možganov osupljivo zmožnost integracije. To vezje, edinstveno za male možgane, lahko zdrobi ogromne količine vhodnih podatkov iz čutil za uravnavanje gibanja telesa. Tekoče gibanje balerine, ki skače po odru, zahteva, da mali možgani hitro obdelujejo informacije iz vseh čutov, medtem ko sledijo spreminjajočim se položajem okončin, ohranjajo ravnotežje in preslikavajo prostor, skozi katerega se premika telo. Mali možgani uporabljajo to dinamično informacijo za nadzor mišic z natančnim časom, in to v pravem družbenem kontekstu, ki ga vodijo čustva in motivacija.

Fioravante in Rudolph sta mi povedala, da nevroznanstveniki zdaj spoznavajo, da zmogljivo nevronsko vezje v malih možganih, ki združuje informacije za gibanje telesa, omogoča tudi obvladovanje kompleksnih mentalnih procesov in vedenja.

»Na primer, prav zdaj,« je pojasnil Rudolph, ko sva se pogovarjala pred začetkom simpozija, »vi postavljate vprašanja, mi pa dajemo odgovore. To je zapleteno vedenje." Morala je razumeti moj govor, oblikovati odgovor in nato uporabiti mišice za ustvarjanje besed. Sprejeti je morala tudi mojo govorico telesa in druge subtilne signale. "Trenutno na primer prikimavate, zato lahko iz tega sklepam, da poslušate in vas zanima," je rekla.

Prej nisem v celoti cenil kompleksnosti motoričnega nadzora, potrebnega za govor. Fizičnost ne vključuje le zapletene gimnastike jezika in ustnic – za ustvarjanje zvoka ter prilagajanje višine in glasnosti –, ampak tudi gestikulacijo. Naše besede so časovno usklajene, tako da ne govorimo čez drugo osebo, in so urejene glede na družbeni kontekst: prežete s pravimi čustvi in ​​jih vodijo motivacija, misel, pričakovanje in razpoloženje.

Usklajevanje teh raznolikih funkcij zahteva izkoriščanje skoraj vsega, kar počnejo možgani – od uravnavanja srčnega utripa in krvnega tlaka, ki se izvaja v globokih predelih možganov, do obdelave senzoričnih in čustvenih informacij, ki jo izvaja limbični sistem. Prav tako zahteva sodelovanje s kognitivnimi funkcijami najvišje ravni razumevanja, zaviranja in odločanja v prefrontalni možganski skorji.

Da bi mali možgani to storili, bi morali imeti povezave, ki segajo skozi celotne možgane. Do zdaj ni bilo dokazov za to, vendar nove tehnike odkrivajo te poti.

Središče senzoričnih vnosov

Še pred desetletji, ko so nevroanatomi preslikali možgane, niso mogli najti nobenih neposrednih povezav med malimi možgani in možganskimi regijami, ki nadzorujejo čustva in kognicijo, kot sta limbični sistem in prefrontalni korteks. To jih je privedlo do prepričanja, da so mali možgani nekoliko izolirani in nevpleteni v te višje kognitivne funkcije. Toda tako kot se razbojniki lahko izognejo sledilcu z menjavo vozil, lahko nevronski signali preskakujejo z enega nevrona na drugega. Ta tajna akcija je nevroanatome vrgla malim možganom iz sledi.

Nove metode so nevroanatomom omogočile, da izsledijo te poti od malih možganov preko relejnih točk in jim sledijo skozi celotne možgane. Raziskovalci lahko na primer posadijo viruse stekline v nevrone, da natančno vidijo, s katerimi drugimi nevroni pridejo v stik. Z genskim inženiringom so izdelali fluorescenčne proteine, ki utripajo, ko se sproži nevronski impulz, tako da lahko vidijo tok prometa v nevronskih vezjih. Prav tako lahko sledijo odtisom, ki jih za seboj pušča nevronski promet: videz beljakovin, ki nastanejo, ko se nevron sproži, lahko pomaga identificirati vse celice, ki komunicirajo v nevronski mreži, ko se izvede določeno vedenje.

Na simpoziju so raziskovalci delili množico fascinantnih novih ugotovitev, ki so jih razkrile te nove metode, ki prikazujejo njihovo razvijajoče se razumevanje malih možganov.

Jessica Verpeut z univerze Arizona State je poročal o podatkih, ki opisujejo zapleteno in razvejano mrežo cerebelarnih povezav, ki se aktivirajo v možganih pri miših, ko se družijo ali se učijo pogajati po labirintu.

Rudolph je delil poskuse, ki kažejo, da so na materinsko vedenje, ki so ga proučevali pri mišjih samicah, ki skrbijo za svoje mladiče, vplivali hormoni, ki delujejo na male možgane, zlasti hormon oksitocin, ki spodbuja materinsko povezanost. Ko je bil ta mehanizem poskusno moten, mati ni več skrbela za svoje mladiče.

Yi-Mei Yang z Univerze v Minnesoti je pokazala, da so miši, ko je prekinila nekatere cerebelarne nevrone, izgubile zanimanje za sodelovanje z neznanimi mišmi, ki so jih uvedli v njihovo kletko. Vendar pa niso imeli težav z interakcijo in spominjanjem novih neživih predmetov. To je pokazalo primanjkljaj v zapletenem spominu socialnega prepoznavanja, podobno tistemu, kar doživljajo avtisti.

Pravzaprav so mali možgani pri avtistih pogosto manjši in Aleksandra Badura iz Univerzitetnega medicinskega centra Erasmus v Rotterdamu je predstavil nove podatke, ki kažejo, da so mali možgani vpleteni v avtizem, ker so središče senzoričnih vnosov, zlasti za signale, povezane z družbenimi konteksti.

Ta nova raziskava presega študije na miših. Andreas Thieme iz Univerzitetne bolnišnice Essen v Nemčiji je predstavil nov klinični test, ki se uporablja za natančno diagnosticiranje čustvenih in kognitivnih motenj, ki jih povzroča poškodba malih možganov.

Te nove, prelomne študije kažejo, da mali možgani poleg nadzora gibanja uravnavajo kompleksno socialno in čustveno vedenje. Da bi dosegli ta globalni vpliv, morajo biti mali možgani središče za drobljenje podatkov s povezavami po vseh možganih. Ni čudno, da ima toliko nevronov. Da bi sam dosegel ta ukaz in nadzor visokega reda, mora biti v resnici majhen možgan.