Частина мозку, яка контролює рухи, також керує почуттями | Журнал Quanta

За останні десятиліття нейронаука досягла приголомшливих успіхів, і все ж критична частина мозку залишається загадкою. Я маю на увазі мозочок, названий так на честь латині «маленький мозок», який розташований як булочка в задній частині мозку. Це не маленька помилка: мозочок містить три чверті всіх нейронів мозку, які організовані майже кристалічно, на відміну від заплутаної гущі нейронів, які зустрічаються в інших місцях.

Енциклопедічні статті і в підручниках підкреслюється той факт, що функція мозочка полягає в контролі рухів тіла. Немає сумніву, що мозочок виконує цю функцію. Але тепер вчені підозрюють, що ця давня точка зору є короткозорою.

Принаймні так я дізнався в листопаді у Вашингтоні, округ Колумбія, під час відвідування Щорічне засідання Товариства неврології, найбільша зустріч неврологів у світі. Там пара неврологів організувала а симпозіум про нещодавно відкриті функції мозочка, не пов’язані з руховим контролем. Нові експериментальні методи показують, що окрім контролю за рухами, мозочок регулює складну поведінку, соціальні взаємодії, агресію, оперативну пам’ять, навчання, емоції тощо.

Тріщина в панівній мудрості

Зв'язок між мозочком і рухом відомий з 19 століття. Пацієнти, які отримали травму області головного мозку, мали очевидні труднощі з рівновагою та рухом, не залишаючи сумніву, що це було критично важливо для координації рухів. За десятиліття нейробіологи розробили детальне розуміння того, як унікальна нейронна схема мозочка контролює рухові функції. Пояснення того, як працює мозочок, здавалося водонепроникним.

Потім, у 1998 р., у журн BrainПро це повідомили неврологи широкий спектр емоційних і когнітивних розладів у хворих з ураженням мозочка. Наприклад, у 1991 році 22-річна студентка коледжу впала під час катання на ковзанах; КТ виявила пухлину в її мозочку. Після її видалення хірургічним шляхом вона стала зовсім іншою людиною. Талановита студентка втратила здатність грамотно писати, робити розумову арифметику, називати звичайні предмети або копіювати просту схему. Її настрій зіпсувався. Вона ховалася під ковдрою і поводилася неадекватно, роздягаючись у коридорах і розмовляючи дитячою балакучкою. Її соціальні взаємодії, включаючи впізнавання знайомих облич, також були порушені.

Цей та подібні випадки спантеличили авторів. Вважалося, що ці когнітивні та емоційні функції високого рівня знаходяться в корі головного мозку та лімбічній системі. «Яка саме ця роль мозочка і як мозочок її виконує, ще належить встановити», — підсумували вони.

Незважаючи на ці підказки з клінічних досліджень про те, що загальноприйнята думка була на хибному шляху, провідні авторитети все ще наполягали на тому, що функція мозочка полягала в контролі рухів і нічого більше. «Це якось сумно, тому що минуло 20 років [з моменту повідомлень про ці випадки]», — сказав Діасіну Фіораванте, нейрофізіолог Каліфорнійського університету в Девісі, який був співорганізатором симпозіуму конференції.

Інші неврологи весь час помічали нейропсихіатричні дефіцити у своїх пацієнтів, сказав нейробіолог Стефані Рудольф медичного коледжу Альберта Ейнштейна, який організував симпозіум разом з Фіораванте. Однак не було жодних вагомих анатомічних доказів того, як унікальна нейронна схема мозочка могла б регулювати психологічні та емоційні функції, про які повідомлялося, тому клінічні звіти були пропущені.

Тепер краще розуміння ланцюгів мозочка доводить, що ці тематичні дослідження правильні, а домінуюча мудрість хибна.

Точна проводка

Команда схема проводки в мозочку точно організований і ущільнений, щоб зосередити три чверті нейронів мозку в 4-дюймовій частці. Основний тип нейрона в мозочку, який називається клітиною Пуркіньє, широко розгалужується, як віяловий корал, але сплощений і майже двовимірний. Лопаті вентилятора - це дендрити нейрона, які приймають вхідні сигнали. Ці плоскі нейрони розташовані паралельно, ніби мільйони віялових коралів складені один на одного щільним пучком. Тисячі крихітних нейронів запускають аксони — кабелі для передачі електричних імпульсів у мозок — перпендикулярно крізь купу дендритів, як нитки на ткацькому верстаті. Кожен аксон з'єднується з дендритами десятків тисяч клітин Пуркіньє.

Цей рівень взаємозв’язку дає 50 мільярдам нейронів мозочка дивовижну здатність до інтеграції. Ця схема, унікальна для мозочка, може обробляти величезну кількість даних, що надходять від органів чуття, щоб регулювати рух тіла. Плавний рух балерини, яка стрибає по сцені, вимагає від мозочка швидкої обробки інформації від усіх органів чуття, одночасно відстежуючи зміну положення кінцівок, зберігаючи рівновагу та відображаючи простір, у якому рухається тіло. Мозочок використовує цю динамічну інформацію, щоб контролювати м’язи в точний час і робити це в правильному соціальному контексті, керуючись емоціями та мотивацією.

Фіоравант і Рудольф сказали мені, що нейробіологи зараз усвідомлюють, що потужна нейронна схема в мозочку, яка об’єднує інформацію для руху тіла, також дає йому змогу керувати складними розумовими процесами та поведінкою.

«Наприклад, зараз, — пояснив Рудольф, коли ми розмовляли перед початком симпозіуму, — ви ставите запитання, а ми даємо відповіді. Це складна поведінка». Їй потрібно було зрозуміти мою мову, сформулювати відповідь, а потім за допомогою м’язів вимовляти слова. Їй також довелося сприймати мою мову тіла та інші тонкі сигнали. «Ви, наприклад, зараз киваєте, тому я можу зробити висновок, що ви слухаєте й зацікавлені», — сказала вона.

Раніше я не цілком усвідомлював складність моторного контролю, необхідного для мовлення. Фізичність включає не лише складну гімнастику язика та губ — щоб видавати звук, а також регулювати висоту та гучність — а й жестикуляцію. Наші слова розраховані на час, щоб ми не говорили через іншу людину, і вони регулюються соціальним контекстом: наповнені відповідними емоціями та керовані мотивацією, думками, очікуванням і настроєм.

Координація цих різноманітних функцій вимагає залучення майже до всього, що робить мозок — від регулювання частоти серцевих скорочень і артеріального тиску, що виконується в глибоких областях мозку, до обробки сенсорної та емоційної інформації, що виконується лімбічної системою. Це також вимагає взаємодії з когнітивними функціями найвищого рівня розуміння, гальмування та прийняття рішень у префронтальній корі головного мозку.

Для цього мозочок повинен мати зв’язки, які охоплюють весь мозок. До сих пір доказів цього не було, але нові методи розкривають ці шляхи.

Центр сенсорного введення

Буквально десятиліття тому, коли нейроанатоми створювали карту мозку, вони не могли знайти жодних прямих зв’язків між мозочком і областями мозку, які контролюють емоції та пізнання, такими як лімбічна система та префронтальна кора. Це змусило їх повірити, що мозочок дещо ізольований і не бере участі в цих вищих когнітивних функціях. Але подібно до того, як бандити можуть уникати трекера, змінюючи транспортні засоби, нейронні сигнали можуть перескакувати від одного нейрона до іншого. Ця секретна акція збила нейроанатомів зі сліду мозочка.

Нові методи дозволили нейроанатомам простежити ці шляхи від мозочка через релейні точки, слідуючи ними по всьому мозку. Дослідники можуть, наприклад, підсаджувати віруси сказу в нейрони, щоб точно побачити, з якими іншими нейронами вони контактують. Вони генетично сконструювали флуоресцентні білки, які спалахують, коли спрацьовує нейронний імпульс, щоб вони могли бачити потік трафіку в нейронних ланцюгах. Вони також можуть відстежувати сліди, залишені нейронним трафіком: поява білків, які утворюються під час спрацьовування нейрона, може допомогти ідентифікувати всі клітини, які спілкуються в нейронній мережі, коли виконується певна поведінка.

На симпозіумі дослідники поділилися цілим рядом захоплюючих нових знахідок, отриманих за допомогою цих нових методів, які демонструють їхнє розуміння розвитку мозочка.

Джессіка Верпе з Університету штату Арізона повідомили дані, що описують складну та розгалужену мережу мозочкових зв’язків, які активуються в усьому мозку мишей, коли вони спілкуються або вчаться долати лабіринт.

Рудольф поділився експериментами, які показують, що на материнську поведінку, вивчену на самках мишей, які піклуються про своїх дитинчат, впливають гормони, що діють на мозочок, особливо гормон окситоцин, який сприяє зв’язкам з матір’ю. Коли цей механізм був експериментально порушений, мати перестала піклуватися про своїх дитинчат.

І-Мей Ян з Університету Міннесоти показали, що коли вона порушувала певні нейрони мозочка, миші втрачали інтерес до спілкування з незнайомими мишами, яких вводили в їх клітку. Однак у них не було труднощів взаємодіяти з новими неживими об’єктами та запам’ятовувати їх. Це вказувало на дефіцит складної пам'яті соціального розпізнавання, подібний до того, що відчувають аутисти.

Насправді, мозочок часто менший у людей з аутизмом, і Олександра Бадура з медичного центру Університету Еразма в Роттердамі представили нові дані, які свідчать про те, що мозочок залучений до аутизму, оскільки він є центром сенсорного введення, особливо для сигналів, пов’язаних із соціальним контекстом.

Це нове дослідження виходить за рамки досліджень на мишах. Андреас Тіме з Університетської лікарні Ессена в Німеччині представили новий клінічний тест, який використовується для точної діагностики емоційних і когнітивних порушень, викликаних пошкодженням мозочка.

Ці нові, революційні дослідження показують, що окрім контролю над рухами, мозочок регулює складну соціальну та емоційну поведінку. Щоб досягти такого глобального впливу, мозочок має бути центром обробки даних із зв’язками по всьому мозку. Не дивно, що в ньому так багато нейронів. Щоб виконати це командування високого порядку та контролювати самостійно, він повинен бути, по суті, маленьким мозком.