Тысячи наших повседневных дел, от приготовления кофе до прогулки и приветствия в адрес соседа, возможны благодаря древним структурам мозга, спрятанным недалеко от центра черепа.
Кластер нейронов, известный как базальные ганглии, является центральным узлом, регулирующим широкий спектр рутинных моторных и поведенческих функций. Но когда передача сигналов в базальных ганглиях ослаблена или нарушена, могут возникнуть повторяющиеся движения и психические расстройства, включая болезнь Паркинсона, синдром Туретта, синдром дефицита внимания с гиперактивностью (СДВГ) и обсессивно-компульсивное расстройство.
Несмотря на его центральную важность в управлении поведением, конкретные, подробные пути, по которым информация течет из базальных ганглиев в другие области мозга, остаются плохо изученными. Теперь исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего, Института Цукермана Колумбийского университета и их коллеги создали точную карту связей самого большого выходного ядра базальных ганглиев, области, известной как сетчатая часть черной субстанции, или SNr, с остальнымии клетками мозга. Ученые предлагают план архитектуры этой области, на котором выявились новые детали и раскрылось удивительное влияние, связанное с базальными ганглиями.
Результаты, подготовленные помощником научного сотрудника проекта Лорен МакЭлвейн и проведенные в лаборатории нейрофизики профессора Дэвида Кляйнфельда в Калифорнийском университете в Сан-Диего и в лаборатории главного исследователя Института Цукермана Руи Коста, опубликованы 5 апреля в журнале Neuron.
Исследование устанавливает новое понимание положения базальных ганглиев в иерархии двигательной системы. По словам исследователей, недавно идентифицированные пути, появившиеся на карте связей, потенциально могут открыть дополнительные возможности для вмешательства в болезнь Паркинсона и другие расстройства, связанные с базальными ганглиями.
«Имея в руках подробную схему цепей, мы можем теперь планировать исследования, чтобы определить конкретную информацию, передаваемую каждым путем, как эта информация влияет на нейроны, иерархически стоящие ниже, для контроля движений, и как дисфункция в каждом выходном пути приводит к разнообразным симптомам заболеваний базальных ганглиев», говорит МакЭлвэйн.
При поддержке инициативы Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies® (BRAIN), исследователи разработали новый метод работы на мышах с применением современного набора нейробиологических инструментов, сочетающий в себе методы генетики, отслеживания вирусов, автоматизированной микроскопической визуализации анатомии всего мозга и обработку изображения. Результаты показали новые удивительные аспекты широты связей.
«Эти результаты являются примером того, как исследователи, поддерживаемые BRAIN Initiative, используют новейшие инструменты картирования мозга для фундаментального изменения нашего понимания в организации связей в цепях мозга», - сказал Джон Дж. Нгаи, директор Инициативы BRAIN.
Предыдущая работа подчеркивала, что в архитектуре базальных ганглиев преобладает замкнутая петля с выходными проекциями, соединяющимися обратно с входными структурами. Новое исследование показывает, что SNr транслируется даже на более низкие уровни двигательной и поведенческой системы. Они включают в себя большой набор областей ствола мозга и прямые связи со спинным мозгом и двигательными ядрами, которые контролируют мышцы через небольшое количество промежуточных связей.
«Новые открытия, проведенные доктором МакЭлвейн, представляют собой важные данные в области контроля моторики», - сказал Кляйнфельд, профессор Отделения биологических наук (Отдел нейробиологии) и Отделения физических наук (Отделение физики). «Мозг управляет движением не через иерархию команд, как «нейронные сети» беспилотных автомобилей, а через схему промежуточного управления, при которой моторные команды направляются через исполнительных планировщиков».
Примечательно, что, по словам исследователей, нейроны SNr, которые проецируются на низкие уровни двигательной системы, имеют разветвленные аксоны, которые одновременно проецируются обратно в области мозга, ответственные за контроль и обучение более высокого порядка. Таким образом, недавно описанная связь нейронов SNr фундаментально связывает операции на высоких и низких уровнях мозга.
«Тот факт, что выходные нейроны определенных базальных ганглиев проецируются на определенные нижерасположенные ядра мозга, но также передают эту информацию в высшие двигательные центры, имеет значение для того, как мозг выбирает, какие движения выполнять в конкретном контексте, а также на то, как он узнает, какие действия выполнять» - сказал Коста, профессор нейробиологии и неврологии Колумбийского колледжа врачей и хирургов Вагелос, а также директор и главный исполнительный директор Института Цукермана.