Ученые из Копенгагенского университета (Københavns Universitet) идентифицировали новую группу нейронов, которая играет ключевую роль в контроле движений тела влево-вправо при ходьбе. Это исследование заполняет критический пробел в понимании взаимодействия ствола мозга и базальных ганглиев. Открытие дает представление о сложной навигационной системе мозга, ранее интерпретируемой как «руль мозга».
Полученные результаты помогут разработать разнообразные стратегии лечения болезни Паркинсона. Проводя изучения мышей, команда из Копенгагена предвидит аналогичные механизмы у людей, что потенциально расширяет возможности медицины в лечении двигательных расстройств.
Ключевые факты:
- Исследование выявило новую группу нейронов в стволе мозга, которая получает сигналы от базальных ганглиев для управления направлением движения, что позволяет глубже понять, как координируются произвольные движения, такие как, например, ходьба.
- Исследователи использовали оптогенетику для модификации и стимуляции этих нейронов у мышей, успешно корректируя нарушения движений влево или вправо, что демонстрирует громадные потенциал метода в лечении двигательных симптомов при таких заболеваниях, как болезнь Паркинсона.
- Критическая роль базальных ганглиев (базальные ядра) в произвольных движениях была уже давно известна, но то, как они влияют на решения о движении туловища влево-вправо, было неясно до тех пор, пока не были проведены эти исследования, подчеркивающие важность этой области мозга в координации произвольных движений.
Вы когда-нибудь задумывались о процессах, которые происходят в мозгу при движениях телом вправо или влево? Большинство людей этого не делают; они просто поворачиваются, совершенно не задумываясь об этом. Но это простое движение на самом деле контролируется чередой сложных процессов.
В представленном новом исследовании ученые обнаружили недостающую часть сложной нервной сети, необходимой для поворотов налево и направо. Открытие было сделано исследовательской группой, состоящей из доцента Джареда Крегга, профессора Оле Кина и их коллег с кафедры неврологии Копенгагенского университета.
В 2020 году Оле Кин, Джаред Крегг и их коллеги определили, так называемый, «руль мозга» — сеть нейронов в нижней части ствола мозга, которая управляет движениями вправо и влево при ходьбе. Однако в то время им было неясно, как эта связь «вправо-влево» (право-левая цепь) контролируется другими частями мозга, такими как базальные ганглии.
«Сейчас мы обнаружили новую группу нейронов в стволе мозга, которая получает информацию непосредственно от базальных ганглиев и контролирует право-левую цепь», — объясняет Оле Кин.
В ближайшем будущем это открытие может помочь людям, страдающим болезнью Паркинсона. Исследование было опубликовано в авторитетном научном журнале Nature Neuroscience.
Базальные ганглии расположены глубоко в коре, на уровне основания полушарий конечного мозга . Уже много лет известно, что они играют ключевую роль в контроле над произвольными движениями. Много лет назад ученые выдвинули иделю, что стимулируя базальные ганглии, можно влиять на движения правой и левой лап подопытных мышей. Но до сегодняшнего дня они не знали как это выполнить практически.
«При ходьбе вы укорачиваете длину шага правой ноги перед поворотом направо и левой ноги перед поворотом налево. Недавно обнаруженная сеть нейронов расположена в части ствола мозга, известной как PnO. Именно эти нейроны получают сигналы от базальных ганглиев и регулируют длину шага, когда совершается поворот корпусом, и таким образом определяют, движемся мы вправо или влево», — объясняет Джаред Крегг.
В новом исследовании ученые изучали мозг мышей, поскольку их ствол головного мозга похож на ствол мозга человека. Таким образом, исследователи рассчитывают определить аналогичную право-левую цепь в человеческом мозге.
Пациенты страдающие болезнью Паркинсона испытывают затруднения, пытаясь «вспомнить», как повернуться направо или налево.
Болезнь Паркинсона вызвана недостатком дофамина в мозге. Это влияет на базальные ганглии, и исследователи из Копенгагенского университета, полагают, что это приводит к неспособности пациентов активировать право-левую цепь ствола мозга. Люди страдающие болезнью Паркинсона на поздней стадии заболевания: часто испытвают затруднения при поворотах.
В новом исследовании ученые изучили «право-левую цепь» на мышах с симптомами, напоминающими симптомы людей с болезнью Паркинсона. Они создали модель Паркинсона, удаляя дофамин из мозга мышей и тем самым вызывая у них двигательные симптомы, аналогичные тем, которые испытывают люди, страдающие болезнью Паркинсона.
«У этих мышей были трудности с поворотом, но, стимулируя нейроны PnO, мы смогли облегчить трудности с поворотом», — комментирует результаты своей работы Джаред Крегг.
Используя глубокую стимуляцию мозга, ученые в конечном итоге смогут разработать аналогичную стимуляцию для людей. Однако в настоящее время, они не могут стимулировать клетки человеческого мозга с той же точностью, как на мышах, где используются передовые оптогенетические методы.
«Нейроны в стволе мозга находятся в беспорядке, и электрическая стимуляция, используемая при глубокой стимуляции мозга человека, не может отличить клетки друг от друга. Однако наши знания о мозге постоянно растут, и в конечном итоге мы сможем начать рассматривать узконаправленную глубокую стимуляцию мозга людей», — заключает Оле Кин.
Ход исследования: доцент Джаред Крегг и профессор Оле Кина с коллегами кафедры неврологии использовали оптогенетику для стимуляции сети нейронов в Rno (Pontine reticular nucleus, мостовое ретикулярное ядро ротовой области). Оптогенетика — это метод генетической модификации определенных клеток мозга, чтобы сделать их светочувствительными и, следовательно, восприимчивыми к световой стимуляции. При активации группы нейронов светом, мыши, которые раньше были способны поворачивать только налево, теперь могли идти как по прямой, так и поворачивать направо.
Путь «базальные ганглии — спинной мозг» управляет асимметрией локомоторной походки мышей. Базальные ганглии необходимы для выполнения движения. Как именно базальные ганглии взаимодействуют с двигательными сетями позвоночника, остается неясным. Однако медуллярные Chx10-гигантоклеточные нейроны (Gi) необходимы для программы поворота туловища, что позволяет предположить, что поворотные движения, организованные базальными ганглиями, выполняются через этот нисходящий путь.
Выполняя глубокую регистрацию активности Chx10 Gi Ca2+ в стволе мозга у взрослых особей мышей, мы показываем, что нейроны стриарной проекции инициируют поворотную походку через доминантный перекрестный путь к нейронам Chx10 Gi на контралатеральной стороне. Используя перекрестное вирусное отслеживание и модуляцию, специфичную для типа клеток, мы раскрываем основной путь «базальные ганглии — спинной мозг» для локомоторной асимметрии у мышей: базальные ганглии → мостовое ретикулярное ядро, оральная часть (PnO) → Chx10 Gi → спинной мозг.
Модуляция ограниченного пути PnO → Chx10 Gi восстанавливает поворачивающую способность при повреждении триарного тела, что указывает на то, что дисфункция этого пути может способствовать затяжному дефициту поворота, наблюдаемому при болезни Паркинсона.
«Наши результаты показывают стратифицированную архитектуру схемы, лежащую в основе критической двигательной программы», — заключает Оле Кин.
Провести гиперсканирование коры головного мозга с использованием неинвазивного метода fNIRS и оценить возможности систем Artinis можно в Казани на базе Центра Когнитивных Исследований «Спектральные системы».
