Новое исследование показывает, как мозг организует движения в сочетании с сенсорными сигналами тела

Прочитано: 36 раз(а)


Мотонейроны — это клетки, которые мозг использует, чтобы приказывать мышцам действовать. Ученые обычно думали о них как о простых соединениях, очень похожих на кабели, соединяющие компьютеры с их аксессуарами. Теперь, изучая мух, исследователи из Колумбийского института Цукермана обнаружили, что каждый из отдельных мотонейронов может управлять движением тела насекомого гораздо более сложными способами, чем считалось ранее.

Результаты были опубликованы в журнале Nature.

«Это один из первых случаев, когда ученые проанализировали в 3D, что делают отдельные мотонейроны , когда тело движется естественно», — сказал Стивен Хьюстон, доктор философии, научный сотрудник Института Цукермана Колумбии и автор исследования.

«Вы не можете понять, как мозг заставляет тело двигаться, не зная, что делает каждый мотонейрон, точно так же, как вы не можете понять, как кукловод заставляет марионетку двигаться, не понимая, что делают нити марионетки».

Мотонейроны — это последние звенья, посредством которых мозг контролирует движения тела: от щелчка пальца до моргания глаза. Несмотря на эту важнейшую обязанность, исследователи только сейчас начинают раскрывать роль, которую отдельные мотонейроны играют в движении. Измерение активности отдельных нейронов у движущихся животных оказалось экспериментально трудным.

Теперь достижения в лабораторных методах позволили исследователям манипулировать отдельными двигательными нейронами плодовых мух , поскольку насекомые свободно передвигаются.

В экспериментах, которые начались в исследовательском кампусе Джанелия Медицинского института Говарда Хьюза в Эшберне, штат Вирджиния, первым шагом исследователей была активация светочувствительных молекул в около 25 мотонейронах, которые контролируют движения головы мухи размером с кунжутное семя. . Это позволило ученым использовать красный свет для включения мотонейронов по одному. В то же время они записывали результирующие движения головы, используя методы искусственного интеллекта для отслеживания этих движений.

«Большинство нейронов действуют согласованно как популяция, поэтому мы не ожидали увидеть сильных или даже каких-либо движений головы, когда активировали только один мотонейрон за раз», — сказал доктор Хьюстон.

В лучшем случае ученые ожидали, что каждый отдельный мотонейрон запрограммирован на выполнение одного простого движения — например, поворота головы на 10 градусов влево. Вместо этого, посредством компьютерного анализа , позже проведенного в Институте Цукермана, исследователи обнаружили, что активация каждого мотонейрона может заставить голову вращаться различными способами, некоторые даже в противоположных направлениях друг от друга, в зависимости от исходного положения головы мухи.

«Меня очень волновало, как именно мы можем активировать отдельные нейроны, чтобы управлять этими движениями», — сказал Бенджамин Горко, доктор философии. студент кафедры молекулярной, клеточной биологии и биологии развития Калифорнийского университета в Санта-Барбаре и первый автор исследования.

Ученые сравнивают этот вид управления двигателем с цифровым термостатом, где установка желаемой температуры приводит к нагреванию или охлаждению комнаты в зависимости от текущей температуры в помещении. Во многом таким же образом, когда исследователи стимулировали каждый мотонейрон, голова мухи двигалась в позу, специфичную для этого мотонейрона, а голова насекомого поворачивалась в ту или иную сторону, чтобы достичь желаемого положения в зависимости от ее исходной позы.

Модель исследовательской группы, подобная термостату, предполагает, что когда мозг хочет двигать телом определенным образом, он не может просто каждый раз стимулировать один и тот же набор мотонейронов и ожидать одного и того же результата. Вместо этого мозг должен рассчитать, какие мотонейроны активировать, основываясь на сенсорных данных, которые он получает о текущем положении тела. Действительно, деактивация сенсорных нейронов, которые отслеживают положение головы мухи, изменила то, как насекомое двигалось, когда ученые стимулировали мотонейроны.

Определение того, что делает мозг плодовых мух на клеточном уровне, — это больше, чем просто академическое упражнение. «Лучшее понимание того, что делают мотонейроны, может помочь нам понять заболевания, поражающие двигательную систему, такие как боковой амиотрофический склероз , также известный как БАС или болезнь Лу Герига», — сказал доктор Хьюстон.

Далее исследователи хотят изучить, как другие виды нейронов у мух, например, нейроны зрительной системы, взаимодействуют с двигательными нейронами, контролируя движение.

мозг организует движения в сочетании с сенсорными сигналами тела



Новости партнеров