Пара исследований раскрывает удивительные новые роли спинного и ствола головного мозга в контакте

Прочитано: 40 раз(а)


Осязание необходимо практически для всего, что мы делаем, от рутинных домашних дел до навигации по незнакомой местности, которая может таить в себе опасности. Ученые давно заинтересованы в том, чтобы понять, как именно информация о прикосновении, которую мы получаем руками и другими частями тела, попадает в мозг, создавая ощущения, которые мы чувствуем.

Тем не менее, ключевые аспекты осязания , в том числе то, как спинной мозг и ствол головного мозга участвуют в получении, обработке и передаче сигналов, остаются плохо изученными.

Теперь пара статей ученых из Гарвардской медицинской школы раскрывает важные новые идеи о том, как спинной мозг и ствол головного мозга влияют на осязание .

В частности, исследование показывает, что спинной мозг и ствол мозга, которые ранее считались простыми центрами передачи сенсорной информации, активно участвуют в обработке сенсорных сигналов, когда они перемещаются в области мозга более высокого порядка.

Одно исследование, опубликованное 4 ноября в журнале Cell , показывает, что специализированные нейроны в спинном мозге образуют сложную сеть, которая обрабатывает легкое прикосновение — прикосновение руки или поцелуй в щеку — и отправляет эту информацию в ствол мозга.

В другом исследовании, опубликованном 23 ноября в журнале Nature , исследователи установили, что пути прямого и косвенного прикосновения работают вместе, сходясь в стволе мозга, чтобы определить, как обрабатывается прикосновение.

«Эти исследования сосредоточены на спинном мозге и стволе головного мозга как на участках, где сенсорная информация интегрируется и обрабатывается для передачи различных типов прикосновений. Раньше мы не понимали в полной мере, как эти области способствуют представлению мозгом вибрации, давления и другие особенности тактильных раздражителей», — сказал Дэвид Гинти, профессор нейробиологии Эдварда Р. и Энн Г. Лефлер в Институте Блаватника в HMS и старший автор обеих статей.

Хотя исследования проводились на мышах, механизмы осязания в значительной степени сохраняются у разных видов, включая людей, а это означает, что основы обработки осязания могут быть полезны ученым, изучающим человеческие состояния, такие как невропатическая боль, характеризующаяся сенсорной дисфункцией.

«Это подробное понимание тактильных ощущений, то есть ощущение мира через контакт с кожей, может иметь серьезные последствия для понимания того, как болезни, расстройства и травмы могут влиять на нашу способность взаимодействовать с окружающей средой», — сказал Джеймс Гнадт. программный директор Национального института неврологических расстройств и инсульта (NINDS).

Забытый и недооцененный

Исторический взгляд на прикосновение заключается в том, что сенсорные нейроны в коже сталкиваются с сенсорным стимулом, таким как давление или вибрация, и отправляют эту информацию в виде электрических импульсов, которые проходят непосредственно от кожи к стволу мозга. Там другие нейроны передают информацию о прикосновении в первичную соматосенсорную кору головного мозга — высший уровень сенсорной иерархии, — где она обрабатывается в ощущения.

Однако Гинти и его команда задались вопросом, участвуют ли спинной мозг и ствол головного мозга в обработке сенсорной информации, и если да, то каким образом. Эти области занимают самый нижний уровень иерархии осязания и объединяются, чтобы сформировать более непрямой путь осязания в мозг.

«Люди в этой области думали, что разнообразие и богатство осязания исходят только от сенсорных нейронов в коже, но это мышление обходит спинной мозг и ствол головного мозга», — сказал Йозеф Туречек, научный сотрудник лаборатории Ginty и первый автор исследования. Бумага природа .

Многие нейробиологи не знакомы с нейронами спинного мозга, называемыми нейронами постсинаптического дорсального столба (PSDC), которые проецируются из спинного мозга в ствол мозга, а учебники, как правило, не включают нейроны PSDC в диаграммы, изображающие детали осязания, объяснил Туречек.

Для Гинти тот факт, что спинной мозг и ствол мозга упускались из виду при соприкосновении, напоминает ранние исследования зрительной системы. Первоначально ученые, изучающие зрение, думали, что вся обработка происходит в зрительной коре головного мозга. Однако оказалось, что сетчатка, которая получает зрительную информацию задолго до того, как она достигает коры, активно участвует в обработке этой информации.

«По аналогии с исследованиями зрительной системы, эти две статьи посвящены тому, как сенсорная информация, поступающая от кожи, обрабатывается в спинном мозге и стволе головного мозга, прежде чем она перемещается вверх по сенсорной иерархии в более сложные области мозга», — сказал Гинти.

Соединение точек

В статье Cell исследователи использовали технику, которую они разработали, чтобы одновременно регистрировать активность множества различных нейронов в спинном мозге, когда мыши испытывали различные типы прикосновений. Они обнаружили, что более 90 процентов нейронов задних рогов — сенсорной области спинного мозга — реагируют на легкое прикосновение.

«Это было удивительно, потому что раньше считалось, что нейроны задних рогов в поверхностных слоях спинного мозга в основном реагируют на температурные и болевые раздражители. , научный сотрудник лаборатории Ginty и соавтор статьи вместе с аспиранткой Дженель Рэнкин.

Более того, эти реакции на легкое прикосновение значительно различались у генетически различных популяций нейронов в задних рогах, которые, как было обнаружено, образуют сильно взаимосвязанную и сложную нейронную сеть. Эта изменчивость ответов, в свою очередь, привела к разнообразию сенсорной информации, переносимой от задних рогов к стволу мозга нейронами PSDC. Фактически, когда исследователи заставили замолчать различные нейроны задних рогов, они увидели уменьшение разнообразия информации о легком прикосновении, передаваемой нейронами PSDC.

«Мы считаем, что эта информация о том, как прикосновение кодируется в спинном мозге, который является первым участком в сенсорной иерархии, важна для понимания фундаментальных аспектов обработки прикосновений», — сказал Кирила.

В другом своем исследовании, опубликованном в журнале Nature , ученые сосредоточились на следующей ступени сенсорной иерархии: стволе мозга. Они исследовали взаимосвязь между прямым путем от сенсорных нейронов кожи к стволу мозга и непрямым путем, передающим сенсорную информацию через спинной мозг, как описано в статье Cell .

«Нейроны ствола мозга получают как прямую, так и косвенную информацию, и нам было очень любопытно, какие аспекты осязания каждый путь привносит в ствол мозга», — сказал Туречек.

Чтобы ответить на этот вопрос, исследователи поочередно отключали каждый путь и записывали реакцию нейронов в стволе мозга мыши. Эксперименты показали, что прямой путь важен для передачи высокочастотной вибрации, тогда как непрямой путь необходим для кодирования интенсивности давления на кожу.

«Идея состоит в том, что эти два пути сходятся в стволе мозга с нейронами, которые могут кодировать как вибрацию, так и интенсивность, поэтому вы можете формировать ответы этих нейронов в зависимости от того, сколько у вас прямых и косвенных входных сигналов», — объяснил Туречек. Другими словами, если нейроны ствола головного мозга имеют больше прямого, чем косвенного входа, они передают больше вибрации, чем интенсивности, и наоборот.

Кроме того, команда обнаружила, что оба пути могут передавать информацию о прикосновении с одного и того же небольшого участка кожи, при этом информация об интенсивности проходит через спинной мозг, прежде чем присоединиться к информации о вибрации, которая передается непосредственно в ствол мозга. Таким образом, прямые и непрямые пути работают вместе, позволяя стволу мозга формировать пространственное представление различных типов тактильных стимулов из одной и той же области.

Наконец-то на карте

До сих пор «большинство людей рассматривали ствол мозга как ретрансляционную станцию ​​для осязания, а спинной мозг у них вообще не отображался на карте», — сказал Гинти. Для него новые исследования «демонстрируют, что в спинном мозге и стволе головного мозга происходит обработка огромного количества информации, и эта обработка имеет решающее значение для того, как мозг представляет тактильный мир».

Он добавил, что такая обработка, вероятно, способствует сложности и разнообразию сенсорной информации, которую ствол мозга посылает в соматосенсорную кору.

Затем Гинти и его команда планируют повторить эксперименты на мышах, которые бодрствуют и ведут себя нормально, чтобы проверить результаты в более естественных условиях. Они также хотят расширить эксперименты, включив в них больше типов реальных сенсорных стимулов, таких как текстура и движение.

Исследователей также интересует, как информация из головного мозга — например, об уровне стресса, голода или истощения животного — влияет на то, как сенсорная информация обрабатывается в спинном и стволовом мозге . Учитывая, что механизмы осязания, по-видимому, законсервированы у разных видов, такая информация может быть особенно актуальна для таких состояний человека, как расстройства аутистического спектра или невропатическая боль, при которых нервная дисфункция вызывает гиперчувствительность к легким прикосновениям.

«С помощью этих исследований мы заложили фундаментальные строительные блоки того, как работают эти цепи и какова их важность», — сказал Рэнкин. «Теперь у нас есть инструменты для анализа этих цепей, чтобы понять, как они работают нормально и что меняется, когда что-то идет не так».

 

Пара исследований раскрывает удивительные новые роли спинного и ствола головного мозга в контакте



Новости партнеров