В статье, опубликованной 29 января 2015 года в журнале Cell, ученые Института Солка составили карту нейронных цепей спинного мозга, которые обрабатывают ощущение легкого прикосновения. Эта схема позволяет телу рефлекторно вносить небольшие коррективы в положение стоп и баланс, используя легкие сенсорные датчики в стопах. Исследование, проведенное на мышах, представляет собой первую подробную схему спинномозговой цепи, которая служит центром управления для интеграции моторных команд из мозга с сенсорной информацией от конечностей. Лучшее понимание этих цепей должно в конечном итоге помочь в разработке методов лечения травм спинного мозга и заболеваний, влияющих на моторику и равновесие, а также средств предотвращения падений для пожилых людей.
«Когда мы стоим и ходим, сенсорные датчики на подошвах наших ног обнаруживают незначительные изменения давления и движения. Эти датчики посылают сигналы в наш спинной мозг, а затем в мозг», — говорит Мартин Гулдинг, профессор Солка и старший автор исследования бумага. «Наше исследование открывает то, что по сути было черным ящиком, так как до сих пор мы не знали, как эти сигналы кодируются или обрабатываются в спинном мозге. Более того, было неясно, как эта сенсорная информация была объединена с другой сенсорной информацией для управления движением. и поза ".
Хотя роль мозга в достижениях мозга, таких как философия, математика и искусство, часто занимает центральное место, большая часть того, что делает нервная система, — это использование информации, собранной из окружающей среды, для управления нашими движениями. Например, прогулка по этой обледенелой парковке задействует ряд наших органов чувств, чтобы не упасть. Наши глаза говорят нам, находимся ли мы на блестящем черном льду или на влажном асфальте. Датчики баланса в наших ушных каналах удерживают нашу голову на уровне земли.
А датчики в наших мышцах и суставах отслеживают изменение положения наших рук и ног.Каждую миллисекунду в мозг поступают многочисленные потоки информации, в том числе сигналы от пути передачи светового прикосновения, идентифицированного командой Гулдинга. Один из способов обработки этих данных мозгом — их предварительная обработка на сенсорных станциях, таких как глаз или спинной мозг.
Глаз, например, имеет слой нейронов и световых датчиков за спиной, которые выполняют визуальные вычисления — процесс, известный как «кодирование», — прежде чем информация поступит в зрительные центры мозга. В случае прикосновения ученые долгое время считали, что неврологическая хореография движений основана на цепях обработки данных в спинном мозге.
Но до сих пор было чрезвычайно сложно точно определить типы задействованных нейронов и наметить, как они связаны между собой.В своем исследовании ученые Солка демистифицировали эту тонко настроенную сенсомоторную систему управления. Используя передовые методы визуализации, основанные на модернизированном вирусе бешенства, они проследили нервные волокна, передающие сигналы от сенсорных датчиков на ступнях к их соединениям в спинном мозге.
Они обнаружили, что эти сенсорные волокна соединяются в спинном мозге с другой группой нейронов, известной как ROR? нейроны, названные в честь определенного типа молекулярных ворот, обнаруженных в ядре каждой клетки. ROR? нейроны, в свою очередь, соединяются с нейронами в двигательной области мозга, предполагая, что они могут служить важным связующим звеном между мозгом и ногами.Когда команда Гулдинга отключила ROR? Они обнаружили, что нейроны спинного мозга с использованием генетически модифицированных мышей, разработанных в Salk, были значительно менее чувствительны к движению по поверхности кожи или к липкой ленте, наложенной на их ноги.
Несмотря на это, животные все еще могли нормально ходить и стоять на ровной поверхности.Однако, когда исследователи заставляли животных переходить узкий приподнятый луч, что требовало больших усилий и навыков, животные боролись, действуя более неуклюже, чем животные с неповрежденным ROR? нейроны.
Ученые объясняют это сниженной способностью животных ощущать, когда ступня соскальзывает с края, и соответственно реагировать небольшими изменениями в положении ступни и балансе — двигательные навыки, подобные тем, которые необходимы для балансирования на льду или другой скользкой поверхности.Еще одна важная характеристика ROR? нейроны заключается в том, что они не просто получают сигналы от головного мозга и световых сенсорных датчиков, но также напрямую соединяются с нейронами вентрального спинного мозга, которые контролируют движение. Таким образом, они находятся в центре «мини-мозга» в спинном мозге, который объединяет сигналы из мозга с сенсорными сигналами, чтобы гарантировать правильное движение конечностей.«Мы думаем, что эти нейроны отвечают за объединение всей этой информации, чтобы сообщить ногам, как двигаться», — говорит Стив Буран, научный сотрудник лаборатории Гулдинга и первый автор новой статьи. «Если вы долго стоите на скользкой поверхности, вы заметите, что мышцы икр становятся жесткими, но, возможно, вы не заметили, что используете их. другие задачи более высокого уровня ".
Исследование команды представляет собой начало новой волны исследований, которые обещают предоставить точные и исчерпывающие объяснения того, как нервная система кодирует и интегрирует сенсорную информацию для создания как сознательных, так и бессознательных движений.«Как мозг создает сенсорное восприятие и превращает его в действие, — это один из центральных вопросов нейробиологии», — добавляет Гулдинг. «Наша работа предлагает действительно четкое представление о нейронных путях и процессах, которые лежат в основе контроля движений и того, как тело воспринимает окружающую среду.
Мы находимся в начале настоящих морских перемен в этой области, что чрезвычайно захватывающе».