Обычная метафора неокортекса состоит в том, что это главный исполнительный орган мозга. Это область для сложных размышлений и принятия решений, основанных на необработанной информации, собранной органами чувств и доставленной их верным лакеем, областью, называемой таламусом. Но идея простого одностороннего потока сенсорной информации в кору не объясняет, почему корковые нейроны проецируют в таламус в 10 раз больше усиковых аксонов, чем таламические нейроны посылают в кору.
Интерес нейробиологов к этой значительной инфраструктуре корковой коммуникации с таламусом привел к гипотезе о том, что кора как-то контролирует пропускную способность таламуса. Возможно, кора головного мозга использует эти связи, чтобы отбирать потоки, представляющие особый интерес, из стремительных потоков поступающей информации. Новое исследование, опубликованное в Neuron, не только значительно подкрепляет эту идею, но и подробно объясняет, как кора головного мозга это делает.
«Одна из предполагаемых функций этого кортикоталамического пути — сосредоточить внимание на определенных типах сенсорных стимулов за счет других», — сказал автор-корреспондент Барри Коннорс, заведующий кафедрой нейробиологии в Brown.Исследователи выделили ключевые схемы у мышей (у людей такие же основные схемы) и активно манипулировали ими, чтобы наблюдать за их физиологией на работе.
Они узнали, что нейроны коры контролируют активность связанных таламических нейронов, изменяя частоту их сигналов.«Когда кора головного мозга« выключена », поступает определенное количество таламических сигналов», — сказал соавтор Скотт Круикшенк, доцент (исследования) нейробиологии. «Когда кора головного мозга немного« включается », она фактически подавляет это.
Когда она включается на более высокой частоте, она усиливается по сравнению с отключением. Она может изменять пропускную способность таламуса в любом направлении».Освещение мозга
Чтобы провести исследование, Коннорс, Круикшанк и ведущий автор Шейн Крэндалл, научный сотрудник в области нейробиологии, сосредоточили свое внимание на цепях, проходящих между неокортексом и таламусом, которые обрабатывают сенсорную информацию от усов мыши. Мыши в исследовании были генетически сконструированы таким образом, что клетки коры головного мозга, которые проецируют нейроны в таламус, можно было контролировать — включать и выключать — вспышками видимого света, метод, называемый «оптогенетикой».
В лабораторных условиях они удалили нервную ткань, чтобы лучше выделить цепь. Затем они электрически стимулировали клетки таламуса действовать так, как будто они передают сенсорную информацию.
Активировав эти нейроны, они использовали световые вспышки, чтобы управлять нейронами коры на разных частотах. Их цель состояла в том, чтобы увидеть, повлияет ли активность кортикальных клеток на активность таламических клеток и как это будет.Вот как они обнаружили, что когда корковые клетки срабатывают с низкой частотой (менее спайка в секунду), они подавляют таламические клетки. Клетки коры по существу замалчивают своих таламических подчиненных.
Но когда ученые заставили корковые нейроны срабатывать быстрее — 10 раз в секунду, — таламические мишени увеличили свою активность, стимулируясь этими сигналами.Крэндалл сказал, что этот результат не соответствует предсказаниям общепринятого мнения.
Многие нейробиологи полагали, что кора головного мозга давит на таламус проще. Они предположили, что если кортикальный нейрон посылает сигнал таламическому нейрону, это увеличит активность этого контура и подавит активность тех, кто находится поблизости. Но здесь результаты показывают, что корковые сигналы различаются по частоте, чтобы либо подавить, либо усилить таламические нейроны независимо.
В дальнейших экспериментах ученые измерили, как физические свойства цепей, такие как проводимость таламических клеток, меняются в зависимости от частоты корковой активности. Они также исследовали, какие рецепторы нейротрансмиттеров на нейронах таламуса были задействованы (NMDA, AMPA и GABA). Эти исследования показали, что частотно-зависимое переключение таламических клеток между торможением и возбуждением было связано с различным балансом активности всех трех этих рецепторов.
Эксперименты также показали, что нейроны, называемые TRN-клетками, важны для ингибирования таламических клеток, и что их влияние исчезает при более высоких частотах корковой активности.Наконец, исследователи показали, что, генерируя мозговые волны на гамма-частоте в коре головного мозга, которые часто возникают естественным образом, они также могут стимулировать большую активность в таламусе.
Когда понимаешь схемуИсследование показывает на уровне контуров, как кора головного мозга динамически модулирует приток сенсорной информации от отдельных нейронов таламуса. Теперь, когда схемы хорошо наблюдаются в лабораторных препаратах тканей, члены группы продолжат исследования кортикоталамической коммуникации на моделях поведения грызунов.
Могут ли они, например, сосредоточить внимание мыши на конкретном усе, активировав соответствующий контур корковых и таламических нейронов?Коннорс сказал, что знание того, как выглядит нормальное функционирование цепей, может помочь неврологам понять, как они могут отличаться при определенных расстройствах, например, при шизофрении.Эти данные также позволят команде сотрудничать с коллегами для создания компьютерной модели кортикоталамических цепей, которая позволит проводить дальнейшие исследования с использованием моделирования.
И, наконец, Крэндалл задает еще один важный вопрос: что побуждает конкретный корковый нейрон увеличивать или уменьшать свою активность, чтобы управлять своим таламическим аналогом?