Команда зі Стенджудівського дослідницького госпіталю (St. Jude Children’s Research Hospital) та Колумбійського університету застосувала швидкісне широкопольове оптичне картування, щоб побачити, як мозок організовує й координує рухи. У вторинній моторній корі мишей вони виявили раніше невідому «карту» тіла з окремими ділянками, пов’язаними з різними частинами тіла. Про роботу повідомляє Newswise Science News.
Прихована карта у вторинній моторній корі
Наш мозок безперервно розраховує, як рухати й узгоджувати частини тіла, але конкретна організація цієї «оркестрації» довго залишалася незрозумілою. Дослідники під керівництвом Елізабет Гіллман (Elizabeth Hillman), докторки філософії та керівниці відділу візуалізації в St. Jude, використали високошвидкісну оптичну візуалізацію мозку мишей і натрапили на карту, якої не очікували побачити.
Спочатку команда шукала головні ділянки мозку, що безпосередньо запускають рухи. Однак під час періодів спокою вони помітили сильні коливання активності в сенсорних областях. Виявилося, що «відпочинкова» активність кожної сенсорної зони синхронізується з невеликою ділянкою у вторинній моторній корі (М2). Коли дослідники поєднали всі ці зони М2, вони утворили чітку карту частин тіла.
Щоб перевірити цю закономірність, вчені детально вивчили нейронну активність усередині виявлених підділянок. Вони підтвердили, що активуються саме ті зони М2, які відповідають за конкретну частину тіла, що бере участь у русі.
Як мозок перемикає стани під час руху
Порівнюючи зразки активності при різних видах рухів, дослідники побачили, що вторинна моторна кора працює по-різному залежно від складності задачі. При простих рухах окремих частин тіла М2 коротко вмикається, а при складних, координованих рухах, які залучають кілька частин тіла, її активність стає значно сильнішою й тривалішою.
За словами Гіллман, саме такі особливості пояснюють, чому раніше так складно було інтерпретувати сигнали з моторної кори під час рухів. Вторинна моторна кора переходить між різними станами: від синхронних коливань під час відпочинку — до коротких «спалахів» активності при простих рухах і до стійкої активності при складних діях, що задіюють кілька частин тіла одночасно. Коли дослідники розпізнали ці шаблони, картина активності стала набагато зрозумілішою — немов стало видно, які інструменти грають у великому оркестрі.
Широкопольове оптичне картування дає цілісну картину
У цій роботі застосували розроблений Гіллман підхід широкопольового оптичного картування, який дозволяє в режимі реального часу відстежувати активність нейронів усього мозку під час спонтанних рухів. Традиційно багато нейронаукових досліджень усереднювали дані з багатьох повторень одного й того ж руху або стимулу й часто концентрувалися на невеликих ділянках мозку.
Натомість безперервна зйомка активності всього мозку показала, що у стані спокою різні зони синхронно «пульсують», а з початком руху — «затихають». Аналіз таких просторих і часових візерунків відкрив шляхи взаємодії між ділянками, які залишалися непомітними для попередніх методів з більш обмеженим полем огляду.
Можливості для вивчення хвороб і терапій
Гіллман підкреслює, що високошвидкісна візуалізація відкриває шлях до глибшого розуміння того, як порушується робота мозку при неврологічних захворюваннях або травмах. Оскільки тепер можна спостерігати, як мозок у реальному часі контролює рухи, з’являється змога аналізувати, як і коли ця система дає збій.
Дослідниця сподівається використати цей підхід, щоб вивчати механізми хвороб, шукати біомаркери та оцінювати ефективність терапій для широкого спектра педіатричних станів, які впливають на рухи, поведінку та когнітивні функції.
У роботі також брали участь науковці Колумбійського університету, Університету Массачусетсу Chan Medical School та St. Jude. Дослідження підтримали кілька програм BRAIN Initiative Національного інституту неврологічних розладів та інсульту, Національного інституту психічного здоров’я, а також благодійні фонди та організації, зокрема Simons Collaboration on the Global Brain, Leducq Foundation та ALSAC, що забезпечує збір коштів і підвищення обізнаності на підтримку St. Jude.