Нове дослідження пояснило, як мозок вирішує, як рухатися

Дослідники з лабораторії Дудмана в Інституті Джанелія спростували десятиліттями визнану теорію про функції стріатуму в мозку, виявивши, що ця частина базальних гангліїв не відповідає за вибір дій, а працює спільно з моторною корою для визначення параметрів руху, необхідних для виконання дії.

Традиційно вважалося, що в мозку існує розподіл функцій. Базальні ганглії нібито відповідали за вибір дії, а моторна кора – за її конкретизацію. Ця модель домінувала в нейробіології протягом багатьох років.

Суперечливі дані та новий підхід

Десять років тому команда вчених під керівництвом Джоша Дудмана почала отримувати дані, що суперечили загальноприйнятим уявленням. Нові спостереження вказували на інші функції стріатуму. Дослідники припустили, що цей регіон мозку може брати участь у більш механічних аспектах цілеспрямованих дій.

Їхня гіпотеза узгоджувалася з клінічними спостереженнями. Пацієнти з руховими порушеннями, пов’язаними з базальними гангліями, як-от хворобою Паркінсона чи Гантінгтона, не мають проблем із рішенням, що саме вони хочуть зробити. Натомість вони зазнають труднощів із фізичним виконанням задуманих дій.

Для перевірки своєї гіпотези науковці потребували принципово нового експериментального підходу. Стандартні методи не дозволяли чітко розмежувати процеси вибору та конкретизації дій. Команда вирішила створити експеримент, де різні дії були б максимально схожими з погляду фізичного виконання.

Інноваційна експериментальна модель

У співпраці з відділом експериментальних технологій Інституту Джанелія дослідники розробили систему “reach-to-pull” (досягни-потягни). Вона містила джойстик, який міг перебувати в одному з двох дещо різних положень. Для доступу до нього в обох випадках потрібні були майже ідентичні рухи.

Такий дизайн експерименту дозволив розділити патерни нейронної активності, пов’язані з вибором дії та її специфікацією. Якщо стріатум відповідає за вибір дії, активність його нейронів мала б значно відрізнятися для різних позицій джойстика. Якщо ж він бере участь у специфікації дії, активність була б схожою.

Під час експерименту дослідники одночасно реєстрували нейронну активність у стріатумі та моторній корі миші. Тварина тягнулася до джойстика і тягнула його, щоб отримати винагороду у вигляді води. Результати були однозначними – нейронна активність в обох ділянках мозку була майже ідентичною при взаємодії з джойстиком у різних положеннях.

Важливі висновки та перспективи

“Тепер ми можемо почати думати: як стріатум контролює швидкість руху, як ми можемо повернути цю функцію, як ми можемо її покращити,” – зазначає Джош Дудман, керівник дослідницької групи. “Більш точна, концептуальна модель того, як працює смугасте тіло, зрештою, допоможе нам чіткіше уявити, як відновити його функції.”

Це відкриття піднімає фундаментальне питання про те, як різні ділянки мозку координуються для виконання спільних функцій. Замість чіткого розподілу ролей, стріатум і моторна кора працюють спільно, кожна вносячи свої тонкі корективи у виконання дії.

Нова модель передбачає, що поведінка не є результатом роботи одного центрального “агента”. Натомість вона виникає внаслідок скоординованої взаємодії багатьох “часткових агентів”. Це змінює наше фундаментальне розуміння організації мозку та його функціонування.

Дослідження також продемонструвало важливість створення нових експериментальних систем для перевірки усталених теорій. “Величезне значення має те, що ми перебуваємо в середовищі, де ми можемо сказати: ‘Я вірю, що ми можемо вчасно створити нове експериментальне обладнання, необхідне для проведення експерименту, який ми розробили’,” – підкреслює Дудман, відзначаючи роль інституційної підтримки в успіху дослідження.

Результати цієї роботи мають потенційно величезне значення для розуміння та лікування рухових розладів, пов’язаних із дисфункцією базальних гангліїв. Переосмислення ролі стріатуму може привести до розробки більш ефективних терапевтичних підходів до таких захворювань, як хвороба Паркінсона та Гантінгтона.