Эти результаты были опубликованы в Neuron.«Все движения, от самых простых, таких как ходьба, до самых умелых, таких как игра на пианино, требуют необычной хореографии между мозгом и телом — процесс, который мы до сих пор не полностью понимаем», — сказал Томас М. Джессел. , Доктор философии, содиректор Института психического и мозгового поведения Мортимера Б. Цукермана Колумбийского университета и старший автор статьи. «В этом исследовании мы смогли наблюдать взаимодействие между мозгом и телом в реальном времени, что позволило нам точно увидеть, когда моторная кора головного мозга управляет движением мышц, а также как это влияние на самом деле работает».
Предыдущие исследования показали, что моторная кора, несмотря на свое название, не обязательно требуется для всех типов движений. Если животное получает повреждение моторной коры, оно может восстановиться и нормально ходить.
Но более специализированные движения, такие как точное хватание, требуют моторной коры, и без нее животное не сможет восстановиться.«Мы хотели увидеть, как моторная кора работает при двух совершенно разных формах поведения — хватании, которое, по-видимому, требует моторной коры, и ходьбе, которая этого не требует», — сказал Эндрю Мири, доктор философии, научный сотрудник лаборатории Джесселла в Колумбии.
Университетский медицинский центр (CUMC) и первый автор статьи. «Используя оптогенетику, технику, которая включает и выключает клетки с помощью света, мы заставили замолчать моторную кору в мозгу мышей, когда они либо шли по беговой дорожке, либо тянулись, чтобы схватить джойстик. Затем мы могли наблюдать любые изменения в движениях животных в реальном времени."После выключения моторной коры исследователи отметили, что потребовалось 10 миллисекунд, прежде чем у животных нарушилась способность хватать.
Но прошло не менее 35 миллисекунд, прежде чем они заметили какие-либо изменения в способности животного ходить. Эти открытия были важной частью головоломки, потому что они подразумевали, что моторная кора головного мозга животных взаимодействует с мышцами по-разному, в зависимости от того, какое движение совершает животное. Тогда возник вопрос: как это происходит?Чтобы выяснить это, исследователи собрали электрические записи сотен отдельных нейронов моторной коры, в то время как мыши выполняли два движения: ходьбу и хватали.
Исследовательская группа работала с Колумбийским центром теоретической нейробиологии над математической визуализацией и количественной оценкой происходящего в моторной коре головного мозга.«Каждый нейрон излучал серию импульсов во время обоих типов движения.
Но что было наиболее поразительным, так это то, что импульсы в одной паре нейронов могли быть замечательно синхронизированы во время выполнения задачи охвата, в то время как импульсы в тех же двух нейронах были полностью несовпадающими, в то время как животное гуляло ", — сказала д-р Мири.Другими словами, важно не то, как пульсирует один нейрон, а то, как этот нейрон пульсирует так же, как и окружающие его. Совокупность подобных сходств — и различий — по всей моторной коре, которая, как показал математический анализ, была основной движущей силой одного типа движения над другим.
«Эти результаты впервые предлагают исчерпывающее объяснение того, как моторная кора головного мозга управляет только некоторыми типами движений, даже если всегда кажется активными, и могут дать ключ к разгадке того, почему одни движения могут быть повторно изучены после повреждения моторной коры, а другие не может », — сказал доктор Джессел, который также является профессором Клэр Тоу по расстройствам моторных нейронов в нейробиологии, а также по биохимии и молекулярной биофизике в CUMC.Таким образом, это исследование имеет значение для медицины, — сказал доктор Джессел.«Понимание активности моторной коры имеет решающее значение для разработки методов лечения ряда заболеваний и двигательных травм», — пояснил он. «Будь то создание интерфейсов мозг-машина, которые могут точно имитировать связь между мозгом и мышцами, или разработка способа диагностики ранних признаков двигательных расстройств, таких как боковой амиотрофический амиотрофический склероз (БАС), эти результаты приближают нас к детальному пониманию этого мозг, который нам нужен ".