Новое исследование, проведенное учеными из Базельского университета (University of Basel) и Института биомедицинских исследований Фридриха Мишера (Friedrich Miescher Institute for Biomedical Research, FMI), кардинально меняет представление о контроле движений мозгом. Опубликованное в журнале «Nature», исследование показало, что нейроны в базальных ганглиях не просто пассивно тормозят движения, а динамично и с высокой точностью переключаются между их разрешением («Go») и подавлением («Stop»), действуя как своеобразные «светофоры». Эти результаты открывают новые перспективы для понимания и лечения двигательных расстройств, таких как болезнь Паркинсона.
Наблюдение за тонкой настройкой
Исследовательская группа под руководством профессора Сильвии Арбер (Silvia Arber) сосредоточилась на субстанции нигра парс ретикулята (Substantia Nigra pars reticulata, SNR) – ключевой выходной структуре базальных ганглиев, посылающей сигналы в моторные центры ствола мозга.
-
Ученые наблюдали за мышами, выполнявшими точные движения передних лап (например, чтобы взять пищевую гранулу).
-
С помощью методов регистрации активности мозга исследователи отслеживали паттерны возбуждения отдельных нейронов в SNR в реальном времени во время различных фаз движения: протягивания лапы, захвата гранулы и подтягивания ее ко рту.
-
Для подтверждения причинно-следственной связи использовались оптогенетические методы: активация или подавление специфических нейронов SNR светом с целью увидеть, как это повлияет на выполнение движения.
Результаты исследования: Динамическое переключение «Go/Stop»
Ключевое открытие заключалось в удивительно точной и динамичной активности нейронов SNR:
-
Не просто тормоз: Нейроны SNR не просто постоянно тормозят движения, ожидая «снятия тормоза». Вместо этого они демонстрируют сложные паттерны активности.
-
Фазово-специфичное переключение: Отдельные нейроны динамично переключались между увеличением (подавление движения) и уменьшением (разрешение движения) своей активности в зависимости от конкретной фазы выполняемого движения. Один нейрон мог «тормозить» во время протягивания лапы, но «разрешать» во время захвата.
-
Тонкая настройка: Паттерны активности были очень специфичны для каждого типа движения и его фазы. «Удивительно, насколько тонко настроены эти сигналы, – отмечают ведущие авторы исследования, Антонио Фаласкони (Antonio Falasconi) и Харш Канодия (Harsh Kanodia). – Нейроны SNR останавливаются только во время очень специфических движений и активируются во время других».
-
Роль «светофора»: Эта система работает как точный «светофор», где нейроны SNR дают разрешающие («зеленый свет») или тормозящие («красный свет») сигналы для конкретных элементов сложного движения в строго определенное время.
-
Обратная связь: Моторные центры в стволе мозга реагировали на сигналы SNR: когда SNR подавала сигнал «Go» (уменьшение активности), нижележащие нейроны активировались («нажимали на газ»), позволяя выполнить движение. Малейшие изменения в движении сопровождались мгновенными корректировками в сигналах SNR.
-
Экспериментальное подтверждение: Искусственная активация нейронов SNR с помощью оптогенетики надежно блокировала выполнение движений, подтверждая их прямую контролирующую роль.
Значение для науки и медицины
Это исследование опровергает упрощенную модель базальных ганглиев как простого «тормоза». Вместо этого оно раскрывает SNR как систему прецизионного контроля времени и последовательности движений через динамическое взаимодействие активации и ингибирования.
Профессор Сильвия Арбер (Silvia Arber) подчеркивает значение работы: «Если мы понимаем, как базальные ганглии координируют нормальное движение, мы можем разработать более целенаправленные методы лечения, когда эта система выходит из равновесия».
Медицинские перспективы:
-
Нарушение тонкого баланса сигналов «Go/Stop» в SNR является ключевой особенностью двигательных расстройств, таких как болезнь Паркинсона (трудности инициации движения) или хорея (непроизвольные движения).
-
Новое понимание механизмов контроля открывает путь к разработке более эффективных и точных методов лечения (например, нейромодуляции), направленных на восстановление нарушенного динамического баланса в нейронных цепях базальных ганглиев, а не на простое глобальное усиление или ослабление их активности.
Литература.
“Dynamic basal ganglia output signals license and suppress forelimb movements” — Silvia Arber et al. Nature
