Kaip smegenys atskiria svarbius ir nesvarbius pojūčius

Kaip smegenys atskiria svarbius ir nesvarbius pojūčius

Įsivaizduokite, kad grojate gitara. Jūs sėdite ir laikote instrumento svorį ant kelių. Viena ranka stryksta; kitas spaudžia stygas prie gitaros kaklo groti akordus. Jūsų regėjimas seka muzikos natas puslapyje, o klausa leidžia klausytis garso. Be to, groti šiuo instrumentu leidžia dar du pojūčiai. Vienas iš jų, prisilietimas, pasakoja apie jūsų sąveiką su gitara. Kitas, propriocepcija, pasakoja apie jūsų rankų ir rankų padėtis bei judesius žaidžiant. Kartu šie du gebėjimai susijungia į tai, ką mokslininkai vadina somatosensacija arba kūno suvokimu.

Mūsų oda ir raumenys turi milijonus jutiklių, kurie prisideda prie somatosensacijos. Tačiau mūsų smegenys neapsunkina šių įėjimų – ar bet kokių kitų mūsų pojūčių – užtvaros. Grojant jūsų neblaško nei batų žiupsnelis, nei gitaros dirželio traukimas; sutelkiate dėmesį tik į svarbius jutimo įvestis. Smegenys meistriškai sustiprina vienus signalus, o kitus filtruoja, kad galėtume nekreipti dėmesio į blaškymąsi ir sutelkti dėmesį į svarbiausias detales.

Kaip smegenys atlieka šiuos fokusavimo žygdarbius? Neseniai Šiaurės vakarų universitete, Čikagos universitete ir Salko biologinių tyrimų institute La Jolla, Kalifornijoje, atlikome naują atsakymą į šį klausimą. Atlikdami keletą tyrimų išsiaiškinome, kad maža, iš esmės nepaisoma struktūra pačioje smegenų kamieno apačioje vaidina lemiamą vaidmenį smegenyse pasirenkant jutimo signalus. Ši sritis vadinama dantiniu branduoliu arba CN. Mūsų tyrimai dėl CN ne tik keičia mokslinį supratimą apie jutimo apdorojimą, bet ir gali padėti pagrindus medicininėms intervencijoms, siekiant atkurti pojūtį pacientams, patyrusiems traumą ar ligą.

Norėdami suprasti, kas naujo, turėtume apžvelgti keletą somatosensacijos veikimo pagrindų. Kai ką nors judame ar liečiame, reaguoja specializuotos mūsų odos ir raumenų ląstelės. Jų elektrocheminiai signalai keliauja išilgai nervų skaidulų į nugaros smegenis ir smegenis. Smegenys naudoja šiuos pranešimus, kad stebėtų kūno laikyseną ir judėjimą bei vietą, laiką ir jėgą, su kuria mes sąveikaujame su objektais. Eksperimentai parodė, kad sąmoningas mūsų kūno patyrimas ir jo sąveika su objektais priklauso nuo šių signalų, pasiekiančių smegenų žievę, atokiausią smegenų sluoksnį. Mokslininkai jau seniai manė, kad ši smegenų sritis buvo viena iš pagrindinių veikėjų, dalyvaujančių selektyviai stiprinant arba filtruojant jutimo signalus. Kita vertus, jie tikėjo, kad CN buvo tiesiog pasyvi perdavimo stotis, perkelianti signalus iš kūno į žievę.

Bet mes buvome skeptiški. Kodėl CN egzistuotų, jei jis niekaip nekeičia signalų? Norėdami tai išsiaiškinti, nusprendėme stebėti, kaip veikia kietieji neuronai. Istoriškai iššūkis buvo tas, kad CN yra mažas ir labai sunkiai pasiekiamas. Jis yra labai lanksčioje galvos ir kaklo jungtyje, o tai reiškia, kad gyvūnui judant gali būti sunku jį pasiekti. Dar blogiau tai, kad dantytasis branduolys yra smegenų kamiene, apsuptas gyvybiškai svarbių smegenų sričių, kurios, jei bus pažeistos, gali baigtis mirtimi.

Laimei, šiuolaikinės neuromokslinės priemonės leidžia mums stabiliai stebėti CN pabudusiems gyvūnams, nepažeidžiant netoliese esančių zonų. Beždžionėms implantavome mažytes elektrodų matricas, kurias naudojome atskiriems pėdsakų branduolio neuronams stebėti. Pirmą kartą galėjome ištirti, kaip pavienės smegenų ląstelės šioje srityje reaguoja, kai beždžionė juda ir liečia daiktus. Šis metodas leido mums atsakyti į keletą klausimų apie tai, ką daro CN. Pirma, mes ištyrėme, kaip šie neuronai reaguoja į prisilietimo signalus, paveikdami beždžionių odą įvairiems dirgikliams, įskaitant vibracijas ir į Brailio raštą panašius reljefinius taškinius raštus. Tada palyginome CN atsakus su nervų skaidulų, kurios patenka į šią smegenų struktūrą, aktyvumu. Jei sritis tiesiog perduotų informaciją, kurią surinko odos jutimo ląstelės, neuroninis aktyvumas CN iš esmės atkartotų nervinių skaidulų aktyvumą. Vietoj to, mes nustatėme, kad CN neuronai ne tik perduoda savo įvestis, bet ir transformuoja juos. Tiesą sakant, pėdų neuronų aktyvumo modeliai buvo panašesni į smegenų žievės neuronų aktyvumą, nei į nervinių skaidulų modelius.

Tačiau ryšys tarp CN ir žievės nėra vienpusis kelias. Be jutimo nervų, kylančių aukštyn, yra takai iš smegenų žievės jutimo ir motorinių sričių, leidžiančių žemyn iki dantinio branduolio. Pasidomėjome, ar CN prisideda prie tam tikro jutimo filtravimo, pagrįsto planuojamais savanoriškais gyvūno judesiais. Tuo tikslu mes stebėjome CN aktyvumą, kai beždžionės pasiekė tikslą, ir palyginome tuos signalus su CN signalais, sugeneruotais robotui panašiai judant beždžionių ranką. Mes išsiaiškinome, kad dantytų neuronų veikla iš tikrųjų pasikeitė, priklausomai nuo to, ką gyvūnai veikė ir ar judesiai buvo valingi, ar nevalingi. Kaip tik vieną pavyzdį žinome, kad rankų raumenų signalai gali padėti gyvūnui nustatyti, ar judesys vyksta taip, kaip planuota. Atsižvelgdami į šią idėją, mes nustatėme, kad daugelis rankų raumenų signalų buvo sustiprinti CN, kai beždžionė savo noru pajudino ranką, palyginti su tuo, kai robotas ją judėjo.

Šiais tyrimais nustatyta, kad iš mūsų kūno gaunamų signalų apdorojimas jau prasidėjęs, kai signalai pasiekia dantinį branduolį. Bet kokios yra smegenų ląstelės ir keliai, leidžiantys CN selektyviai sustiprinti svarbius signalus ir slopinti tuos, kurie nėra svarbūs? Trečiame tyrime pasinaudojome genetiniais ir virusiniais metodais, kad ištirtume pelių nervų sistemą. Naudodami šiuos įrankius galėtume manipuliuoti tam tikro tipo ląstelėmis, įjungti arba išjungti jas šviečiant lazeriu. Šiuos metodus sujungėme su elgesio užduotimis: mokydami peles traukti virvelę arba reaguoti į įvairias tekstūras, kad gautume atlygį, išbandėme, kaip konkrečių neuronų aktyvinimas arba inaktyvavimas gali paveikti pelės gebėjimą atlikti vikrias užduotis. Šis metodas leido mums pirmiausia ištirti CN ląstelių funkcijas, atskleidžiant specifinį jį supančių neuronų rinkinį, kuris gali slopinti arba sustiprinti jutiklinių signalų perdavimą, kai jie patenka į smegenis. Tada mes taikėme panašius metodus, norėdami ištirti, kaip kiti aukštesni smegenų regionai gali turėti įtakos CN veiklai. Mes atradome du skirtingus kelius nuo žievės iki pat CN, kurie nusako, kiek informacijos cuneate leidžia perduoti. Kitaip tariant, CN gauna ne tik informaciją iš kūno, bet ir nurodymus iš žievės, kad padėtų nustatyti, kokie signalai yra svarbiausi ar svarbiausi asmeniui tam tikru momentu.

Akivaizdu, kad dantytasis branduolys yra daug įdomesnis smegenų regionas, nei jis buvo įvertintas. Mūsų darbas padeda išsiaiškinti jo funkciją: išryškinti tam tikrus signalus ir nuslopinti kitus prieš perduodant juos smegenų sritims, atsakingoms už suvokimą, motorikos valdymą ir aukštesnes pažinimo funkcijas. Šis svarbus vaidmuo gali padėti paaiškinti, kodėl CN atsiranda įvairiems žinduoliams, įskaitant peles ir primatus.

Nors mūsų darbas toli gražu nebaigtas, mūsų rezultatai jau turi svarbių pasekmių reabilitacijai. Be aktyvių lytėjimo ir raumenų signalų, kuriuos galėjome ištirti, įrodymai rodo, kad CN gauna daug daugiau „neaktyvių“ įėjimų, kurie gali būti svarbūs atsigaunant po neurologinio pažeidimo. Milijonai žmonių visame pasaulyje kenčia nuo tam tikros formos galūnių disfunkcijos, tokios kaip paralyžius ar jausmo praradimas. Geriau suprasdami, kaip sensoriniai ir motoriniai signalai palaiko judėjimą, gydytojai galiausiai gali pagerinti šių būklių diagnozę ir gydymą. Pavyzdžiui, implantuoti elektrodai vieną dieną gali elektra suaktyvinti danties branduolį žmonėms, kurie prarado galūnių jutimą, o tai gali atkurti gebėjimą suvokti savo kūną.

Ar esate mokslininkas, kuris specializuojasi neuromokslų, kognityvinių mokslų ar psichologijos srityse? O ar perskaitėte neseniai recenzuotą straipsnį, apie kurį norėtumėte parašyti „Mind Matters“? Prašome siųsti pasiūlymus Scientific American Mind Matters redaktorei Daisy Yuhas adresu pitchmindmatters@gmail.com.

.

Parašykite komentarą

El. pašto adresas nebus skelbiamas.