Codziennie wykonujemy niezliczoną ilość czynności. Niektóre z nich są zaplanowane wcześniej i zrealizowane z opóźnieniem. Na przykład w dzieciństwie, stojąc na linii startu, czekaliśmy na sygnał od wuefisty aby wystartować w sprincie. Jako dorośli, stojąc na światłach skrzyżowania, czekamy na zielone, zanim ruszymy we właściwą stronę. W obu przypadkach nasz mózg planuje pewne precyzyjne czynności, a następnie zawiesza ich wykonanie aż do otrzymania specyficznej wskazówki – sygnału “start!” lub zmiany świateł. W jaki sposób komórki nerwowe reprezentują ten złożony proces? Na to pytanie postanowił odpowiedzieć międzynarodowy zespół naukowców z Instytutu Maxa Plancka na Florydzie. Wyniki jego najnowszego badania, opublikowane w prestiżowym czasopiśmie ‘Cell’, ujawniają sieć neuronalną, której działanie umożliwia zrealizowanie zaplanowanej czynności w odpowiedzi na konkretny bodziec.
Za zdolność do poruszania się w dużej mierze odpowiadają komórki nerwowe kory motorycznej mózgu. Wzorzec ich aktywności w trakcie planowania działania jest zupełnie odmienny od wzorca pojawiającego się podczas jego wykonania. Choć moment przejścia od jednego wzorca do drugiego jest kluczowy w sprawnej realizacji ruchu, obszar mózgu zarządzający tym procesem do tej pory pozostawał nieuchwytny. Aby go zidentyfikować, naukowcy zmierzyli aktywność elektryczną setek neuronów kory motorycznej mózgu myszy, podczas gdy zwierzęta wykonywały specjalne zadanie motoryczne. Najpierw zwierzęta zostały nauczone poruszania się w prawo, jeśli ich wąsiki zostały dotknięte i w lewo w przypadku braku stymulacji. Każde prawidłowe zachowanie było nagradzane. Haczyk polegał na tym, że gdy myszy opanowały podstawowe zadanie, naukowcy wprowadzili dodatkowe wyzwanie. Mianowicie nauczyli zwierzęta czekać z poruszeniem się, aż pojawi się specyficzny bodziec, w tym wypadku dźwięk. W ten sposób mogli zarejestrować, co dzieje się w mózgu, gdy mysz trzyma się planu i czeka z wykonaniem ruchu na konkretny sygnał.
W kolejnym etapie badania naukowcy przeanalizowali jak wygląda aktywność neuronów na różnych etapach wykonywania zadania. Zgodnie z ich oczekiwaniami, wyniki tej analizy ujawniły osobne wzorce sygnału reprezentujące planowanie i wykonywanie ruchu. Ponadto udało im się wyodrębnić specyficzną aktywację sieci neuronalnej, obejmującej komórki śródmózgowia, wzgórza i kory mózgu skorelowaną bezpośrednio z pojawieniem się bodźca dźwiękowego sygnalizującego rozpoczęcie działania. Następnie naukowcy postanowili sprawdzić, czy to właśnie ta sieć mózgu zarządza realizacją zaplanowanego działania. W tym celu zastosowali technologię optogenetyki, która pozwala przy pomocy światła modyfikować – hamować lub wzmacniać – aktywność konkretnych neuronów. Kiedy aktywowali tę sieć przed prezentacją bodźca dźwiękowego, mysz natychmiast zaczynała poruszać się we właściwym kierunku – tak, jakby usłyszała sygnału do ruchu. Natomiast jeśli wyciszali aktywność tych komórek w trakcie prezentacji dźwięku, mysz pozostawała nieruchoma – tak, jakby nie otrzymała wskazówki do działania. Te wyniki jednoznacznie pokazują, iż funkcjonowanie tej sieci neuronalnej inicjuje realizację zaplanowanego działania.
”Zidentyfikowaliśmy zespół neuronów, który steruje przełączaniem aktywności kory motorycznej z planowania ruchu na jego wykonanie w odpowiednim czasie. Umożliwia nam to zrozumienie, jak złożone wzorce neuronalne odpowiadają za realizację precyzyjnych zachowań. W kolejnych badaniach sprawdzimy zależność między działaniem tej sieci a aktywnością neuronów w poszczególnych obszarach mózgu” – tak dr Inagaki, autor badania, wyjaśnia, jak wyniki tego eksperymentu ujawniają uniwersalne zasady, dzięki którym mózg steruje zachowaniem.
Tak więc zespół naukowców z Instytutu Maxa Plancka na Florydzie odkrył sieć neuronalną, która umożliwia nam wykonywanie zaplanowanych działań we właściwym momencie. Te wyniki oferują nie tylko wgląd w fundamentalne mechanizmy funkcjonowania mózgu, lecz również posiadają istotne implikacje kliniczne, przede wszystkim w kontekście choroby Parkinsona. W przypadku tego zaburzenia pacjenci doświadczają trudności w inicjowaniu ruchu, nawet takiego jak zwykłe chodzenie. Jednakże wzbogacenie ich środowiska o wskazówki wizualne, które wyzwalają ruch (np. linie na podłodze lub ścianach), mogą znacznie poprawić ich mobilność. Ten fenomen, znany jako kinezja paradoksalna, wskazuje na zaangażowanie odrębnych sieci neuronalnych w samodzielne inicjowanie ruchu i wykonywanie go w odpowiedzi na zewnętrzną stymulację. Zatem odkrycie sieci zaangażowanej w realizację zaplanowanych działań może okazać się kluczowe w optymalizacji terapii choroby Parkinsona.
