Даже обычная ходьба требует сложных движений, таких как изменение осанки и координация всех четырех конечностей. Ученым известно, что мезэнцефальная локомоторная область, которая является частью среднего мозга, участвует в регулировании ходьбы и других форм передвижения у многих видов животных. Но функция нейронов в этой области мозга оставалась спорной.
По-новому взглянув на мезэнцефалическую локомоторную область, исследователи во главе с профессором Сильвией Арбер, руководителем группы в FMI и Biozentrum Университета Базеля, охарактеризовали отдельные популяции нейронов, которые участвуют в движениях, кроме ходьбы.
Результаты, опубликованные в Cell, призывают к переосмыслению роли этой ключевой части среднего мозга. «Было удивительно, что в этом регионе, который все эксперты связывают с движением, многие нейроны на самом деле не настроены на движение», – говорит Арбер.
Две популяции нейронов активны во время движений тела, но не во время передвижения
Работая на мышах, исследователи использовали передовые методы для маркировки и измерения активности различных популяций возбуждающих нейронов в мезэнцефальной локомоторной области.
Команда обнаружила две смешанные популяции нейронов: одна посылает нейрональные проекции вниз к спинному мозгу, а другая соединяется в противоположном направлении с частями области мозга, называемыми базальными ганглиями. Нейроны, соединяющиеся со спинным мозгом, увеличивали свою активность, когда мыши вставали на дыбы, тогда как другая популяция становилась активной, когда животные двигали передними конечностями во время такого поведения, как уход за шерстью или обращение с предметами.
Но, как выяснили исследователи, лишь небольшая часть этих нейронов включается во время передвижения.
Затем команда использовала метод, называемый оптогенетикой, в котором клетки мозга генетически сконструированы так, чтобы реагировать на свет, чтобы либо активировать, либо замолчать определенные популяции нейронов в мезэнцефальной локомоторной области. В серии экспериментов исследователи активировали нейроны, соединяющиеся с базальными ганглиями, когда мыши передвигались.
В результате животные перестали ходить, и все движения тела остановились. Вместо этого, когда исследователи включили нейроны, которые проецируются на спинной мозг, когда мыши остановились, животные вытягивали вперед голову и передние конечности.
Лишь в некоторых случаях, вытянув тело, грызуны начинали ходить. Когда эти нейроны были отключены, исследователи наблюдали противоположные поведенческие реакции.
Предыдущая работа группы Арбера показывает, что нейроны из мезэнцефальной локомоторной области, которые посылают свои проекции в область ствола мозга, называемую продолговатым мозгом, участвуют в контроле локомоции. Новое исследование предполагает, что те, которые непосредственно связаны со спинным мозгом, вместо этого участвуют в регулировании разгибания тела и постуральных изменений, которые, вероятно, необходимы для инициации движения.
Новые возможности в терапии людей с болезнью Паркинсона
Помимо изменения давнего представления о роли мезэнцефалической локомоторной области, исследование также может иметь значение для облегчения проблем с осанкой и походкой у людей с болезнью Паркинсона, которые не реагируют на лекарства. Болезнь Паркинсона – это нейродегенеративное состояние, которое приводит к тремору, скованности и проблемам с контролем различных движений. Экспериментальная терапия, использующая технику, называемую глубокой стимуляцией мозга, при которой электрические импульсы доставляются непосредственно в мезэнцефалическую локомоторную область людей с болезнью Паркинсона, дала противоречивые результаты.
В то время как некоторые пациенты сообщили о небольших преимуществах, другие испытали множество побочных эффектов. Недавние открытия Арбера показывают, почему: применение электрических импульсов ко всем нейронам неконтролируемым образом влияет на активность отдельных популяций нейронов.
По словам Арбера, лучшей стратегией было бы стимулировать только нейроны, которые проецируются в спинной или продолговатый мозг. «Терапевтические подходы, направленные на активацию определенных нейронов, могут быть очень успешными», – говорит она.
Затем команда планирует изучить роль мезэнцефальной локомоторной области в выборе действия – процесса, посредством которого мозг «выбирает» выполнение определенного движения и подавляет конфликтующие двигательные программы. «Интересно, что эта область контролирует больше, чем просто движение, поэтому будет интересно понять, как нейроны, которые мы идентифицировали, взаимодействуют с другими областями мозга, участвующими в управлении движением», – говорит Арбер.