Спинной мозг оказался «умнее»

Спинной мозг оказался «умнее». Учёные обнаружили, что спинной мозг обладает большей «интеллектуальной» способностью, чем считалось ранее.

В данном посте речь пойдёт о двух исследованиях, результаты которых опубликованы в виде научных статей.

Одно из них - это исследование канадских учёных, которое показывает, что спинной мозг способен контролировать важную для жизнедеятельности функцию, которая, как считалось ранее, контролируeтся корой головного мозга. Речь идёт о функции контроля за положением руки в пространстве.

«Это исследование показало, что по крайней мере одна важная функция выполняется на уровне спинного мозга, и это открывает совершенно новую область исследований, чтобы понять, что ещё происходит на уровне спинного мозга и что ещё мы потенциально пропустили в этой области», — сказал нейробиолог Эндрю Пружински из Университета Западного Онтарио (Канада).

Контроль за положением руки в пространстве требует сенсорной информации от нескольких суставов — в основном от локтя и запястья, — и ранее считалось, что эта информация обрабатывается и преобразуется в двигательные команды в коре головного мозга.

С помощью специализированной роботизированной технологии, экзоскелета с тремя степенями свободы, разработанного в Институте мозга и разума при Университете Вестерн, испытуемых просили удерживать руку в заданном положении, а затем робот отводил её от цели, одновременно сгибая или разгибая запястье и локоть.

Исследователи измеряли время, за которое мышцы локтя и запястья реагировали на толчок робота, и то, помогали ли эти реакции вернуть руку в исходное положение.

Измерив задержку, или «лаг», в реакции, они смогли определить, происходит ли обработка информации в мозге или в спинном мозге.

«Мы обнаружили, что эти реакции происходят так быстро, что единственное место, где они могут возникать, — это сами спинномозговые цепи», — сказал ведущий исследователь Джефф Вейлер из Университет Западного Онтарио. «Мы видим, что эти спинномозговые цепи не обращают внимания на то, что происходит в отдельных суставах, они обращают внимание на то, где находится рука во внешнем мире, и генерируют реакцию, которая пытается вернуть руку в исходное положение».

Эта реакция, возникающая в спинном мозге, называется «рефлексом растяжения», и раньше считалось, что она очень ограничена с точки зрения того, как она помогает движению.

«Исторически считалось, что эти спинномозговые рефлексы просто восстанавливают длину мышцы до того состояния, в котором она была до растяжения, — сказал Пружински. — Мы показываем, что на самом деле они могут делать нечто гораздо более сложное — управлять рукой в пространстве».

Это открытие значительно расширяет наши представления о нейробиологии спинного мозга, а также предоставляет новую информацию для реабилитологов.

«Фундаментальное понимание нейронных цепей имеет решающее значение для достижения какого-либо прогресса в области реабилитации», — сказал Пружински. По его мнению, новое знание

«может привести к разработке различных режимов тренировок, ориентированных на нейронные цепи в спинном мозге».

Исследование «Рефлексы растяжения спинного мозга обеспечивают эффективное управление руками» было опубликовано в научном журнале Nature Neuroscience.

Ссылка на научное исследование: Weiler, J., Gribble, P.L. & Pruszynski, J.A. Spinal stretch reflexes support efficient hand control. Nat Neurosci 22, 529–533 (2019). doi 10. 1038/ s41593-019-0336-0

А в 2024 году учёные из Бельгии и Японии опубликовали научную статью, в которой рассказали о группе нейронов спинного мозга, которые обеспечивают независимое от головного мозга двигательное обучение.

Учёные из Центра изучения мозга RIKEN в Японии и из Института мозга в Лёвене (Бельгия) используя различные модели трансгенных мышей, оптогенетические и электрофизиологические методы обнаружили популяцию интернейронов дорсальных рогов спинного мозга, необходимых для приобретения двигательных навыков, и популяция интернейронов, играющих ключевую роль в сохранении и воспроизведении приобретённых двигательных навыков

Учёные уже давно связывали автоматизм движений у здоровых людей - с активностью спинного мозга.

Вот что говорит японский нейробиолог Ая Такеока: «Понимание лежащих в основе этого механизмов необходимо, если мы хотим разобраться в основах автоматизма движений у здоровых людей и использовать эти знания для улучшения восстановления после травм спинного мозга».

Прежде чем приступить к изучению нейронных связей, исследователи сначала разработали экспериментальную установку, которая позволила им изучать адаптацию спинного мозга мышей, как при обучении, так и при вспоминании, без участия головного мозга. В каждом эксперименте участвовали подопытная мышь из основной экспериментальной группы и мышь из контрольной группы, у которых задние лапы свободно свисали. Если задняя лапа мыши из основной группы опускалась слишком низко, на неё наносился удар электричеством. Мышь из контрольной группы получала такое же воздействие в то же время, но это воздействие не было связано с положением её задних лап.

Всего через 10 минут учёные наблюдали двигательное обучение только у мышей из основой группы: их лапки оставались высоко поднятыми, избегая любого электрического воздействия. Этот результат показал, что спинной мозг может ассоциировать неприятное ощущение с положением лапки и адаптировать двигательную активность таким образом, чтобы лапка избегала неприятного ощущения, и всё это без участия головного мозга.

Через 24 часа они повторили 10-минутный тест, но поменяли местами подопытных и контрольных мышей. Испытуемые мыши по-прежнему поднимали лапы, что указывало на то, что спинной мозг сохранял память о прошлом опыте, который мешал новому обучению.

Таким образом, установив, что в спинном мозге происходит как немедленное обучение, так и запоминание, команда исследователей приступила к изучению нейронных связей, которые делают возможным и то, и другое. Они использовали шесть типов трансгенных мышей, у каждой из которых был отключён отдельный набор нейронов в спинном мозге, и протестировали их на предмет моторного обучения и отмены обучения. Они обнаружили, что задние лапы мышей не адаптировались к избеганию электрических разрядов после отключения нейронов в верхней части спинного мозга, особенно тех, в которых происходит экспрессия гена Ptf1a.

Когда они обследовали мышей во время описанных выше форм обучения, они обнаружили, что подавление экспрессии гена Ptf1a в нейронах не оказало никакого эффекта. Вместо этого решающую роль сыграла группа нейронов в нижней, вентральной, части спинного мозга, в которых происходит экспрессия гена En1.

Когда эти нейроны были отключены на следующий день после обучения избеганию электроразряда, спинной мозг вёл себя так, как будто ничего не усвоил.

Исследователи также оценили воспроизведение памяти на второй день, повторив первоначальные условия обучения.

Они обнаружили, что у мышей дикого типа задние лапы стабилизировались и достигали положения для избегания быстрее, чем в первый день, что указывает на запоминание. Возбуждение нейронов в которых происходит экспрессия гена En1 во время запоминания увеличило эту скорость на 80%, что указывает на улучшение запоминания движений.

Полученные результаты могут помочь врачам разработать способы восстановления двигательных функций после повреждения спинного мозга.

«Эти результаты не только бросают вызов общепринятому мнению о том, что двигательное обучение и память связаны исключительно со структурами головного мозга, — говорит Такеока, — но и показывают, что мы можем управлять двигательной памятью спинного мозга, что имеет значение для методов лечения, направленных на стимуляцию восстановления после травмы спинного мозга».

Научная статья учёных опубликована в Science и носит название

"Два класса тормозящих нейронов управляют приобретением и воспроизведением сенсомоторной адаптации позвоночника"

( Two inhibitory neuronal classes govern acquisition and recall of spinal sensorimotor adaptation DOI: 10. 1126/ science. adf680 ).

Будем ожидать новых открытий в нейробиологии спинного мозга.

Источники:

1) научная статья Weiler, J., Gribble, P.L. & Pruszynski, J.A. Spinal stretch reflexes support efficient hand control. Nat Neurosci 22, 529–533 (2019). doi 10. 1038/ s41593-019-0336-0

2) Статья Spinal Cord is Smarter than Previously Thought на научно-популярном сайте Neuroscience News

3) научная статья Two inhibitory neuronal classes govern acquisition and recall of spinal sensorimotor adaptation DOI: 10. 1126/ science. adf680

4) статья Scientists discover groups of spinal cord neurons that allow for brain-independent motor learning на научно-популярном сайте

MedicalXpress.

Источник: vk.com

Комментарии: