Что, если бы вы не могли двигаться быстрее, даже когда хотели? Исследователи считали, что часть мозга, которая определяет, насколько быстро мы выполняем произвольные движения, такие как ходьба по комнате или воспроизведение мелодии на пианино, была немного похожа на машину. У него есть ускоритель для ускорения движений и тормоз для их замедления. Теперь ученые из исследовательского кампуса Janelia Медицинского института Говарда Хьюза показали, что, вопреки тому, что считалось, "тормозить" в этой части мозга может действительно ускорять движения мышей, а газ может сдерживать их. Путем определения того, как мозг контролирует движение, это открытие помогает объяснить систематическое замедление движений у пациентов с болезнью Паркинсона и может открыть путь для вмешательств, которые позволят пациентам научиться выполнять повседневные действия более плавно.
Ускорение ходьбы не проблема для большинства людей, но пациенты с болезнью Паркинсона изо всех сил пытаются ускорить произвольные движения. Ученые некоторое время предполагали, что "почти как будто работает только тормоз, а педаль газа не работает," говорит лидер группы Джанелия Джошуа Дудман. Чтобы лучше понять этот эффект, он и его коллега, ученый-исследователь Эрик Иттри, хотели узнать больше о нормальной роли базальных ганглиев, области мозга, пораженной болезнью Паркинсона, в контроле произвольных движений. В базальных ганглиях есть два основных типа нейронов, которые, как известно, способствуют (газ) или подавляют (тормозят) движение.
В экспериментах, описанных в предварительной онлайн-публикации 2 мая 2016 года в журнале Nature, Иттри и Дудман использовали метод, известный как оптогенетика, для активации нейронов в базальных ганглиях во время движений с определенной скоростью. Просвечивая лазером через тонкие оптические волокна, которые проходят в мозг животных, исследователи могли выборочно стимулировать либо газовые, либо тормозные нейроны, чтобы спросить, как каждая группа влияет на будущее движение.
Иттри обучал мышей перемещать передними лапами небольшой джойстик, чтобы получить сладкий напиток. Джойстик устроен так, что мышке приходится делать выбор, чтобы утолить жажду. Грызун должен нажимать на джойстик достаточно быстро, чтобы получить глоток воды, но если он нажимает слишком быстро, он тратит энергию и в конечном итоге ограничивает общее количество воды, которое он может потреблять. Каждый день люди принимают похожие, хотя и неявные, решения о том, как быстро они должны действовать – решая, как быстро дойти до ближайшего ресторана во время обеденного перерыва. Однако у пациентов с паркинсонизмом (и, как ранее показали Дудман и его коллеги, у мышей с паркинсонизмом) все движения замедлены.
Чтобы определить, насколько сильно нажимает мышь, исследователи измерили скорость джойстика. В среднем движения джойстика мыши выполняются примерно за полсекунды. Дадман и Иттри впервые протестировали эффект добавления дополнительной активности в любой группе нейронов во время определенных движений. Если предсказывалось, что толчок будет быстрым, исходя из его начальной скорости, устройство быстро активировало ту или иную группу нейронов в базальных ганглиях. С помощью этой процедуры исследователи могли побудить мышей систематически нажимать джойстик быстрее или медленнее при будущих движениях, в зависимости от того, какую популяцию нейронов активировали исследователи.
Эти результаты согласуются с давней идеей о том, что отдельные популяции нейронов в базальных ганглиях служат педалью тормоза и газа для движения. Чтобы определить, всегда ли эти нейроны одинаково влияют на движение, исследователи спросили, что произойдет, если они активируют нейроны, когда мышь сделает медленное движение джойстика. В этом случае включение "педаль газа" нейроны не ускоряли движения животных. Теперь стимуляция систематически замедляла будущие движения. Дудман и Иттри увидели аналогичный обратный результат, когда запустили "тормозить" нейроны в начале медленного толчка. Грызуны на удивление стали систематически быстрее перемещать джойстик.
Дудман объясняет, "либо один может ускорить вас или замедлить вас." Другими словами, демонстрируя, что отпускание тормоза может ускорить движения, а отпускание педали газа может замедлить движения, исследование предполагает, что мы используем комбинацию обоих способов для регулирования скорости движения. По словам Дадмана, чтобы представить себе, как эта система регулирует наши движения, представьте себе гонщика, мчащегося по трассе. Вместо того, чтобы ускоряться или замедляться, водитель одновременно использует газ и тормоз для выполнения контролируемых, но быстрых поворотов.
Исследователи спросили, может ли эта система контроля быть тем, что нарушается при болезни Паркинсона. У пациентов с болезнью Паркинсона отмирают клетки, производящие химический мессенджер, называемый дофамином. Чтобы смоделировать потерю этих клеток у мышей, исследователи вводили животным соединение, которое блокирует дофаминовые рецепторы на нейронах, имитируя отсутствие дофамина. Стимуляция, которой раньше было достаточно для изменения скорости движения, теперь не действовала.
Помимо выяснения того, как базальные ганглии контролируют движения, эти результаты имеют важное значение для лечения болезни Паркинсона. У многих пациентов уже есть имплантируемые устройства (глубокие стимуляторы мозга), которые обеспечивают электрическую стимуляцию мозга для улучшения движения. Избирательно активируя стимуляцию во время определенных движений, аналогично тому, что получали мыши, такие устройства могут позволить пациентам получить доступ к нормальному диапазону скоростей движения.