Ученые считают, что можно приостановить восприятие времени мозгом

Фото из открытых источников

Новое исследование показало, что подавление активности одной области мозга приостанавливает синхронизацию движений у мышей, в то время как подавление активности второй области восстанавливает её. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Такое раздельное управление назначает внутренние часы мозга на определенную схему и перестраивает то, как начинаются, приостанавливаются и возобновляются действия, зависящие от времени.

В ходе тренированного задания по облизыванию мыши выжидали небольшую задержку, прежде чем начать двигаться, создавая тем самым четкое окно, в котором можно было отслеживать нейронную синхронизацию.

В Институте нейронаук имени Макса Планка во Флориде (MPFI) Зидан Янг зафиксировал активность в двух связанных областях и показал, что каждое прерывание вызывало отчетливое изменение момента возникновения движения.

Когда двигательная кора была отключена, ожидаемое действие возобновлялось только после задержки, равной времени прерывания, тогда как отключение полосатого тела отодвигало действие еще дальше во времени.

Это сравнение показало, что эти регионы не выполняют одинаковых функций в регулировании времени, что обусловило необходимость различения вклада каждого из них в работу внутренних биологических часов мозга.

Перед облизыванием активность возросла в моторной коре головного мозга — поверхностной области, отвечающей за планирование движений.

В глубине тела, в полосатом теле, центре, определяющем действия, этот ввод сохранялся в виде накопительной суммы.

По мере увеличения этого показателя количество нейронов приближалось к уровню, позволяющему с высокой степенью достоверности предсказывать время облизывания в каждом испытании.

Совпадающие закономерности в обеих областях указывали на наличие общих часов, однако последующие тесты показали, что они не в равной степени контролируют время.

Заглушение моторной коры головного мозга на время ожидания остановило исходящие сигналы, и запланированный акт лизания произошел позже обычного.

Без этого сигнала полосатое тело перестало вести подсчет, поэтому внутренний таймер остановился до тех пор, пока не возобновились сигналы. После окончания паузы нейронная активность возобновилась с того места, где остановилась, поэтому мышь подождала примерно добавленное время.

Эта четкая задержка показала исследователям, что кора головного мозга контролирует начало и окончание отсчета времени, а не хранит прошедшее время.

Отключение полосатого тела в течение того же периода ожидания еще больше отсрочило момент облизывания, за пределы времени, длившегося в тишине. Вместо паузы сигналы синхронизации в обеих областях сместились назад, поэтому мозгу пришлось заново выстраивать подготовку к движению.

Поскольку полосатое тело расположено в базальных ганглиях, глубокой нейронной сети, определяющей решения, касающиеся движений, его повреждение имело дополнительное значение.

Подобные результаты соответствуют интегратору — схеме, которая суммирует входные сигналы во времени, а затем передает временные данные обратно в кору головного мозга.

Люди и животные не воспринимают время с помощью специального органа, и Ян сформулировал проблему следующим образом.

«Мы хотели точно понять, как мозг управляет временем, поскольку это важнейшая функция для нашей повседневной жизни», — сказал Ян.

Нейронные сети способны сохранять изменяющийся паттерн дольше, чем любой отдельный нейрон, поскольку связи обеспечивают непрерывное движение активности.

Установление связи между этой закономерностью и действием показало, что синхронизация возникает в результате взаимодействия, а не благодаря действию одного изолированного нейрона.

Нарушения двигательной функции часто проявляются в виде несвоевременных шагов, речи или жестов, а не только в виде слабости мышц или дрожания рук.

При болезни Паркинсона мозг теряет дофамин, химический посредник, отвечающий за начало движения, и связанные со стриатумом цепи с трудом обеспечивают плавное выполнение действий.

Напротив, при болезни Хантингтона унаследованные изменения генов повреждают полосатое тело на ранних стадиях, и со временем, в течение многих лет, нарушается контроль и синхронизация процессов.

Наличие отдельных функций паузы и сброса помогает объяснить, почему лечение должно настраивать нейронные цепи, а не просто увеличивать мышечную силу. Вместо того чтобы держать один главный тактовый генератор, мозг разделяет функцию синхронизации на функцию ввода и функцию интеграции.

Кора головного мозга обеспечивала быстрые, регулируемые сигналы, а полосатое тело продолжало суммировать их до достижения точки срабатывания.

«Сочетая нейронные записи с кратковременными изменениями активности определенных областей мозга, мы смогли определить роль каждой области во внутренних биологических часах мозга», — сказал Ян.

Такое разделение обеспечивает гибкость в выборе времени, но также означает, что повреждения в любом из этих мест могут искажать поведение по-разному.

Задачи на определение времени с помощью мыши кажутся простыми, но они отражают ключевую проблему, которую человеческий мозг решает в речи и спорте.

В строго контролируемых экспериментах животные сдерживались до тех пор, пока таймер не достигал целевого значения, что разделяло планирование и движение.

Поскольку прямое подавление активности мозга у людей невозможно, исследователям MPFI потребуются более безопасные методы получения результатов во время медицинского наблюдения.

Четко определенная роль нейронных сетей может помочь в разработке методов лечения, направленных на восстановление двигательных функций, но для их эффективного применения потребуются тщательные, поэтапные испытания.

Даже с учетом явных эффектов паузы и перезагрузки, работа отслеживала один отработанный прием, а не весь диапазон движений.

Различные действия могут задействовать другие отделы мозга, а более длительные промежутки времени могут использовать дополнительные системы синхронизации.

Изменения в мотивации или внимании также влияют на то, когда животное движется, поэтому исследователям необходимо отделить фактор времени от желания.

Для решения этих задач потребуется составить карту большей части замкнутого контура и проверить, проявляется ли аналогичный контроль у других видов.

Благодаря точному определению того, какая область мозга приостанавливает синхронизацию движений, а какая ее восстанавливает, исследование позволяет ученым напрямую проверять синхронизацию движений.

В следующих экспериментах необходимо будет отследить, как эти сигналы взаимодействуют с дофамином и процессом обучения, а затем выяснить, наблюдаются ли аналогичные закономерности в человеческих нейронных сетях.