Обнаружен скрытый нейронный путь в мозге, помогающий контролировать движения рук

Фото из открытых источников

Исследователи выявили ранее упущенный из виду нейронный путь, который помогает контролировать движения рук и кистей человека. Результаты нового исследования были опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Это открытие показывает, что сигналы, управляющие произвольными движениями рук, передаются через более глубокие участки ствола головного мозга и спинного мозга, расширяя понимание учеными механизмов контроля ловкости движений нервной системой.

Анализ активности в нижней части ствола головного мозга и верхней части спинного мозга выявил скрытое реле, которое активируется при сжатии или приложении силы руками. Работая в Калифорнийском университете в Риверсайде (UCR), Шахаб Вахдат отслеживал эти сигналы через два небольших центра в стволе головного мозга, изучая движения человека и животных.

Эти же области мозга оставались тесно связаны с двигательными зонами во время движений рук, что указывает на то, что произвольное движение осуществляется через этот канал связи, а не по одной прямой команде.

Осознание того, что дополнительный нейронный путь изменяет способ передачи сигналов к руке, создает основу для изучения того, как эти цепи могут способствовать восстановлению после травмы.

В глубине ствола головного мозга, в двух участках продолговатого мозга, самой нижней части, непосредственно над спинным мозгом, активность сохранялась на протяжении всего выполнения задач, связанных с захватом предметов. Вместо того чтобы просто передавать команды, эти центры, по-видимому, сортировали и объединяли входящие сигналы, прежде чем отправлять инструкции дальше.

«Долгое время мы считали, что тонкие движения рук у человека контролируются почти исключительно корой головного мозга», — сказал Вахдат.

Этот более старый слой управления может объяснить, почему рука сохраняет некоторые варианты действий, даже когда корковые двигательные области дают сбой.

Совпадение активности у мышей и людей имело значение, поскольку это показало, что данный механизм не является единичным случаем, характерным для человека. Животные учились нажимать на небольшой рычаг, в то время как добровольцы сжимали устройство с разной силой внутри сканера.

«Несмотря на различия в строении нашего мозга, мы обнаружили поразительное сходство в том, как эти области взаимодействуют», — сказал Вахдат.

Поскольку в процессе эволюции редко сохраняются бесполезные нейронные связи, это перекрытие делает данный путь чем-то большим, чем просто второстепенным маршрутом.

Ещё один сюрприз обнаружился в верхней части шеи, где два сегмента позвоночника взяли на себя не просто функцию родоразрешения. Эти сегменты, называемые C3-C4, расположены в верхней шейной части спинного мозга и передают сигналы на более низкие уровни.

Вместо простой передачи сигналов, это реле, по-видимому, связывало команды ствола головного мозга с нижними спинномозговыми цепями, которые активируют пальцы. Этот дополнительный механизм помогает объяснить, как нервная система может уточнять силу захвата и силу перед сокращением мышц.

Всё это, конечно, не исключало из рассмотрения кору головного мозга — внешний слой, отвечающий за сознательное мышление и произвольные движения, — но это противоречило идее единоличного контроля.

Сигналы, по-видимому, по-прежнему начинаются в высших двигательных областях, затем проходят через ствол головного мозга и верхнюю часть спинного мозга, прежде чем клетки, наконец, активируют мышцы.

Такой многоуровневый маршрут, вероятно, позволяет различным регионам вносить корректировки во время выполнения движения, корректировать осанку и прилагать усилие, пока движение уже идет полным ходом.

Точная координация движений пальцев по-прежнему в наибольшей степени зависит от прямого пути, однако непрямой путь, безусловно, также вносит свой вклад.

Инсульт делает это открытие не просто анатомической историей, поскольку слабость в руках может сохраняться еще долго после того, как человек переживает первоначальную травму. Когда повреждается кортикоспинальный тракт, главная магистраль, соединяющая кору головного мозга со спинным мозгом, наиболее резко ухудшается мелкая моторика рук.

Более ранние данные показали, что повреждения вдоль этой автомагистрали тесно связаны с тяжестью двигательных нарушений, вызванных инсультом. Сохранившаяся часть раны ниже места повреждения не решит всех проблем, но может дать терапевтам еще одну рабочую цель.

Поскольку этот путь остается связанным с движением, это дает врачам больше возможностей для попытки скорректировать работу системы. Это может включать нейромодуляцию, контролируемую стимуляцию, изменяющую нервную активность, направленную на нейронные цепи, которые не были повреждены в результате инсульта.

«Эти пути предоставляют нам дополнительные мишени для исследования», — сказал Вахдат, указывая на нейронные сети, которые могут оставаться доступными даже после повреждения коры головного мозга.

Тем не менее, для превращения созданной схемы в терапию потребуется доказательство того, что стимуляция улучшает реальное использование рук, а не только сканирование.

Ученые так долго упускали этот путь из виду отчасти потому, что соответствующая ткань небольшая, расположена глубоко и ее трудно визуализировать во время движения.

Исследовательская группа использовала функциональную МРТ — сканирование, отслеживающее изменения кровотока, связанные с нейронной активностью, — в стволе головного мозга и спинном мозге. Важно было одновременно считывать сигналы как из ствола головного мозга, так и из спинного мозга, поскольку при измерении каждого компонента по отдельности сигналы могут казаться несвязанными.

Улучшенная визуализация не изобрела этот механизм, но наконец позволила исследователям наблюдать за работой ретранслятора. Даже если доказательства кажутся убедительными, на ранних этапах подобные выводы все еще существуют определенные ограничения.

Активность мозга может выявить скоординированные действия, но сама по себе она не может доказать, какой именно регион отдал решающий приказ.

Исследования с участием семнадцати здоровых добровольцев и пятнадцати дрессированных мышей дали убедительные предварительные результаты, однако необходимы дальнейшие исследования на пациентах, восстанавливающихся после инсульта.

Следующий шаг достаточно прост: показать, что этот скрытый механизм можно тренировать или стимулировать после травмы. Теперь движения рук выглядят не столько как единый приказ, сколько как цепочка, проходящая через старые нейронные механизмы.

Более детальная карта расширяет возможности поиска путей восстановления, а также напоминает исследователям, что восстановление ловкости может зависеть от нескольких сохранившихся звеньев.