Ξεκλείδωμα κίνησης: η απροσδόκητη πολυπλοκότητα των κινητικών νευρώνων

περίληψη: Οι ερευνητές έχουν ανατρέψει τις παραδοσιακές απόψεις για τους κινητικούς νευρώνες με την πρωτοποριακή μελέτη τους στις μύγες των φρούτων. Αυτή η έρευνα καταδεικνύει ότι μεμονωμένοι κινητικοί νευρώνες μπορούν να παράγουν μια ποικιλία σύνθετων κινήσεων της κεφαλής και όχι απλές κινήσεις και υπογραμμίζει τον περίπλοκο ρόλο που παίζουν αυτοί οι νευρώνες στην κίνηση του σώματος.

Χρησιμοποιώντας προηγμένες εργαστηριακές τεχνικές και τεχνητή νοημοσύνη, η ομάδα μπόρεσε να διεγείρει μεμονωμένους κινητικούς νευρώνες και να παρακολουθεί τις κινήσεις που προκύπτουν, αποκαλύπτοντας ένα εξελιγμένο σύστημα που μοιάζει με ψηφιακό θερμοστάτη που προσαρμόζεται με βάση την τρέχουσα θέση του σώματος. Αυτή η ανακάλυψη όχι μόνο αμφισβητεί τις τρέχουσες έννοιες της λειτουργίας των κινητικών νευρώνων, αλλά ανοίγει επίσης νέους τρόπους για την κατανόηση ασθενειών του κινητικού συστήματος και την αλληλεπίδραση μεταξύ διαφορετικών τύπων νευρώνων στον έλεγχο της κίνησης.

Βασικά στοιχεία:

1. Ένας νευρώνας, πολλαπλές κινήσεις: Σε αντίθεση με τις προσδοκίες, η ενεργοποίηση μονοκινητικών νευρώνων στις μύγες των φρούτων είχε ως αποτέλεσμα μια σειρά από κινήσεις της κεφαλής, αποδεικνύοντας την ικανότητα των νευρώνων να εκτελούν πολύπλοκες ενέργειες.
2. Οι προηγμένες τεχνικές αποκαλύπτουν τις λειτουργίες των νευρώνων: Η χρήση φωτοευαίσθητων μορίων και η διέγερση του κόκκινου φωτός, σε συνδυασμό με την παρακολούθηση κίνησης που βασίζεται σε AI, επέτρεψε τον ακριβή έλεγχο και παρακολούθηση των κινήσεων που προκαλούνται από κινητικούς νευρώνες.
3. Επιπτώσεις για την κατανόηση των κινητικών ασθενειών: Οι γνώσεις για τους ακριβείς ρόλους των κινητικών νευρώνων προσφέρουν τη δυνατότητα να προωθήσουμε την κατανόησή μας για ασθένειες όπως η αμυοτροφική πλευρική σκλήρυνση, υπογραμμίζοντας τη σημασία της αισθητηριακής ανάδρασης στον κινητικό έλεγχο.

πηγή: Πανεπιστήμιο Κολούμπια

Οι κινητικοί νευρώνες είναι κύτταρα που χρησιμοποιεί ο εγκέφαλος για να κατευθύνει τους μύες να δράσουν. Οι επιστήμονες συνήθως τα έβλεπαν ως απλές συνδέσεις, όπως τα καλώδια που συνδέουν τους υπολογιστές με τα περιφερειακά τους.

Τώρα, σε μελέτες με μύγες, ερευνητές στο Ινστιτούτο Zuckerman στην Κολούμπια ανακάλυψαν ότι οι μονοκινητικοί νευρώνες μπορούν να κατευθύνουν το σώμα ενός εντόμου να κινηθεί με πολύ πιο σύνθετους τρόπους από ό,τι πιστεύαμε προηγουμένως.

Τα αποτελέσματα δημοσιεύτηκαν στο φύση Στις 20 Μαρτίου.

«Αυτή είναι μια από τις πρώτες φορές που οι επιστήμονες ανέλυσαν σε 3D τι κάνουν μεμονωμένοι κινητικοί νευρώνες καθώς το σώμα κινείται κανονικά», δήλωσε ο Steven Houston, Ph.D., συνεργάτης ερευνητής στο Ινστιτούτο Zuckerman στην Κολούμπια και αντίστοιχος συγγραφέας του η μελέτη.

«Δεν μπορείς να καταλάβεις πώς ο εγκέφαλος κινεί ένα σώμα χωρίς να ξέρεις τι κάνει κάθε κινητικός νευρώνας, όπως δεν μπορείς να καταλάβεις πώς ένας κουκλοπαίκτης κινεί μια μαριονέτα χωρίς να καταλάβει τι κάνουν οι χορδές της μαριονέτας».

Οι κινητικοί νευρώνες είναι οι τελικές συνδέσεις μέσω των οποίων ο εγκέφαλος ελέγχει τις κινήσεις του σώματος, από το πάτημα ενός δαχτύλου μέχρι το κλείσιμο του ματιού. Παρά αυτό το κομβικό καθήκον, οι ερευνητές μόλις τώρα αρχίζουν να αποκαλύπτουν το ρόλο που παίζουν οι μονοκινητικοί νευρώνες στην κίνηση. Η μέτρηση της δραστηριότητας μεμονωμένων νευρώνων σε κινούμενα ζώα έχει αποδειχθεί πειραματικά δύσκολη.

Οι πρόοδοι στις εργαστηριακές τεχνικές έχουν πλέον επιτρέψει στους ερευνητές να χειρίζονται μονοκινητικούς νευρώνες σε μύγες φρούτων ενώ τα έντομα κινούνται ελεύθερα.

Σε πειράματα που ξεκίνησαν στην ερευνητική πανεπιστημιούπολη Janelia του Ιατρικού Ινστιτούτου Howard Hughes στο Ashburn της Βιρτζίνια, το πρώτο βήμα των ερευνητών ήταν να ενεργοποιήσουν φωτοευαίσθητα μόρια στους 25 περίπου κινητικούς νευρώνες που ελέγχουν τις κινήσεις της κεφαλής μιας μύγας μεγέθους σπόρου σουσαμιού. .

Αυτό έδωσε τη δυνατότητα στους επιστήμονες να χρησιμοποιήσουν το κόκκινο φως για να ενεργοποιήσουν τους κινητικούς νευρώνες έναν προς έναν. Ταυτόχρονα, κατέγραψαν τις κινήσεις του κεφαλιού που προέκυψαν και χρησιμοποίησαν τεχνικές τεχνητής νοημοσύνης για να παρακολουθήσουν αυτές τις κινήσεις.

«Οι περισσότεροι νευρώνες λειτουργούν από κοινού ως ομάδα, επομένως δεν περιμέναμε να δούμε πολύ ή ακόμα και καμία κίνηση του κεφαλιού όταν ενεργοποιούσαμε μόνο έναν κινητικό νευρώνα τη φορά», είπε ο Δρ Χιούστον.

Το πολύ, οι επιστήμονες περίμεναν ότι κάθε κινητικός νευρώνας ήταν εξοπλισμένος για να παράγει μια απλή κίνηση, για παράδειγμα, στροφή του κεφαλιού προς τα αριστερά κατά 10 μοίρες. Αντίθετα, μέσω υπολογιστικής ανάλυσης που έγινε αργότερα στο Ινστιτούτο Zuckerman, οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι η ενεργοποίηση κάθε κινητικού νευρώνα θα μπορούσε να κάνει το κεφάλι να περιστρέφεται με διάφορους τρόπους, μερικούς ακόμη και σε αντίθετες κατευθύνσεις ο ένας από τον άλλο, ανάλογα με την αρχική θέση του κεφαλιού της μύγας.

«Ήμουν πραγματικά ενθουσιασμένος για το πώς να ενεργοποιήσω συγκεκριμένα μεμονωμένους νευρώνες για να οδηγήσουν αυτές τις κινήσεις», είπε ο Benjamin Jurko, Ph.D. φοιτητής στο Τμήμα Μοριακής, Κυτταρικής και Αναπτυξιακής Βιολογίας στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στη Σάντα Μπάρμπαρα και πρώτος συγγραφέας της μελέτης.

Οι επιστήμονες παρομοιάζουν αυτόν τον τύπο ελέγχου κινητήρα με έναν ψηφιακό θερμοστάτη, όπου το πάτημα της επιθυμητής θερμοκρασίας θερμαίνει ή ψύχει το δωμάτιο ανάλογα με την τρέχουσα θερμοκρασία δωματίου.

Με τον ίδιο περίπου τρόπο, όταν οι ερευνητές διέγειραν κάθε κινητικό νευρώνα, το κεφάλι της μύγας κινήθηκε προς μια συγκεκριμένη θέση για αυτόν τον κινητικό νευρώνα, με το κεφάλι του εντόμου να γυρίζει προς τη μία ή την άλλη κατεύθυνση για να φτάσει στην επιθυμητή θέση ανάλογα με την αρχική θέση.

Το μοντέλο που μοιάζει με θερμοστάτη που αναπτύχθηκε από την ερευνητική ομάδα υποδηλώνει ότι όταν ο εγκέφαλος θέλει να κινήσει ένα αντικείμενο με συγκεκριμένο τρόπο, δεν μπορεί απλώς να διεγείρει το ίδιο σύνολο κινητικών νευρώνων κάθε φορά και να περιμένει το ίδιο αποτέλεσμα. Αντίθετα, ο εγκέφαλος πρέπει να υπολογίσει ποιους κινητικούς νευρώνες θα ενεργοποιήσει με βάση τα αισθητηριακά δεδομένα που λαμβάνει σχετικά με την τρέχουσα θέση του σώματος. Στην πραγματικότητα, η διατάραξη των αισθητηριακών νευρώνων που παρακολουθούν τη θέση του κεφαλιού της μύγας άλλαξε τον τρόπο με τον οποίο κινήθηκε το έντομο όταν οι επιστήμονες διέγειραν τους κινητικούς νευρώνες.

Ο προσδιορισμός του τι κάνει ο εγκέφαλος σε κυτταρικό επίπεδο στις μύγες των φρούτων είναι κάτι περισσότερο από μια απλή ακαδημαϊκή άσκηση. «Η καλύτερη κατανόηση του τι κάνουν οι κινητικοί νευρώνες μπορεί να μας βοηθήσει να κατανοήσουμε ασθένειες που επηρεάζουν το κινητικό σύστημα, όπως η αμυοτροφική πλευρική σκλήρυνση, επίσης γνωστή ως ALS ή νόσος του Lou Gehrig», είπε ο Δρ Χιούστον.

Στη συνέχεια, οι ερευνητές θέλουν να διερευνήσουν πώς άλλοι τύποι νευρώνων στη μύγα, όπως αυτοί στο οπτικό σύστημα, αλληλεπιδρούν με τους κινητικούς νευρώνες για τον έλεγχο της κίνησης.

Σχετικά με αυτές τις ειδήσεις έρευνας νευροεπιστήμης

συγγραφέας: Έβαν Αμάτο
πηγή: Πανεπιστήμιο Κολούμπια
επικοινωνία: Evan Amato – Πανεπιστήμιο Κολούμπια
εικόνα: Η εικόνα πιστώνεται στο Stephen Houston, Zuckerman Institute. Rebecca Johnston, Friday Harbor Laboratories

Αρχική αναζήτηση: Κλειστή πρόσβαση.
“Οι κινητικοί νευρώνες δημιουργούν στοχευμένες κινήσεις μέσω της ιδιοδεκτικής γλυπτικής«Από τους Stephen Houston et al. φύση

μια περίληψη

Οι κινητικοί νευρώνες δημιουργούν στοχευμένες κινήσεις μέσω της ιδιοδεκτικής γλυπτικής

Οι κινητικοί νευρώνες είναι η τελευταία κοινή οδός μέσω της οποίας ο εγκέφαλος ελέγχει την κίνηση του σώματος και είναι τα βασικά στοιχεία που συνθέτουν όλη την κίνηση. Ωστόσο, το πώς ένας μεμονωμένος κινητικός νευρώνας συμβάλλει στον έλεγχο κατά τη διάρκεια της κανονικής κίνησης παραμένει ασαφές.

Εδώ περιγράφουμε ανατομικά και λειτουργικά τους μεμονωμένους ρόλους των κινητικών νευρώνων που ελέγχουν την κίνηση του κεφαλιού στη μύγα, Μύγα μαύρης κοιλιάς.

Αντιθετικά, βρίσκουμε ότι η δραστηριότητα σε έναν μόνο κινητικό νευρώνα προκαλεί την περιστροφή της κεφαλής σε διαφορετικές κατευθύνσεις, ανάλογα με την αρχική θέση της κεφαλής, έτσι ώστε η κεφαλή να συγκλίνει προς μια θέση που καθορίζεται από την ταυτότητα του διεγερμένου κινητικού νευρώνα. Το μοντέλο ανατροφοδότησης προβλέπει ότι αυτή η συγκλίνουσα συμπεριφορά προκύπτει από την αλληλεπίδραση των κινητικών νευρώνων με την ιδιοδεκτική ανάδραση.

Εντοπίζουμε και καταστέλλουμε γενετικά μια κατηγορία διεγερτικών νευρώνων που αλλάζουν τη σύγκλιση που προκαλείται από κινητικούς νευρώνες, όπως προβλέπεται από το μοντέλο ανάδρασης.

Αυτά τα δεδομένα προτείνουν ένα πλαίσιο για τον τρόπο με τον οποίο ο εγκέφαλος ελέγχει τις κινήσεις: Αντί να δημιουργεί άμεσα κίνηση προς μια δεδομένη κατεύθυνση ενεργοποιώντας ένα σταθερό σύνολο κινητικών νευρώνων, ο εγκέφαλος ελέγχει τις κινήσεις προσθέτοντας προκατάληψη σε έναν συνεχή ιδιοδεκτικό κινητικό βρόχο.