Η προγραμματισμένη κίνηση είναι απαραίτητη για την καθημερινή μας ζωή και συχνά απαιτεί καθυστερημένη εκτέλεση. Ως παιδιά, στεκόμασταν σκυφτοί και έτοιμοι, αλλά περιμέναμε την κραυγή “GO!” πριν ξεκινήσουμε το σπριντ από τη γραμμή εκκίνησης. Ως ενήλικες, περιμένουμε μέχρι το φανάρι να ανάψει πράσινο πριν στρίψουμε. Και στις δύο περιπτώσεις, ο εγκέφαλος έχει σχεδιάσει τις ακριβείς κινήσεις μας, αλλά καταστέλλει την εκτέλεσή τους μέχρι ένα συγκεκριμένο σύνθημα (π.χ. την κραυγή “GO!” ή το πράσινο φως). Τώρα, οι επιστήμονες ανακάλυψαν το δίκτυο του εγκεφάλου που μετατρέπει τα σχέδια σε δράση ως απάντηση σε αυτό το σύνθημα.
Η ανακάλυψη, που δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό Cell, είναι αποτέλεσμα της συνεργασίας επιστημόνων του Ινστιτούτου Νευροεπιστήμης Max Planck Florida, του ερευνητικού κέντρου Janelia του HHMI, του Ινστιτούτου Allen για την Επιστήμη του Εγκεφάλου και άλλων. Με επικεφαλής τους συν-πρώτους συγγραφείς Dr. Hidehiko Inagaki και Dr. Susu Chen και τον επικεφαλής συγγραφέα Dr. Karel Svoboda, οι επιστήμονες θέλησαν να κατανοήσουν πώς οι ενδείξεις στο περιβάλλον μας μπορούν να προκαλέσουν προγραμματισμένη κίνηση.
“Ο εγκέφαλος είναι σαν μια ορχήστρα“, δήλωσε ο Δρ Inagaki. “Σε μια συμφωνία, τα όργανα παίζουν ποικίλες μελωδίες με διαφορετικούς ρυθμούς και ηχοχρώματα. Η συλλογικότητα αυτών των ήχων διαμορφώνει μια μουσική φράση. Παρομοίως, οι νευρώνες στον εγκέφαλο είναι ενεργοί με διαφορετικά μοτίβα και συγχρονισμό. Το σύνολο των νευρωνικών δραστηριοτήτων διαμεσολαβεί σε συγκεκριμένες πτυχές της συμπεριφοράς μας”.
Για παράδειγμα, ο κινητικός φλοιός είναι μια περιοχή του εγκεφάλου που ελέγχει την κίνηση. Τα μοτίβα δραστηριότητας στον κινητικό φλοιό διαφέρουν δραματικά μεταξύ των φάσεων σχεδιασμού και εκτέλεσης της κίνησης. Η μετάβαση μεταξύ αυτών των μοτίβων είναι κρίσιμη για την ενεργοποίηση της κίνησης. Ωστόσο, οι περιοχές του εγκεφάλου που ελέγχουν αυτή τη μετάβαση ήταν άγνωστες. “Πρέπει να υπάρχουν εγκεφαλικές περιοχές που ενεργούν ως αγωγός”, περιέγραψε ο Δρ Inagaki. “Τέτοιες περιοχές παρακολουθούν περιβαλλοντικές ενδείξεις και ενορχηστρώνουν τις νευρωνικές δραστηριότητες από το ένα μοτίβο στο άλλο. Ο μαέστρος διασφαλίζει ότι τα σχέδια μετατρέπονται σε δράση τη σωστή στιγμή“.
Για να εντοπίσει το νευρωνικό κύκλωμα που λειτουργεί ως αγωγός για την έναρξη της προγραμματισμένης κίνησης, η ομάδα κατέγραψε ταυτόχρονα τη δραστηριότητα εκατοντάδων νευρώνων ενώ ένα ποντίκι εκτελούσε μια εργασία κίνησης που προκαλούνταν από ένα σύνθημα. Σε αυτό το έργο, τα ποντίκια εκπαιδεύτηκαν να γλείφουν προς τα δεξιά αν αγγίχτηκαν τα μουστάκια ή προς τα αριστερά αν δεν αγγίχτηκαν τα μουστάκια. Εάν τα ζώα έγλειφαν προς τη σωστή κατεύθυνση, λάμβαναν ανταμοιβή. Ωστόσο, υπήρχε μια παγίδα. Τα ζώα έπρεπε να καθυστερήσουν την κίνησή τους μέχρι να ακουστεί ένας τόνος ή “σύνθημα για το go”. Μόνο οι σωστές κινήσεις μετά το σύνθημα go ανταμείβονταν. Ως εκ τούτου, τα ποντίκια διατηρούν ένα σχέδιο της κατεύθυνσης που θα γλείψουν μέχρι το σύνθημα go και εκτελούν το προγραμματισμένο γλείψιμο μετά.
Στη συνέχεια, οι επιστήμονες συσχέτισαν πολύπλοκα μοτίβα νευρωνικής δραστηριότητας με τα σχετικά στάδια της συμπεριφορικής εργασίας. Οι ερευνητές διαπίστωσαν εγκεφαλική δραστηριότητα που εμφανίζεται αμέσως μετά το σύνθημα go και κατά τη διάρκεια της εναλλαγής μεταξύ του κινητικού σχεδιασμού και της εκτέλεσης. Αυτή η εγκεφαλική δραστηριότητα προέκυψε από ένα κύκλωμα νευρώνων στον μέσο εγκέφαλο, τον θάλαμο και τον φλοιό.
Για να ελέγξει αν αυτό το κύκλωμα λειτουργούσε ως αγωγός, η ομάδα χρησιμοποίησε οπτογενετική. Η προσέγγιση αυτή επέτρεψε στους επιστήμονες να ενεργοποιήσουν ή να απενεργοποιήσουν αυτό το κύκλωμα χρησιμοποιώντας φως. Η ενεργοποίηση αυτού του κυκλώματος κατά τη φάση του σχεδιασμού της συμπεριφορικής εργασίας μετέτρεψε την εγκεφαλική δραστηριότητα του ποντικιού από τον κινητικό σχεδιασμό στην εκτέλεση και προκάλεσε το ποντίκι να γλείψει. Από την άλλη πλευρά, η απενεργοποίηση του κυκλώματος κατά την αναπαραγωγή του συνθήματος go κατέστειλε την καθοδηγούμενη κίνηση. Τα ποντίκια παρέμειναν σε φάση κινητικού σχεδιασμού, σαν να μην είχαν λάβει το σύνθημα go.
Αυτή η εργασία του Dr. Inagaki και των συνεργατών του εντόπισε ένα νευρωνικό κύκλωμα κρίσιμο για την ενεργοποίηση της κίνησης σε απόκριση σε περιβαλλοντικές ενδείξεις. Ο Δρ Inagaki εξηγεί πώς τα ευρήματά τους καταδεικνύουν γενικεύσιμα χαρακτηριστικά του ελέγχου της συμπεριφοράς. “Βρήκαμε ένα κύκλωμα που μπορεί να αλλάξει τη δραστηριότητα του κινητικού φλοιού από τον κινητικό σχεδιασμό στην εκτέλεση την κατάλληλη στιγμή. Αυτό μας δίνει μια εικόνα για το πώς ο εγκέφαλος ενορχηστρώνει τη νευρωνική δραστηριότητα για να παράγει σύνθετη συμπεριφορά. Η μελλοντική εργασία θα επικεντρωθεί στην κατανόηση του τρόπου με τον οποίο αυτό το κύκλωμα και άλλα αναδιοργανώνουν τη νευρωνική δραστηριότητα σε πολλές περιοχές του εγκεφάλου“.
Εκτός από αυτές τις θεμελιώδεις προόδους στην κατανόηση του τρόπου λειτουργίας του εγκεφάλου, η εργασία αυτή έχει σημαντικές κλινικές επιπτώσεις. Στις κινητικές διαταραχές, όπως η νόσος του Πάρκινσον, οι ασθενείς αντιμετωπίζουν δυσκολία στην αυτο-κίνητη κίνηση, συμπεριλαμβανομένης της δυσκολίας στο περπάτημα. Ωστόσο, η προσθήκη περιβαλλοντικών ενδείξεων για την ενεργοποίηση των κινήσεων, όπως γραμμές στο πάτωμα ή ακουστικοί ήχοι, μπορεί να βελτιώσει δραματικά την κινητικότητα του ασθενούς. Αυτό το φαινόμενο, γνωστό ως παράδοξη κινητικότητα, υποδηλώνει ότι διαφορετικοί μηχανισμοί στον εγκέφαλο επιστρατεύονται για την κίνηση που προκαλείται από τον ίδιο τον ασθενή και την κίνηση που προκαλείται από το σύνθημα.
Η ανακάλυψη των δικτύων του εγκεφάλου που εμπλέκονται στις κινήσεις που προκαλούνται από το σύνθημα, τα οποία είναι σχετικά προστατευμένα στη νόσο του Πάρκινσον, μπορεί να βοηθήσει στη βελτιστοποίηση της θεραπείας.