MIT badacze odkryli dwie dodatkowe ścieżki w prążkowiu mózgu, które modulują tradycyjne ścieżki kontroli ruchu poprzez wpływ dopamina produkcja.
Ścieżki te, połączone ze striosomami mózgu, mogą odgrywać kluczową rolę w podejmowaniu decyzji zawierających silne komponenty emocjonalne, potencjalnie zmieniając nasze rozumienie wzajemnych powiązań motywacji i ruchu.
W ludzkim mózgu ruch jest koordynowany przez obszar zwany prążkowiem, który wysyła sygnały do neuronów ruchowych. Sygnały te przemieszczają się dwiema głównymi drogami: jedna inicjuje ruch („start”), a druga go hamuje („nie idź”).
W niedawnym badaniu badacze z MIT odkryli dwie dodatkowe ścieżki w prążkowiu, które wydają się precyzyjnie dostrajać ścieżki „ruszaj” i „nie ruszaj”. Te nowe szlaki łączą się z neuronami w mózgu wytwarzającymi dopaminę, przy czym jeden szlak stymuluje uwalnianie dopaminy, a drugi je hamuje.
Modulacja dopaminy przez striosomy
Poprzez skupiska neuronów zwane striosomami szlaki te kontrolują poziom dopaminy i modyfikują instrukcje wysyłane przez ścieżki „idź” i „nie”. Naukowcy sugerują, że mechanizm ten może odgrywać kluczową rolę w podejmowaniu decyzji związanych z silnymi emocjami.
„Wśród wszystkich obszarów prążkowia okazało się, że same striosomy są w stanie przesyłać projekcję do neuronów zawierających dopaminę, co naszym zdaniem ma coś wspólnego z motywacją, nastrojem i kontrolowaniem ruchu” – mówi Ann Graybiel z Instytutu MIT Profesor, członek McGovern Institute for Brain Research w MIT i główny autor nowego badania.
Iakovos Lazaridis, pracownik naukowy w McGovern Institute, jest głównym autorem artykułu, który został opublikowany 23 października w czasopiśmie Aktualna biologia.
Strukturalny wgląd w prążkowie
Graybiel spędziła większość swojej kariery na badaniu prążkowia – struktury zlokalizowanej głęboko w mózgu, która bierze udział w uczeniu się i podejmowaniu decyzji, a także kontroli ruchu.
W prążkowiu neurony ułożone są w strukturę przypominającą labirynt zawierający striosomy, co Graybiel odkrył w latach 70. XX wieku. Klasyczne szlaki „go” i „no-go” powstają w neuronach otaczających striosomy, które są wspólnie nazywane macierzą. Komórki macierzy, które dają początek tym szlakom, otrzymują dane wejściowe z obszarów przetwarzania sensorycznego, takich jak kora wzrokowa i kora słuchowa. Następnie wysyłają polecenia „start” lub „nie” do neuronów w korze ruchowej.
Tajemnica funkcji striosomu
Jednakże funkcja striosomów, które nie są częścią tych szlaków, pozostała nieznana. Od wielu lat badacze w laboratorium Graybiela próbują rozwiązać tę zagadkę.
Ich poprzednia praca ujawniła, że striosomy otrzymują większość informacji z części mózgu przetwarzających emocje. W obrębie striosomów istnieją dwa główne typy neuronów, sklasyfikowane jako D1 i D2. W badaniu z 2015 roku Graybiel odkrył, że jeden z tych typów komórek, D1, wysyła dane wejściowe do istoty czarnej, która jest głównym ośrodkiem wytwarzającym dopaminę w mózgu.
Prześledzenie wyjścia drugiego zestawu, neuronów D2, zajęło znacznie więcej czasu. W nowym Aktualna biologia W badaniu naukowcy odkryli, że neurony te ostatecznie docierają również do istoty czarnej, ale najpierw łączą się z zestawem neuronów w gałce palladus, która hamuje wytwarzanie dopaminy. Szlak ten, będący pośrednim połączeniem z istotą czarną, zmniejsza wytwarzanie dopaminy w mózgu i hamuje ruch.
Ścieżki i ruch dopaminy
Naukowcy potwierdzili również swoje wcześniejsze odkrycie, że szlak wychodzący ze striosomów D1 łączy się bezpośrednio z istotą czarną, stymulując uwalnianie dopaminy i inicjując ruch.
„W striosomach znaleźliśmy coś, co prawdopodobnie naśladuje klasyczne ścieżki go/no-go” – mówi Graybiel. „Działają jak klasyczne ścieżki motoryczne typu go/no-go, ale nie prowadzą do neuronów wyjściowych motorycznych zwojów podstawnych. Zamiast tego trafiają do komórek dopaminy, które są tak ważne dla ruchu i motywacji.
Przemyślenie klasycznego modelu ruchu
Odkrycia sugerują, że klasyczny model kontroli ruchu przez prążkowie musi zostać zmodyfikowany, aby uwzględnić rolę tych nowo zidentyfikowanych ścieżek. Naukowcy mają teraz nadzieję przetestować swoją hipotezę, że dane wejściowe związane z motywacją i emocjami, które docierają do striosomów z kory i układu limbicznego, wpływają na poziom dopaminy w sposób, który może zachęcać lub zniechęcać do działania.
Uwalnianie dopaminy może być szczególnie istotne w przypadku działań wywołujących niepokój lub stres. W badaniu przeprowadzonym w 2015 roku laboratorium Graybiela wykazało, że striosomy odgrywają kluczową rolę w podejmowaniu decyzji wywołujących wysoki poziom lęku; w szczególności te, które wiążą się z wysokim ryzykiem, ale mogą również przynieść duże korzyści.
„Ann Graybiel i współpracownicy odkryli wcześniej, że striosom bierze udział w hamowaniu neuronów dopaminy. Teraz nieoczekiwanie pokazują, że inny typ neuronu strosomalnego wywiera odwrotny skutek i może sygnalizować nagrodę. Striosomy mogą zatem zarówno zwiększać, jak i zmniejszać aktywność dopaminy, co jest bardzo ważnym odkryciem. Jest oczywiste, że regulacja aktywności dopaminy ma kluczowe znaczenie w naszym codziennym życiu, zarówno w odniesieniu do ruchów, jak i nastroju, do czego przyczyniają się striosomy” – mówi Sten Grillner, profesor neurologii w Instytucie Karolinska w Szwecji, który nie był zaangażowany w badania .
Przyszłe kierunki badań: moduły motoryczne i choroba Parkinsona
Inną możliwością, którą naukowcy planują zbadać, jest to, czy striosomy i komórki macierzy są ułożone w moduły, które wpływają na kontrolę motoryczną określonych części ciała.
„Następnym krokiem jest próba wyizolowania niektórych z tych modułów i poprzez jednoczesną pracę z komórkami należącymi do tego samego modułu, niezależnie od tego, czy znajdują się w matrixie, czy w striosomach, próba określenia, w jaki sposób striosomy modulują podstawową funkcję każdego z tych modułów – mówi Lazaridis.
Mają także nadzieję zbadać, w jaki sposób obwody striosmalne, które rozciągają się do tego samego obszaru mózgu, który jest zniszczony przez chorobę Parkinsona, mogą wpływać na to zaburzenie.
Odniesienie: „Striosomy kontrolują dopaminę poprzez podwójne szlaki równoległe do kanonicznych obwodów zwojów podstawy mózgu” autorstwa Iakovosa Lazaridisa, Jill R. Crittendena, Gun Ahn, Kojiro Hirokane, Iana R. Wickershama, Tomoko Yoshida, Ara Mahar, Vasiliki Skara, Johnny H. Loftus, Krishna Parvataneni, Konstantinos Meletis, Jonathan T. Ting, Emily Hueske, Ayano Matsushima i Ann M. Graybiel, 23 października 2024 r., Aktualna biologia.
DOI: 10.1016/j.cub.2024.09.070
Badania zostały sfinansowane ze środków Narodowe Instytuty ZdrowiaFundacja Saks-Kavanaugh, Fundacja Williama N. i Bernice E. Bumpusów, Jim i Joan Schattinger, Centrum Badań nad Autyzmem Hock E. Tan i K. Lisa Yang, Robert Buxton, Fundacja Simonsa, Fundacja CHDI oraz grant dla młodych badaczy BBRF Ellen Schapiro i Geralda Axelbaumów.
