Jak mozek počítá: Když dobíháme autobus, kdy a kde máme přesně zastavit?

Jste jen pár bloků od autobusové zastávky, ale dnes máte zpoždění a vidíte, jak přijíždí autobus. Začnete tedy sprintovat. Cílem je dostat se co nejrychleji k autobusu a poté zastavit přesně před dveřmi (které nikdy nezastaví na přesně stejném místě) tak, abyste mohli vstoupit, než se zavřou. Abyste se zastavili dostatečně rychle a přesně, mozek podle vědců z Massachusettského technologického institutu (MIT) efektivně implementuje racionální matematické principy.

Mohlo by se zdát, že prudce po sprintu zastavit je jednoduché, ve skutečnosti to však je poměrně složitý proces. Podle Mriganky Sura, profesora neurovědy v Picowerově institutu pro učení a paměť na MIT, vychází rozhodnutí o změně stávající činnosti (běh) k jinému (zastavit) ze šedé kůry mozkové, kde se naučená pravidla integrují se smyslovými informacemi.

Kde se asi tak zastavit?

Základní úkol, který mozek řeší, vypadá jednoduše: Kde se mám zastavit, abych dokázal naskočit do autobusu? A tam se to také komplikuje. Matematické modely chování předpovídají, že signál „stop“ směřující z mozkové kůry přímo do oblastí v mozkovém kmeni, který ovládá nohy, by byl zpracován příliš pomalu.

Jak tedy mozek proces urychlí? Vědci zjistili, že mozková kůra vysílá signál do tzv. subthalamického jádra, ze kterého poté putuje po dvou na sobě nezávislých cestách, aby se oba signály později znovu setkaly v mozkovém kmeni.

Studie poskytují cenné informace o způsobu, jakým mozková kůra a hlubší oblasti mozku ovládají motorické chování. Hledají se způsoby, jak tyto procesy ovlivnit.

Proč? Protože jejich rozdílná povaha (jeden inhibiční a jeden excitační) mění povahu jejich zpracování z integrace, což je relativně pomalé sčítání vstupů, k diferenciaci, což je přímé rozpoznání změny. A tato změna umožňuje mnohem rychlejší implementaci signálu k zastavení.

Dokážeme ovlivnit lidské chování?

Přesně to předpovídal matematický model vyvinutý Elie Adamem, doktorandem na Massachusettském technologickém institutu (MIT). Jeho správnost však bylo nutno potvrdit, a proto byla provedena studie na myších, která ukázala, že k nárůstu nervové aktivity v jejich mozkové kůře a následné aktivaci subthalamického jádra dochází výhradně tehdy, když se potřebují zastavit na konkrétním bodě. Umělé potlačení dráhy z mozkové kůry do subthalamického jádra navíc způsobilo, že myši o něco častěji orientační bod překračovaly.

V nedávné studii vědci z Picower Institute vytvořili nový model toho, jak hluboká mozková stimulace v subthalamickém jádru rychle napravuje motorické potíže, které jsou důsledkem Parkinsonovy choroby. A v roce 2021 zveřejnil tým Mriganky Sura také studii, která ukazuje, jak mozková kůra potlačuje hlouběji zakořeněné reflexy mozku ve vizuálně řízených motorických úkolech.

Všechny tyto výzkumy přispívají k pochopení toho, jak může mozková kůra vědomě ovládat instinktivní motorické chování, ale také to, jak důležité jsou pro rychlou implementaci cíleného chování hlubší oblasti mozku, jako je subthalamické jádro. Jsme tedy opět o krok blíže například k léčbě některých chorob nebo k účinné prevenci recidivy trestné činnosti?