Tři, dva, jedna, teď: Co se děje v lidském mozku, než odstartujeme?

Ať už jde o čekání na start běžeckého závodu nebo o vyhlížení zelené na semaforu, v obou situacích mozek naše pohyby naplánoval, ale jejich provedení potlačí až do konkrétního pokynu, tedy pokynu ke startu nebo rozsvícení zelené. Nyní vědci objevili mozkovou síť, která mění plány v činy.

Objev publikovaný ve vědeckém časopise Cell je výsledkem spolupráce vědců z floridského Institutu Maxe Plancka pro neurovědu, výzkumného kampusu Janelia společnosti HHMI, Allenova institutu pro vědu o mozku a dalších vědeckých kapacit. Tým vedený Hidehiko Inagakim, Susu Chenovou a hlavním autorem studie Čechem Karlem Svobodou se rozhodl rozklíčovat, jak mohou podněty v našem okolí spustit plánovaný pohyb.

Musí existovat oblasti mozku, které působí jako dirigent. Dirigent zajišťuje, že plány jsou ve správný čas převedeny na činy.

„Mozek je jako orchestr,“ prohlásil doktor Inagaki. „V symfonii hrají nástroje různé melodie s různým tempem a zabarvením. Soubor těchto zvuků tvoří hudební frázi. Podobně jsou aktivní neurony v mozku s různými vzorci a načasováním. Soubor neuronových aktivit zprostředkovává specifické aspekty našeho chování.“

Dirigentské neurony

Například motorická kůra je oblast mozku, která řídí pohyb. Vzorce aktivity v motorické kůře se dramaticky liší mezi fází plánování a provádění pohybu. Přechod mezi těmito vzorci je rozhodující pro spuštění pohybu. Oblasti mozku ovládající tento přechod však doposud nebyly identifikovány.

„Musí existovat oblasti mozku, které působí jako dirigent,“ pokračuje doktor Inagaki v přirovnávání mozku k orchestru. „Takové oblasti monitorují environmentální podněty a organizují neuronální aktivity z jednoho vzoru do druhého. Dirigent zajišťuje, že plány jsou ve správný čas převedeny na činy.“

Jak probíhal samotný experiment? K identifikaci neurálního okruhu, který slouží jako vodič k zahájení plánovaného pohybu, tým zaznamenával aktivitu stovek neuronů, zatímco laboratorní myš prováděla pohybový úkol. Pokud ho zvířata provedla dobře, obdržela odměnu. Mělo to však háček. Zvířata musela svůj pohyb zdržet, dokud nezazněl tón. Odměněny byly pouze správné pohyby po „rozběhu“.

Mezi plánováním a prováděním

Vědci pak korelovali komplexní vzorce neuronální aktivity s relevantními fázemi behaviorálního úkolu. Zjistili, že mozková aktivita nastává bezprostředně po spuštění a během přepínání mezi motorickým plánováním a prováděním úkolu. Tato mozková aktivita vznikla z okruhu neuronů ve středním mozku, thalamu a mozkové kůře.

Aby tým otestoval, zda tento obvod funguje jako vodič, použil optogenetiku. Tento přístup umožnil vědcům aktivovat nebo deaktivovat tento okruh pomocí světla. Aktivace tohoto okruhu během plánovací fáze behaviorálního úkolu přepnula mozkovou aktivitu myši z motorického plánování na provádění úkolu. Vypnutí obvodu naopak pohyb potlačilo a myši zůstaly ve fázi motorického plánování, jako by nedostaly povel.

Studie doktora Inagakiho a jeho kolegů identifikovala nervový okruh kritický pro spouštění pohybu v reakci na podněty okolí. Doktor Inagaki vysvětluje, jak jejich zjištění demonstruje zobecňující rysy kontroly chování. „Našli jsme okruh, který dokáže změnit aktivitu motorické kůry z motorického plánování na provádění ve vhodnou dobu. To nám dává vhled do toho, jak mozek organizuje neuronální aktivitu, aby produkoval komplexní chování. Budoucí práce se zaměří na pochopení toho, jak tento okruh a další okruhy reorganizují neuronovou aktivitu v mnoha oblastech mozku.“

Kromě těchto zásadních pokroků v pochopení toho, jak mozek funguje, má tato studie i důležité klinické důsledky. U motorických poruch, jako je Parkinsonova choroba, mají pacienti potíže s pohybem včetně problémů s chůzí. Přidání podnětů ke spouštění pohybů, jako jsou například čáry na podlaze nebo zvukové tóny, však může výrazně zlepšit pohyblivost pacienta. Tento jev známý jako paradoxní kinezie naznačuje, že pro sebeiniciovaný pohyb a pohyb spouštěný impulzem se v mozku aktivují různé mechanismy. Zkoumání mozkových sítí, jež jsou zapojené do odstartování pohybů spouštěných signálem, které jsou u Parkinsonovy choroby utlumeny, může pomoci optimalizovat léčbu.