Sprinten en dan stoppen? Hersenen zijn bedraad voor de wiskunde om het te laten gebeuren

Overzicht: De hersenen implementeren van nature de principes van calculus en geïntegreerde geleerde levensregels met sensorische informatie om motorische plannen en acties te sturen.

Bron: Picower Instituut voor Leren en Geheugen

Je nieuwe appartement is slechts een paar blokken verderop in de straat van de bushalte, maar vandaag ben je te laat en zie je de bus langs je rollen. Je breekt in een volledige sprint. Je doel is om zo snel mogelijk bij de bus te komen en dan precies voor de deuren (die nooit op exact dezelfde plek langs de stoep staan) te stoppen om naar binnen te gaan voordat ze sluiten. Om snel en precies genoeg te stoppen, ontdekte een nieuwe MIT-studie bij muizen, is het brein van zoogdieren handig bedraad om principes van calculus te implementeren.

Je zou kunnen denken dat het tot stilstand komen bij een doelwit na een volledige run net zo eenvoudig zou zijn als een reflex, maar een bus pakken of recht naar een visueel aangegeven oriëntatiepunt rennen om een ​​waterbeloning te verdienen (zoals de muizen deden), is een aangeleerde, visueel geleide, doelgerichte prestatie.

Bij dergelijke taken, die een groot belang zijn in het laboratorium van senior auteur Mriganka Sur, Newton Professor of Neuroscience in The Picower Institute for Learning and Memory aan het MIT, komt de cruciale beslissing om van het ene gedrag (rennen) naar het andere (stoppen) over te schakelen vanuit de hersenschors, waar de hersenen de geleerde levensregels integreren met zintuiglijke informatie om plannen en acties te sturen.

“Het doel is waar de cortex binnenkomt”, zegt Sur, een faculteitslid van het MIT’s Department of Brain and Cognitive Sciences. “Waar moet ik stoppen om dit doel te bereiken om op de bus te stappen.”

En daar wordt het ook ingewikkeld. De wiskundige modellen van het gedrag dat postdoc en hoofdauteur Elie Adam ontwikkelde, voorspelden dat een “stop”-signaal dat rechtstreeks van het M2-gebied van de cortex naar gebieden in de hersenstam gaat, die de benen daadwerkelijk aansturen, te langzaam zou worden verwerkt.

“Je hebt M2 die een stopsignaal uitzendt, maar als je het modelleert en de wiskunde doorloopt, merk je dat dit signaal op zichzelf niet snel genoeg zou zijn om het dier op tijd te laten stoppen”, zei Adam, wiens werk verschijnt in het journaal Mobiele rapporten.

Dus hoe versnellen de hersenen het proces? Wat Adam, Sur en co-auteur Taylor Johns ontdekten, was dat M2 het signaal stuurt naar een tussengebied genaamd de subthalamische kern (STN), die vervolgens twee signalen uitzendt langs twee afzonderlijke paden die opnieuw samenkomen in de hersenstam.

Waarom? Omdat het verschil dat gemaakt wordt door die twee signalen, de een remmend en de ander prikkelend, die de een na de ander arriveren, het probleem van integratie, wat een relatief langzame optelling van inputs is, verandert in differentiatie, wat een directe herkenning van verandering is. De verschuiving in calculus implementeert het stopsignaal veel sneller.

Adams model, dat gebruikmaakte van systemen en regeltheorie uit de techniek, voorspelde – nauwkeurig – de snelheid die nodig was voor een goede stop en dat differentiatie nodig zou zijn om dit te bereiken, maar er was een reeks anatomische onderzoeken en experimentele manipulaties nodig om de voorspellingen van het model te bevestigen.

Ten eerste bevestigde Adam dat M2 inderdaad alleen een toename van neurale activiteit produceerde wanneer de muizen hun getrainde doel moesten bereiken om bij het oriëntatiepunt te stoppen. Hij liet ook zien dat het de resulterende signalen naar de STN stuurde. Andere haltes om andere redenen maakten geen gebruik van dat pad. Bovendien dwong het kunstmatig activeren van de M2-STN-route de muizen om te stoppen en het kunstmatig remmen ervan zorgde ervoor dat muizen het oriëntatiepunt iets vaker overschreden.

Rode (“mCherry”) kleuring markeert axonale projecties van de motorische cortex M2. Van bijzonder belang zijn degenen die leiden naar de subthalamische kern (STN). Krediet: Elie Adam/MIT Picower Institute

De STN moest toen zeker de hersenstam signaleren, met name de pedunculopontine-kern (PPN) in het mesenecephalische locomotorische gebied. Maar toen de wetenschappers keken naar neurale activiteit die begon in de M2 ​​en vervolgens snel resulteerde in de PPN, zagen ze dat verschillende soorten cellen in de PPN met verschillende timing reageerden. Vooral vóór de stop waren exciterende cellen actief en hun activiteit weerspiegelde de snelheid van het dier tijdens stops.

Toen ze naar de STN keken, zagen ze twee soorten activiteitspieken rond stops – de ene iets langzamer dan de andere – die ofwel rechtstreeks naar PPN werden overgebracht door excitatie of indirect via de substantia nigra pars reticulata (SNr) door remming. Het netto resultaat van het samenspel van deze signalen in de PPN was een door excitatie verscherpte inhibitie. Die plotselinge verandering kon snel worden gevonden door differentiatie naar het implementeren van stoppen.

“Een remmende golf gevolgd door excitatie kan een scherpe [change of] signaal,” zei On.

Het onderzoek sluit aan bij andere recente artikelen. In samenwerking met Emery N. Brown, onderzoeker van het Picower Institute, heeft Adam onlangs een nieuw model gemaakt van hoe diepe hersenstimulatie in de STN snel motorische problemen corrigeert die het gevolg zijn van de ziekte van Parkinson. En vorig jaar publiceerden leden van Sur’s lab, waaronder Adam, een studie die aantoont hoe de cortex de dieper ingesleten reflexen van de hersenen bij visueel geleide motorische taken opheft.

Samen dragen dergelijke onderzoeken bij aan het begrijpen hoe de cortex instinctief bedraad motorisch gedrag bewust kan controleren, maar ook hoe belangrijk diepere gebieden, zoals de STN, zijn om snel doelgericht gedrag te implementeren. Een recente review van het lab legt dit uit.

Adam speculeerde dat het “hyperdirecte pad” van cortex-naar-STN-communicatie een bredere rol kan hebben dan het snel stoppen van actie, en mogelijk verder gaat dan motorische controle naar andere hersenfuncties zoals onderbrekingen en schakelaars in denken of stemming.

Financiering: De JPB Foundation, de National Institutes of Health en het Simons Foundation Autism Research Initiative financierden het onderzoek.

Zie ook

Dit toont een kosmonaut/astronautenhelm

Over deze beweging, wiskunde en neurowetenschappelijk onderzoeksnieuws

Auteur: David Orenstein
Bron: Picower Instituut voor Leren en Geheugen
Contact: David Orenstein – Picower Instituut voor Leren en Geheugen
Afbeelding: De afbeelding wordt toegeschreven aan Elie Adam/MIT Picower Institute

Originele onderzoek: Vrije toegang.
“Dynamische controle van visueel geleide voortbeweging door cortico-subthalamische projecties” door Mriganka Sur et al. Mobiele rapporten


Abstract

Dynamische controle van visueel geleide voortbeweging door cortico-subthalamische projecties

Hoogtepunten

  • We hebben een visueel geleide voortbewegingstaak ontwikkeld om stopsignalering te bestuderen
  • M2-STN-projectie zendt een stopsignaal uit op visueel geleide voortbewegingsstops
  • M2-STN-activiteit regelt bidirectioneel visueel geleide voortbewegingsstops
  • M2-STN-routes naar MLR/PPN voeren differentiatie uit voor snelle motoriekcontrole

Overzicht

Doelgerichte voortbeweging vereist controlesignalen die zich voortplanten vanuit gebieden van hogere orde om spinale mechanismen te reguleren. De corticosubthalamische hyperdirecte route biedt een korte route voor corticale informatie om bewegingscentra in de hersenstam te bereiken.

We ontwikkelden een taak waarin muizen met een hoofd vast naar een visueel oriëntatiepunt rennen en dan stoppen en wachten om de beloning te verzamelen en de rol onderzochten van secundaire motorische cortex (M2) projecties naar de subthalamische kern (STN) bij het beheersen van de voortbeweging.

Onze resultaten van gedragsmodellering, calciumbeeldvorming en optogenetica-manipulatie suggereren dat de M2-STN-route kan worden gerekruteerd tijdens visueel geleide voortbeweging om snel en nauwkeurig de pedunculopontine-kern (PPN) van het mesencefalische bewegingsgebied door de basale ganglia te regelen.

Door de fysiologische dynamiek vast te leggen via een feedbackcontrolemodel en neuronale signalen in M2, PPN en STN te analyseren, ontdekken we dat de corticosubthalamische projecties mogelijk de PPN-activiteit regelen door een M2-foutsignaal te differentiëren om een ​​snelle input-outputdynamiek te garanderen.

Leave a Comment