Bilo da se radi o sviranju klavirske sonate ili igranju teniskog servisa, mozak treba da orkestrira preciznu, koordiniranu kontrolu nad mnogim mišićima tijela. Štaviše, mora postojati neka vrsta povratne informacije od osjetila ako bilo koji od tih pokreta pođe po zlu. Neuroni koji koordiniraju te pokrete, poznati kao Purkinje ćelije, i oni koji daju povratnu informaciju kada dođe do greške ili neočekivanog osjećaja, poznati kao penjajuća vlakna, rade u bliskom dogovoru kako bi fino podesili motoričku kontrolu..
Tim istraživača sa Univerziteta Pensilvanije i Univerziteta Princeton je sada počeo da razotkriva višedecenijski paradoks o tome kako funkcioniše ovaj sistem povratnih informacija.
U srcu ove slagalice je činjenica da dok penjajuća vlakna šalju signale Purkinje ćelijama kada postoji greška koju treba prijaviti, ona se takođe spontano aktiviraju, otprilike jednom u sekundi. Činilo se da nije postojao nikakav mehanizam pomoću kojeg bi pojedinačne Purkinje ćelije mogle otkriti legitiman signal greške unutar ove zaglušujuće buke nasumične paljbe.
Koristeći tehniku mikroskopije koja je omogućila istraživačima da direktno vizualiziraju hemijsku signalizaciju koja se javlja između penjajućih vlakana i Purkinje ćelija živih, aktivnih miševa, Penn tim je po prvi put pokazao da postoji mjerljiva razlika između " istiniti" i "lažni" signali.
Ovo znanje će biti fundamentalno za buduća proučavanja kontrole fine motorike, posebno u pogledu toga kako se pokreti mogu poboljšati vježbom.
Istraživanje su proveli Javier Medina, docent na Odsjeku za psihologiju na Penn's School of Arts and Sciences, i Farzaneh Najafi, diplomirani student na Odsjeku za biologiju. Sarađivali su sa postdoktorandom Andreom Giovannuccijem i vanrednim profesorom Samuelom S. H. Wangom sa Univerziteta Princeton.
Objavljeno je u časopisu Cell Reports.
Mali mozak je jedan od centara za kontrolu motora mozga. Sadrži hiljade Purkinjeovih ćelija, od kojih svaka prikuplja informacije iz drugih dijelova mozga i usmjerava ih do motornih neurona koji pokreću mišiće. Svaka Purkinjeova ćelija prima poruke od penjajućeg vlakna, vrste neurona koji se proteže od moždanog stabla i šalje povratne informacije o povezanim mišićima.
"Međutim, vlakna za penjanje nisu samo senzorni neuroni", rekla je Medina. "Ono što čini penjanje zanimljivim je to što oni ne kažu samo: 'Nešto mi je dotaklo lice'; Oni kažu: 'Nešto mi je dotaklo lice kada nisam očekivao'. To je nešto što naš mozak radi stalno, što objašnjava zašto se ne možete golicati. Postoji dio vašeg mozga koji već očekuje osjećaj koji će proizaći iz pomicanja prstiju. Ali ako to učini neko drugi, mozak to ne može predvidjeti na isti način i upravo ta neočekivanost dovodi do osjećaja škakljanja."
Ne samo da sistem povratne sprege penjajućih vlakana za neočekivane senzacije služi kao upozorenje na potencijalnu opasnost - nestabilno uporište, nevidljivi grabežljivac koji prolazi pored njega - on pomaže mozgu da se poboljša kada planirana akcija ne ide po planu.
"Osjećaj mišića koji se ne pomiče na način na koji ih Purkinje ćelije usmjeravaju također se smatra neočekivanim, zbog čega neki ljudi penjajuća vlakna nazivaju "ćelijama greške"," rekla je Medina. "Kada pokvarite svoju tenisku ljuljačku, oni Purkinje ćelijama govore: 'Stanite! Promijenite se! To što radite nije u redu!' Tamo vam pomažu da naučite kako da ispravite svoje pokrete.
"Kada Purkinje ćelije dobiju ove signale od penjućih vlakana, one se mijenjaju dodavanjem ili podešavanjem snage veza koje dolaze iz ostatka mozga do njihovih dendrita. A pošto su Purkinjeove ćelije tako blisko povezane sa motoričkim neuronima, promene u tim sinapsama će rezultirati promenama u pokretima koje Purkinjeova ćelija kontroliše."
Ovo je fenomen poznat kao neuroplastičnost i od suštinskog je značaja za učenje novih ponašanja ili njihovo poboljšanje. Da se novi neuronski putevi formiraju kao odgovor na signale greške iz vlakana koja se penju, omogućavaju malom mozgu da šalje bolje upute motornim neuronima sljedeći put kada se pokuša ista akcija.
Paradoks sa kojim su se suočili neuronaučnici je da se ova penjajuća vlakna, kao i mnogi drugi neuroni, spontano aktiviraju. Otprilike jednom svake sekunde, oni šalju signal svojoj odgovarajućoj Purkinje ćeliji, bez obzira da li je bilo neočekivanih stimulansa ili grešaka koje treba prijaviti.
"Dakle, ako ste Purkinjeova ćelija," rekla je Medina, "kako ćete ikada razlikovati signale koji su spontani, što znači da ne morate ništa mijenjati, i onih koji zaista trebaju na koje treba obratiti pažnju?"
Medina i njegove kolege osmislili su eksperiment kako bi provjerili postoji li mjerljiva razlika između legitimnih i spontanih signala iz vlakana za penjanje. U svojoj studiji, istraživači su imali miševe da hodaju po trakama za trčanje dok su im glave bile nepokretne. Ovo je omogućilo istraživačima da ispuhuju nasumične zrake u njihova lica, uzrokujući da trepću, i da koriste tehniku neinvazivne mikroskopije da vide kako relevantne Purkinje ćelije reaguju.
Tehnika, dvofotonska mikroskopija, koristi infracrveni laser i reflektirajuću boju za gledanje duboko u živo tkivo, pružajući informacije i o strukturi i o hemijskom sastavu. Neuralni signali se prenose unutar neurona promjenom koncentracije kalcija, pa su istraživači koristili ovu tehniku za mjerenje količine kalcija sadržanog u Purkinje ćelijama u realnom vremenu.
Budući da su nasumični udisaji vazduha bili neočekivani stimulansi za miševe, istraživači su mogli direktno da uporede razlike između legitimnih i spontanih signala u Purkinje ćelijama vezanim za kapke zbog kojih su miševi treptali.
"Ono što smo otkrili je da se Purkinjeova ćelija puni više kalcijuma kada njeno odgovarajuće vlakno za penjanje šalje signal povezan sa tom vrstom senzornog unosa, a ne spontanim", rekao je Medina. "Ovo je bilo pomalo iznenađenje za nas jer se na vlakna za penjanje već više od 50 godina mislilo kao na 'sve ili ništa'."
Mehanizam koji omogućava pojedinačnim Purkinje ćelijama da razlikuju dvije vrste signala penjajućih vlakana je otvoreno pitanje. Ovi signali dolaze u naletima, tako da broj i razmak električnih impulsa od penjajućeg vlakna do Purkinje ćelije može biti značajan. Medina i njegove kolege takođe sumnjaju da je u igri još jedan mehanizam: Purkinje ćelije mogu drugačije reagovati kada je signal iz vlakna koji se penje sinhronizovan sa signalima koji dolaze iz mozga iz drugih mesta.
Bilo da je jedno ili oba ova objašnjenja potvrđena, činjenica da su pojedinačne Purkinje ćelije u stanju da razlikuju kada njihovi odgovarajući mišićni neuroni naiđu na grešku mora se uzeti u obzir u budućim studijama kontrole fine motorike. Ovo razumijevanje bi moglo dovesti do novih istraživanja osnova neuroplastičnosti i učenja.
"Nešto što bi bilo veoma korisno za mozak je da ima informacije ne samo o tome da li je došlo do greške već i o tome koliko je greška bila velika - da li Purkinjeova ćelija treba da izvrši manje ili veće prilagođavanje", rekao je Medina. "Čini se da je takva vrsta informacija neophodna za nas da postanemo veoma dobri u bilo kojoj vrsti aktivnosti koja zahtijeva preciznu kontrolu. Možda signali vlakana za penjanje nisu tako 'sve ili ništa' kao što smo svi mislili i mogu pružiti takvu vrstu ocijenjene informacije"
