Понедельник, 4 марта, 2024
ДомойНаукаУченые открыли способ манипулировать восприятием времени мозгом

Ученые открыли способ манипулировать восприятием времени мозгом

- Advertisement -

 

Учебная лаборатория Champalimaud Research представила убедительные доказательства того, как внутренний часовой механизм мозга управляет поведением. Их исследование манипулировало моделями нервной активности у крыс, искажая их восприятие продолжительности времени. Это исследование не только бросает вызов традиционному пониманию измерения времени, но также имеет потенциальные терапевтические последствия для таких заболеваний, как болезни Паркинсона и Хантингтона, а также для робототехники и алгоритмов обучения.

Учебная лаборатория исследовательского центра Champalimaud Research открыла способ манипулировать восприятием времени мозгом, контролируя нейронную активность у крыс. Их исследования, которые потенциально могут применяться для лечения таких заболеваний, как болезни Паркинсона и Хантингтона, также могут повлиять на области робототехники и алгоритмов обучения.

От размышлений Аристотеля о природе времени до теории относительности Эйнштейна человечество долго размышляло: как мы воспринимаем и понимаем время? Теория относительности утверждает, что время может растягиваться и сжиматься — явление, известное как замедление времени. Точно так же, как космос искажает время, наши нейронные цепи могут растягивать и сжимать наше субъективное восприятие времени. Как однажды заметил Эйнштейн: «Положите руку на горячую плиту на минуту, и вам покажется, что прошел час. Посидеть с хорошенькой девушкой час, а кажется, что минута».

В новой работе исследовательской лаборатории Champalimaud Research, опубликованной в журнале Nature Neuroscience, ученые искусственно замедляли или ускоряли паттерны нейронной активности у крыс, искажая их суждения о продолжительности времени и предоставляя наиболее убедительные до сих пор причинно-следственные доказательства того, как работает мозг. внутренний часовой механизм управляет поведением.

В отличие от более привычных циркадных часов, которые управляют нашими 24-часовыми биологическими ритмами и формируют нашу повседневную жизнь, от циклов сна и бодрствования до обмена веществ, гораздо меньше известно о том, как тело измеряет время в масштабе от секунд до минут. Исследование было сосредоточено именно на этой временной шкале от секунд до минут, на которой разворачивается большая часть нашего поведения, будь то ожидание на светофоре или подача теннисного мяча.

Гипотеза демографических часов

В отличие от точного тиканья компьютерных централизованных часов, наш мозг сохраняет децентрализованное и гибкое чувство времени, которое, как считается, формируется динамикой нейронных сетей, разбросанных по всему мозгу. В этой гипотезе «популяционных часов» наш мозг отсчитывает время, полагаясь на последовательные паттерны активности, возникающие в группах нейронов во время поведения.

Джо Патон, старший автор исследования, сравнивает это с броском камня в пруд. «Каждый раз, когда камень падает, он создает рябь, которая расходится по поверхности повторяющимся узором. Изучая узоры и положение этой ряби, можно сделать вывод, когда и где камень упал в воду».

«Подобно тому, как скорость движения ряби может варьироваться, скорость, с которой эти паттерны активности развиваются в нейронных популяциях, также может меняться. Наша лаборатория была одной из первых, кто продемонстрировал тесную взаимосвязь между тем, насколько быстро или медленно развиваются эти нейронные «ряби», и решениями, зависящими от времени».

Исследователи научили крыс различать разные промежутки времени. Они обнаружили, что активность в стриатуме, глубокой области мозга, следует предсказуемым закономерностям, которые меняются с разной скоростью: когда животные сообщают, что данный временной интервал длиннее, активность развивается быстрее, а когда они сообщают, что он короче, активность развивается медленнее. .

Однако корреляция не означает причинно-следственной связи. «Мы хотели проверить, коррелирует ли изменчивость скорости динамики полосатых популяций с временным поведением или напрямую регулирует его. Для этого нам нужен был способ экспериментального манипулирования этой динамикой, поскольку животные сообщали о суждениях о времени».

Распутывание времени с температурой

«Никогда не выбрасывайте старые инструменты, — улыбается Тьяго Монтейро, один из ведущих авторов исследования. Чтобы установить причинно-следственную связь, команда обратилась к методу старой школы в наборе инструментов нейробиолога: к температуре. «Температура использовалась в предыдущих исследованиях для управления временной динамикой поведения, такого как пение птиц. Охлаждение определенной области мозга замедляет воспроизведение песни, а разогрев ускоряет ее, не изменяя ее структуры. Это похоже на изменение темпа музыкального произведения без изменения самих нот. Мы думали, что температура может быть идеальной, поскольку она потенциально позволит нам изменить скорость нейронной динамики, не нарушая ее структуру».

Чтобы протестировать этот инструмент на крысах, они разработали специальное термоэлектрическое устройство для локального нагрева или охлаждения полосатого тела, одновременно регистрируя нейронную активность. В этих экспериментах крыс анестезировали, поэтому исследователи использовали оптогенетику — метод, который использует свет для стимуляции определенных клеток — для создания волн активности в спящем полосатом теле, что очень похоже на бросок камня в пруд. Как отмечает соавтор Маргарида Пексирра, «мы старались не слишком сильно охлаждать область, так как это могло бы остановить деятельность или слишком сильно нагреть ее, рискуя нанести необратимый ущерб». Они обнаружили, что охлаждение действительно расширяет паттерн активности, а нагревание сужает его, не нарушая самого паттерна.

«Затем температура дала нам ручку, с помощью которой можно растягивать или сокращать нейронную активность во времени, поэтому мы применили эту манипуляцию в контексте поведения», — говорит Филипе Родригес, еще один ведущий автор исследования. «Мы обучали животных сообщать, был ли интервал между двумя тонами короче или длиннее 1,5 секунды. Когда мы охлаждали полосатое тело, они с большей вероятностью говорили, что данный интервал был коротким. Когда мы его разогрели, они чаще говорили, что он длинный». Например, нагрев полосатого тела ускорил динамику популяции полосатого тела, подобно ускорению движения стрелок часов, в результате чего крысы оценили данный временной интервал как более длинный, чем он был на самом деле.

Две мозговые системы для управления двигателем

«Удивительно, — добавляет Патон, — хотя полосатое тело координирует двигательный контроль, замедление или ускорение его паттернов активности не приводит к соответственному замедлению или ускорению движений животных в задании. Это заставило нас глубже задуматься о природе контроля поведения в целом. Даже самые простые организмы сталкиваются с двумя фундаментальными проблемами, когда дело доходит до управления движением. Во-первых, им приходится выбирать из различных возможных действий — например, двигаться вперед или назад. Во-вторых, после того, как они выбрали действие, они должны иметь возможность постоянно корректировать и контролировать его, чтобы обеспечить его эффективное выполнение. Эти основные проблемы применимы ко всем видам организмов, от червей до человека».

Выводы группы показывают, что полосатое тело имеет решающее значение для решения первой задачи — определения «что» делать и «когда» — в то время как вторая проблема «как» контролировать продолжающееся движение остается на усмотрение других структур мозга. В отдельном исследовании команда сейчас изучает мозжечок, в котором находится более половины нейронов мозга и который связан с непрерывным, ежеминутным выполнением наших действий. «Интересно, — рассказывает Патон, — наши предварительные данные показывают, что применение температурных манипуляций к мозжечку, в отличие от полосатого тела, действительно влияет на непрерывный контроль движений».

Как отмечает Патон, «вы можете видеть это разделение труда между двумя системами мозга при двигательных расстройствах, таких как болезнь Паркинсона и мозжечковая атаксия».

Болезнь Паркинсона, заболевание, поражающее полосатое тело, часто препятствует способности пациентов самостоятельно инициировать двигательные планы, такие как ходьба. Тем не менее, предоставление сенсорных сигналов, таких как линии ленты на земле, может облегчить ходьбу. Эти сигналы, вероятно, задействуют другие области мозга, такие как мозжечок и кора, которые все еще не повреждены и могут эффективно управлять непрерывным движением. Напротив, у пациентов с повреждением мозжечка возникают трудности с выполнением плавных и скоординированных движений, но не обязательно с инициацией или переходом между движениями.

Последствия и будущие направления

Предоставляя новое понимание причинно-следственной связи между нейронной активностью и функцией синхронизации, результаты команды могут способствовать разработке новых терапевтических целей для изнурительных заболеваний, таких как болезни Паркинсона и Хантингтона, которые включают симптомы, связанные со временем, и скомпрометированное полосатое тело. Кроме того, подчеркивая более конкретную роль полосатого тела в дискретном, а не в непрерывном управлении двигателем, результаты также могут повлиять на алгоритмические основы, используемые в робототехнике и обучении.

«По иронии судьбы, для статьи о времени это исследование готовилось годами», — отмечает Монтейро. — Но есть еще много тайн, которые нужно разгадать. Какие мозговые цепи в первую очередь создают эти хронометрирующие пульсации активности? Какие вычисления, кроме сохранения времени, могут выполнять такие пульсации? Как они помогают нам адаптироваться и разумно реагировать на окружающую среду? Чтобы ответить на эти вопросы, нам понадобится больше того, что мы изучали… время».

Ссылка: «Использование температуры для анализа нейронной основы решения, основанного на времени», Тьяго Монтейру, Фелипе С. Родригес, Маргарида Пексирра, Бруно Ф. Крус, Ана И. Гонсалвеш, Павел Э. Руэда-Ороско и Джозеф Дж. Патон. , 13 июля 2023 г., Nature Neuroscience .
DOI: 10.1038/s41593-023-01378-5

- Advertisement -

Популярное по теме