Jako ludzie nie mamy wibrysów, ale badania nad ich funkcjonowaniem i reprezentacją w mózgu szczurów pomaga zrozumieć uniwersalne mechanizmy kontroli ruchu, hamowania i wzbudzania.

Gdzie się zaczyna ruch?

Co badania prowadzone nad zwierzętami mogą ukazać nam na temat nas samych? Czyli tym razem coś niecoś o neurologii nie ludzi, a szczurów.

Zanim wykonamy jakikolwiek świadomy ruch – ręką, nogą czy małym palcem – najpierw zadziałać musi „góra” - czyli kora ruchowa, zwana również motoryczną. Impulsy, powstałe w korze ruchowej w odpowiedzi na zamiar wykonaniu ruchu, przewodzone są w dół długimi aksonami. Kończą się one:

• w jądrach nerwów czaszkowych (dla ruchów obejmujących mięśnie twarzy oraz szyi),
• w rogach przednich rdzenia kręgowego (włókna ośrodkowe przewodzące impulsy do pozostałych mięśni szkieletowych naszego ciała).

Na pewnym etapie swojej trasy, włókna te ulegają skrzyżowaniu – aksony z prawej strony przechodzą na lewą i vice versa; stąd bierze się zasada „prawa półkula mózgowa unerwia lewą połowę ciała”. Dalej aksony biegnące z kory ruchowej za pomocą synapsy przekazują swój impuls na neurony obwodowe. Te z kolei przewodzą go aż do odpowiednich mięśni, wzniecając ich skurcz. Finalnym efektem jest wykonanie zamierzonego ruchu. Skracając cały proces, można powiedzieć, że wzbudzenie aktywności w korze ruchowej przekłada się na ruch. Jednak ostatnio zespół berlińskich naukowców doniósł o zaobserwowaniu u badanych szczurów obszaru kory ruchowej o zgoła odmiennym mechanizmie działania.

Szczury i ich wąsy

Dla większości ssaków wibrysy – gruby, sztywny rodzaj wyspecjalizowanych włosów, o bogatym unerwieniu i unaczynieniu – stanowią ważny organ dotyku. Z ich pomocą zwierzę bada nieznane obiekty oraz zbiera informacje o swoim otoczeniu. Pełnią one nawet funkcje społeczne, uczestnicząc w rozpoznawaniu oraz witaniu się osobników. Poza obszerną reprezentacją w obszarze kory sensorycznej, co dobitnie wskazuje na ich wagę dla percepcji środowiska, wibrysy posiadają również przyporządkowany sobie obszar w korze ruchowej (ang. vibrissa motor cortex, VMC).

 Wibrysy mają własny obszar kory mózgowej – ale jak on działa?

Szczurza VMC stanowi stosunkowo spory fragment kory motorycznej, jednak dotychczasowe badania w tym zakresie wykazywały raczej słabą zależność między jej aktywacją a samym ruchem wibrysów. Spostrzeżenie to odbiega od zazwyczaj obserwowanych powiązań między korą motoryczną a ruchem. Doniesienia te przykuły uwagę berlińskich badaczy, którzy postanowili wyjaśnić powiązanie między VMC a ruchem wibrysów.

Wspaniałe wibrysy

Gdy zwierzę napotyka interesujący je obiekt, wysuwa wibrysy do przodu, umożliwiając ich kontakt z badaną powierzchnią, a za pomocą ich drgań, zbiera informacje o jej strukturze. Zespół obserwował ruch wibrysów w trzech sytuacjach, spontanicznie inicjowanych przez szczury w naturze i o ogromnym znaczeniu dla zwierząt:

• „wąchania w powietrzu”,
• badania obiektów
• oraz dotyku między dwoma szczurami.

Szczególną uwagę poświęcono sile poruszania się włosów oraz kątowi ich wychylenia. Jednocześnie, za pomocą specjalnych elektrod, nagrano aktywność pojedynczych komórek jednej z warstw kory ruchowej obszaru VMC.

Ruch wąsów – aktywność kory spada

Według klasycznego modelu, impuls w korze ruchowej = ruch. Zebrane od szczurów dane ukazały coś, czego nie spodziewał się chyba żaden z biorących udział w eksperymencie badaczy – w momencie ruchu aktywność VMC podlegała... zahamowaniu.

Za podstawową aktywność komórek VMC, którą następnie użyto jako bazę dla analiz, przyjęto aktywność w momencie, kiedy szczury znajdowały się w stanie relaksu, a ich wibrysy swobodnie spoczywały wzdłuż pyszczka. Po zainicjowaniu przez szczura jednej z wymienionych wyżej aktywności, w których istotną rolę ogrywają wibrysy, wśród neuronów zarejestrowano wszystkie trzy typy reakcji:

• niektóre neurony w ogóle nie zmieniły swojej aktywności, bez względu na stan czynności wibrysów,
• część komórek wykazała wzrost częstotliwości impulsacji,
• część wykazała spadek.

Zdecydowana przewaga leży po stronie tej ostatniej grupy. W czasie kiedy szczury „wąchały w powietrzu”, spadek aktywności oznaczono aż w 80% komórek z tych, w których zaobserwowano istotne zmiany w częstotliwości impulsacji (tj. jej zwiększenie lub zmniejszenie). Dodatkowo największą różnicę w liczbie wyładowań, w porównaniu do stanu spoczynku wibrysów, zademonstrowały właśnie te neurony, w których liczba impulsów uległa zmniejszeniu.

Hiperpolaryzacja – na dalszą aktywność trzeba poczekać.

Najwyraźniej więc ruch wibrysów, zamiast łączyć się ze zwiększoną impulsacją kory ruchowej, jak można by się tego spodziewać, wiąże się ze spadkiem pobudliwości neuronów. W odpowiedzi na aktywność wibrysów następuje hiperpolaryzacja błony komórkowej neuronów. Czyni to wzbudzenie aktywności elektrycznej komórek nerwowych tego obszaru znacznie trudniejszym do osiągnięcia. Podobne wyniki zaobserwowano, gdy szczury badały obiekty za pomocą wibrysów oraz w czasie dotykania pyszczkiem innych osobników. Spadkiem częstości impulsacji zareagowało odpowiednio 88% i 78% komórek wykazujących istotną zmianę aktywności. Tak jak poprzednio, także w tych dwóch sytuacjach, spadek aktywności neuronów był wyrażony silniej niż wzrost częstości impulsów.

Stymulacja kory – spoczynek wibrysów po przeciwnej stronie

Wiedząc już, jak bodźce płynące z wibrysów wpływają na VMC, w kolejnym etapie naukowcy chcieli zbadać zależności zachodzące w odwrotnym kierunku. Za pomocą technik mikrostymulacyjnych pobudzili neurony VMC jednej z półkul, obserwując zachowanie wibrysów. W reakcji na impulsację płynącą z kory ruchowej, wibrysy po stronie przeciwnej do stymulowanej półkuli (zgodnie z zasadą wynikającą ze skrzyżowania włókien nerwowych) cofnęły się do pozycji spoczynkowej! Analogicznie, zablokowanie przewodzenia impulsów z kory przy pomocy lidokainy – środka, który dzięki swojej zdolności do hamowania przepływu sygnałów nerwowych, jest powszechnie stosowany do znieczuleń – skutkowało zwiększeniem siły oraz amplitudy drgań wibrysów strony przeciwnej. Wszystko wskazuje więc na to, że rolą VMC jest w istocie zahamowanie ruchu.

Niezbędne hamowanie

Hamujący wpływ kory na kontrolę zachowań nie jest w neurologii pojęciem zupełnie obcym – powszechnie znane są obserwacje dotyczące zaburzeń w przestrzeganiu norm społecznych w przebiegu otępienia czołowego czy u pacjentów po udarach płata czołowego.

Oczywiście jest to pewne uproszczenie, zaś sama rzeczywistość jest nieco bardziej skomplikowana – pamiętajmy, że nie wszystkie neurony VMC reagowały spadkiem impulsacji. Jednak doniesienie berlińskiego zespołu obrazuje fascynujący element funkcjonowania kory ruchowej oraz jej złożonej roli w kontrolowaniu motoryki.

Bibliografia:

Ebbesen, C.L., Doron, G., Lenschow, C., Brecht, M. (2017). Vibrissa motor cortex activity suppresses contralateral whisking behavior. Nature Neuroscience 20, 82-89, Doi:10.1038/nn.4437

Gołąb, B.K., (2014). Anatomia czynnościowa ośrodkowego układu nerwowego. Warszawa: PZWL