Как ритмичные нейроны управляют неритмичными мышцами

Чтобы описать неритмичное действие, которое нужно совершить мышце, двигательные нейроны мозга создают равномерные импульсы, которые на выходе суммируются в гибридную неритмичную инструкцию.

Нейрофизиологи давно знают, как зрительные нейроны воспринимают информацию о внешнем мире: она раскладывается на ряд параметров (например, цвет, интенсивность освещения, форма объекта), которые распределяются по разным группам нервных клеток. И считалось, что двигательные нейроны работают точно так же. То есть до самого движения в моторной коре формируются разные блоки сигналов, касающиеся его направления, дистанции и скорости; всё вместе это направляется к мышце. Но загвоздка была в том, что исследователи никак не могли классифицировать моторные нейроны по параметрам.

Исследователи из Стэнфордского университета (США) предлагают совершенно иное описание работы двигательных нейронов. По их мнению, имеет смысл представлять моторную активность мозга не как совмещение одометра, спидометра и других приборов, а как единый электрический двигатель. В таком «двигателе» все его части начинают работать по отдельности, но на выходе всё равно получается общий результат в виде одного импульса, который направляется к мышце. В этом смысле изучение активности отдельного нейрона и даже групп нейронов ничего не даст — точно так же, как наблюдение за свечой зажигания не даст ответа на вопрос, как работает двигатель автомобиля.

Учёные анализировали активность нейронов во время неритмичных движений. По их словам, такие движения всё равно сопровождались ритмической активностью клеток моторной коры. Считается, что движение и нейронные импульсы, которые им управляют, сходны: плывущая пиявка совершает ритмичные сокращения мышцами, и это соответствует нейронному ритму. Но на этот раз, как пишут авторы в журнале Nature, обезьяна тянулась за каким-то предметом, а неритмичной работе её плечевых мышц соответствовала ритмичная работа моторной коры. Оказалось, что мышечная деятельность управляется наложением нескольких нейронных ритмов. В работе мышцы, хотя она не периодична, можно выделить какие-то следы ритмов: когда мы бросаем мяч или тянемся за стаканом, в сокращениях наших мышц можно заметить остатки ритмов, только сильно нарушенных.

Так вот, в чистом виде эти ритмы исходят от разных нейронов моторной коры, но потом начинают накладываться друг на друга: в результате получается некая сумма, сигнал, точно объясняющий руке или ноге, как им надо двигаться. Иными словами, в конечной сумме находится сразу вся информация о движении, которое надо совершить; оно может не быть ритмичным, но кодируется наложением нескольких вполне регулярных колебаний. В момент выполнения задания в мозгу наблюдается высокоупорядоченная одновременная активность разных нервных клеток, которые скидывают свои импульсы, так сказать, в общий котёл: ни один из нейронов не может претендовать на то, что его импульс дойдет до мышцы в неизменном виде.

Авторы работы полагают, что таким образом мозг сумел перейти от контроля над ритмичными движениями (вроде ходьбы или, допустим, чесания в затылке) к управлению движениями неритмичными. Для этого можно было не создавать новый специальный механизм, а лишь научиться правильным образом смешивать нейронные ритмы. По мнению учёных, такой механизм суммирования колебаний может иметь место не только при управлении движением, но и в других активностях мозга, включая функции самого высокого порядка.

Подготовлено по материалам Стэнфордского университета.