Нейронауки для всех. Детали: таламус и его ядра

Рассказы о том, что в мозге даже совсем небольшие структуры выполняют важные функции, уже давно ни у кого не вызывают удивления. Но всё же осознание того, что участки ещё меньшего в размера в тех же самых структурах тоже по-разному работают и много за что ответственны, вызывает восхищение. Ранее мы уже рассказывали про небольшой, но важный гипоталамус и его многочисленные ядра. Теперь пришёл черёд рассказать про таламус и его ядра.

Таламус. Сredit: Wikimedia Commons


Таламус, или, по-другому, зрительные бугры – парный орган, который находится между передним и средним отделами головного мозга и по бокам III желудочка.  По форме он похож на куриное яйцо размером в 3-4 сантиметра. Его передний конец заострён и иногда его называют «передний бугорок», а задний утолщён и называется “подушка”. Таламус невелик, но занимает примерно 80% от всего объёма промежуточного мозга. В каждом из таламусов можно выделить внутреннюю, наружную, верхнюю и нижнюю поверхности. Зрительные бугры связаны с большим числом структур нервной системы, в том числе с гипоталамусом, мозжечком, базальными ганглиями, гиппокампом, корой головного мозга, спинным мозгом.

Таламус собирает информацию от всех органов чувств организма (кроме обоняния) и отправляет к коре головного мозга. Получается, что у каждой сенсорной системы там есть свой «представитель» – особое ядро. По сути таламус можно себе представить как хаб, в который концентрируется много-много информации и затем она транслируется нужным адресатам. Интересно, что, по имеющимся сведениям, не вся информация, которая приходит в зрительные бугры, отправляется к коре, а лишь некоторая часть. Другая часть, вероятно, принимает участие в формировании безусловных и, возможно, условных рефлексов.

Помимо сбора и распределения сенсорной информации, таламус контролирует циклы сна и бодрствования, участвует и в процессе запоминания, осуществляет контроль сознанием автоматических движений. Насчёт последнего, объясним, что этот орган – важнейшее звено системы, которая обеспечивает контроль за привычными нам движениями (бег, ходьба, прыжки, плавание). Ещё таламус регулирует сознание, потому как соединяет участки коры, которые отвечают за восприятие, с другими отделами головного и спинного мозга.

Как и в случае гипоталамуса, в таламусе тоже есть ядра. Это скопления нервных клеток, образующих серое вещество, которые несут определённую функцию. Остальная часть таламуса заполнена белым веществом.

Ядра

Некоторые учёные считают термин «ядра» не совсем корректным и внутри структур, которые так называются, выделяют «подъядра». Можно делать так, а можно обойтись более крупными структурами. Поэтому мы будем говорить о некоторых скоплениях как о «ядрах», хоть, возможно, корректнее было бы разделять их ещё на большее число. Тем не менее, данная статья – не учебник, и наша цель – просто и понятно рассказать о ядрах и группах ядер вообще.

Ядра таламуса


Группа передних ядер таламуса обозначена на рисунке как AN. Считается, что они играют роль в контроле бодрствования, вовлечены в процесс обучения и эпизодическую память. И так же они – часть лимбической системы.

Группа средних ядер таламуса, или дорсомедиальное ядро (на рисунке MD), занимает довольно большой объём таламуса и важно в процессе запоминания, внимания, планирования, абстрактного мышления. Так же оно задействовано, когда человек одновременно выполняет множество действий (так называемый мультитаскинг, который мы никому не рекомендуем). Если нарушается работа этого ядра, то возникает состояние, которое называется «синдром Корсакова». Человек перестаёт запоминать события настоящего, при этом более-менее хорошо может воспроизводить воспоминания о прошлом.

Вентральная группа ядер (на рисунке VNG) состоит из трёх ядер. Первое – переднее вентральное ядро (VA), которое участвует в процессе движения. Оно часто поражается при болезни Паркинсона. Второе – переднее латеральное ядро (VL), задействовано в координации движений и в процессе планирования совершить какое-то движение. Ещё оно играет роль и в том, чтобы учиться двигаться. Это актуально не только для маленьких детей, как можно сразу подумать, но и для взрослых, которые учатся танцевать или плавать.  Третье ядро – заднее вентральное (VPL и VPM), важная часть соматосенсорной системы. Оно воспринимает информацию от прикосновений, положения тела в пространстве (или «мышечного чувства» проприоцепции), боли, вкуса, возбуждения и даже желания почесаться.

Пульвинарное ядро (на рисунке PUL) – ответственно за визуальное внимание. У человека он занимает до 40% таламуса, то есть оно одно из самых больших ядер. Если в нём что-то пойдёт не так, то может появиться одностороннее пространственное игнорирование – когда мозг человека не реагирует на то, что показывают со стороны, противоположной поражённой. Например, при проблеме с левой частью этого ядра, человек либо не видит то, что происходит справа, либо не может сконцентрировать внимание на происходящем. Другим проявлением проблемы с пульвинарным ядром может быть синдром дефицита внимания и гиперактивности.

Метаталамус (на рисунке MTh) – представлен двумя образованиями: парными медиальными коленчатыми телами (на рисунке MG), которые играют роль подкоркового центра слухового анализатора, и латеральными коленчатыми телами (на рисунке LG). Последние — точно такой же подкорковый центр, но уже зрительного анализатора. Оба эти анализатора связаны с  центрами соответствующих анализаторов в коре головного мозга. Считается, что MG могут определять интенсивность и длительность звука.

Если что-то ломается

Как вы могли заметить, у таламуса сложная структура и его функции разнообразны, поэтому, если начинает неправильно работать какой-то из его участков, то могут проявляться совершенно разные симптомы. И если происходят изменения в работе таламуса, это может влиять на функционирование всего организма в целом. Ведь он несёт такую важную роль перераспределителя. Например, может начаться антероретроградная амнезия, при которой человек забывает события, произошедшие после начала заболевания. При этом память о том, что предшествовало появлению симптомов, остаётся нетронутой. Другое редкое заболевание, затрагивающее таламус, впервые описали в 1979 году. Это «фатальная семейная бессонница». Если в гене PRPN произошла определённая мутация, то в участке таламуса, регулирующего сон, начинают накапливаться амилоидные бляшки. Из-за неправильной работы этого отдела человек перестаёт спать. Мутация в гене передаётся по родословной, оттого в названии и есть слово «семейная». Известен только примерно в 40 семьях по всему миру и был у 100 людей. Существует и другая разновидность, это «спорадическая фатальная бессонница», которая так же не имеет особенного лечения, и причина которой так же в неправильной работе таламуса.

Для лечения некоторых заболеваний, которые затрагивают таламус, применяют электроды, которые имплантируются в мозг и могут стимулировать определённую его часть. Например, это используется для устранения симптомов болезни Паркинсона. Метод инвазивный и изменяет электрическую активность, потому для пациентов с такими стимуляторами противопоказана процедура магнитно-резонансной томографии. Зато стимуляцию можно прекратить в любой момент и электроды возможно изъять. Более кардинальным решением является хирургическое вмешательство, когда намерено разрушают определённые участки таламуса – таламотомия. Его используют для лечения тремора при болезни Паркинсона.


Текст: Надежда Потапова

Читайте материалы нашего сайта в FacebookВКонтактеЯндекс-Дзен и канале в Telegram, а также следите за новыми картинками дня в Instagram.

Нейростарости: стриатум показал себя с новой стороны

Когда вы уверенно идёте к цели, которая, например, располагается в кондитерской на другом конце города, или завершаете проект, предвкушая одобрение начальника и долгожданную премию, то шарообразная структура мозга, называемая стриатумом, неустанно вам в этом помогает, так как именно она имеет решающее значение, управляя движением к награде. Здоровый стриатум также поможет вам остановить себя на определённом моменте в конце вечера, когда вы будете отмечать успех того самого проекта. Когда же полосатое тело функционирует неправильно, то это может привести к патологиям типа болезни Паркинсона, обсессивно-компульсивного расстройства или всякого рода зависимостям. Но как оказалось, это далеко не все его функции, и маленький участок мозга таит в себе ещё множество нераскрытых тайн.

Исследователи Института солка применили новый генетический инструмент, чтобы картировать связи нейронов в стриатуме. Матрица нейронов, выделенная зелёным цветом, будто «омывает» нейрональные патчи (красные), небольшие скопления нервных клеток в стриатуме. Функции матрицы и патчей до сих пор остаются загадкой, но это исследование позволит учёным лучше понять их связь и контролировать их активность в дальнейших исследованиях. Изображение Института Солка.


На самом деле точные функции стриатума отнюдь не определены, и загадка также в том, как структура может координировать то, чем занимается весь мозг. Исследование, проведённое учёными из Института Солка и их коллегами, погружается в анатомию и функционал стриатума, и теперь об этом можно прочитать в журнале Neuron. Применив передовые стратегии для всестороннего изучения одного отдела мозга, научные умы нашли менее известные формы организации.

«Самый увлекательный результат этих исследований заключается в том, что у нас теперь есть новые возможности для изучения давно волнующих нас вопросов о том, как полосатое тело контролирует движения и в здоровом, и в больном мозге»,
— комментирует старший автор Синь Джин (Xin Jin), профессор лаборатории молекулярной нейробиологии в Институте Солка.

Уникальную организацию полосатого тела исследователи обнаружили ещё сорок лет назад. Оно усеяно патчами, лоскутами нейронов (patch cells, striatal patch), которые под микроскопом выглядят как маленькие островки клеток. «Океан» вокруг них состоит из нейронов, которые обобщённо называются матриксом (striatal matrix).

В течение четырёх десятилетий учёные размышляли о роли patch cells и  матрикса в нейродегенеративных заболеваниях. Одна идея заключалась в том, что ) контролируются высшим мозгом, так как предполагалось, что они могут играть определённую роль в познании, тогда как клетки матрицы, вполне явно участвовали в чувствительности и двигательной активности.

Новое исследование опровергает эту идею, показывая, что оба типа информации передаются как в патчи, так и в матрицу нейронов, хотя patch cells, как правило, получают немного больше информации от эмоциональных центров мозга (они включены в высшие мыслительные центры). Но эти результаты объясняют, почему в мозге пациентов,  например, с болезнью Хантингтона (прогрессирующая нейродегенеративная патология, которая ощутимо влияет на возможность двигаться и другие функции), страдают и «островки»,  и «океан».

Джин с соавторами работали с различными технологиями, чтобы обнаружить эти находки. Генная инженерия выборочно и точно определяла, какой патч какой матрице соответствует. Немного менее точную информацию давало окрашивание. Также использовались новые нейронные методы трассирования (neural tracing methods), в том числе созданный коллаборатором Эдвардом Каллвеем (Edward Callaway) и его группой в институте Солка. Он заключался в картировании «входов»  и «выходов» от всего мозга в клетки патча и матрикса. Третий основной подход, основанный на электрофизиологии позволил учёным подтвердить соединения, которые они нашли, а также понять их мощность.

«Большая часть предыдущих работ, направленная на изучение патчей и матрикса, освещала их функции, основанные на связи с остальным мозгом, но большинство из этих гипотез были неправильными. С более точной картой «ввода» и «вывода» этих структур мы сможем строить более обоснованные гипотезы»,
— говорит Смит.

Нейроны патчей и матрицы — не единственные, которые нейрофизиологи способны найти в стриатуме. Полосатое тело также содержит клетки, которые имеют совершенно противоположное действие. Они через прямые и косвенные пути словно, так сказать, включают газ или резко жмут на тормоз при передвижении. Эти же косвенные и прямые пути имеют предопределяют поведение, например, при формировании новых привычек. И всё это делает стриатум гораздо сложнее. Но старт дан, и в будущем откроется новый взгляд на его функционирование в норме и патологии.


Текст: Анна Хоружая

Genetic-Based Dissection Unveils the Inputs and Outputs of Striatal Patch and Matrix Compartments by Jared B. Smith, Jason R. Klug, Danica L. Ross4, Christopher D. Howard, Nick G. Hollon, Vivian I. Ko, Hilary Hoffman, Edward M. Callaway, Charles R. Gerfen, Xin Jin in Neuron. Published online August 2016. doi:10.1016/j.neuron.2016.07.046

Читайте материалы нашего сайта в FacebookВКонтакте и канале в Telegram, а также следите за новыми картинками дня в Instagram.

Какие нейроны помогают нам учиться?

Ученые из отдела нейронных вычислений Окинавского института науки и технологий (OIST) использовали новейшую технологию оптической нейровизуализации, чтобы изолировать нейроны в стриосоме и зарегистрировать их активность. Тем самым они надеялись пролить свет на роль стриосомальных нейронов в обучении с подкреплением. В статье, которая опубликована в журнале eNeuro, показано, что эти клетки играют ключевую роль в процессе прогнозирования награды.

Credit: OIST


Cкопление серого вещества внутри белого на уровне основания полушарий, называемое базальными ганглиями, играет важную роль в обучении с подкреплением — когда живые существа обучаются, запоминая сенсорные сигналы или действия, которые приводят к хорошим или плохим результатам. Большая часть базальных ганглиев, так называемое полосатое тело (стриатум), состоит из переплетения двух типов тканей: стриосомы и матрикса. Однако, хотя они были обнаружены три десятилетия назад, их роль в функционировании головного мозга остается загадкой.

Существует предположение, что нейроны стриосомы вовлечены в процесс “прогнозирования награды”. Эти клетки соединяются с нейронами среднего мозга, продуцирующими дофамин — нейромедиатор, вызывающий чувство удовлетворения.

«Прогнозирование награды важно для нашей повседневной жизни, — говорит профессор Кэндзи Дойа, глава отдела нейронных вычислений, — например, когда вы находите свое любимое блюдо на экране выбора или в меню, вы можете получить удовольствие даже до того, как съедите его, и сделаете соответствующий выбор». Но роль стриосомальных нейронов в прогнозировании награды невозможно было подтвердить, ведь они составляют только 15% полосатого тела и разбросаны по нему мозаично, из-за чего их очень сложно изолировать.

Ученые из OIST преодолели это затруднение, используя специальную технологию визуализации и манипуляции с генами. Они работали с трансгенными мышами, которые экспрессируют специфические гены только в стриосомальных нейронах. Эти гены отвечают за синтез кальциевых индикаторов, которые флуоресцируют при нейронной активности. А благодаря новейшему эндомикроскопу со стеклянным стержнем в качестве линзы, разработанному в Стэнфордском университете, исследователи смогли изучать стриосому с минимальной инвазией. Используя этот метод визуализации в работе с трансгенными мышами, ученые смогли наблюдать стриосомальные нейроны в течение длительных периодов времени и измерять их активность.

Базальные ганглии (показано голубым). Credit: Wikimedia Commons


Исследователи давали мышам четыре разных запаха: банан, лимон, корицу и мяту. После каждого запаха следовало один из типов подкрепления — много воды, мало воды, струя ветра в мордочку или ничего. Мыши запоминали запах, после которого следовало позитивное подкрепление и начинали лизать трубку еще до того, как по ней начали подавать воду.

Исследователи показали, что стриосомальные нейроны проявляли бо́льшую активность в ответ на запахи, связанные с ожидаемым позитивным подкреплением (подача воды). Притом чем больше было ожидаемое количество жидкости, тем выше была активность. Исследуемые клетки также были возбуждены в процессе самого подкрепления (подачи воздуха или воды). Все это подтверждает участие стриосомальных нейронов в прогнозировании награды и передаче данных об актуальном подкреплении. Также было установлено, что наивысшая степень активности отмечается на ранних стадиях обучения, примерно через одну — две недели после начала процесса.

Понимание специфической роли стриосомальных нейронов должно помочь исследователям диагностировать и лечить расстройства, вызванные проблемами в этой части мозга — например, хорею Гентингтона.

«Мы многое можем почерпнуть у  мышей, потому что мозаичное строение стриосомы и матрикса в человеческом и мышином мозгу аналогично», — говорит Томохико Йошизава, один из авторов исследования.


Текст: Денис Гордеев

“Reward-Predictive Neural Activities in Striatal Striosome Compartments” by Tomohiko Yoshizawa, Makoto Ito and Kenji Doya in eNeuro. Published January 29 2018.
doi:10.1523/ENEURO.0367-17.2018

Читайте материалы нашего сайта в FacebookВКонтакте и канале в Telegram, а также следите за новыми картинками дня в Instagram.

Нейронауки для всех. Детали: стриатум

Когда в очередной научной новости рассказывается о поведении человека, мотивации к деятельности или о том, как лучше обучаться, то почти всегда упоминается система вознаграждения. Об анатомической структуре мозга, которая как раз за это отвечает, и пойдёт речь.

Эта структура называется стриатум (corpus striatum) или полосатое тело. Она расположена в самом переднем отделе головного мозга. Стриатум – часть базальных ганглиев (причём считается самым большим из 5 клеточных компонентов базальных ганглиев), главная функция которых – сознательный контроль и управление движениями, а так же обучение этому.

Исторически считалось, что главная функция всего комплекса базальных ганглиев – воплощение движений. Например, замечали, что у пациентов с болезнью Паркинсона совместно с нарушением двигательной активности были и изменения в ганглиях. Довольно легко связать эти два наблюдения в одно целое. Затем в процессе накопления научных знаний стало известно, что базальные ганглии могут контролировать и движения глаз, и даже влиять на поведение. Их нарушения могут проводить к заболеваниям, в которых проявляется либо гипокинез (снижение двигательной активности), либо гиперкинез (чрезмерные, иногда «лишние» движения).

Анатомическое строение

Своё второе название на русском языке («полосатое тело») стриатум получил из-за того, что на его срезах видны чередующиеся светлые и тёмные полосы. На латыни это слово («striatum») точно так же означает «полосатый».

Обычно стриатум разделяют на две части – дорсальную (расположенную сверху), которая представлена хвостатым ядром (caudate nucleus), чечевицеобразным ядром (lentiform nucleus или lenticular nucleus) и скорлупой, и вентральную, которая содержит прилежащее ядро (nucleus accumbens).

Хвостатое и чечевицеобразное ядро. Илл: Wikimedia Commons


Структуры, называющиеся ядрами, представляют собой определённые участки в мозге, которые можно разделить или, наоборот, объединить с другими находящимися рядом нейронами по функции или по связанности. Нервные клетки одного ядра обычно выполняют одинаковую работу и связаны с одними и теми же целевыми участками. В мозге позвоночных находятся сотни ядер, которые очень разнятся по размерам и форме. Внутри них также выделяют «подъядра» (subnuclei) из-за того, что даже в таком малом образовании, как ядро, может происходить более аккуратное и тонкое разделение функций нейронов.

Дорсальная часть стриатума важна для процесса принятия решений и для выбора того, как реагировать на какое-либо событие, для выбора действий.

Прилежащее ядро связано с системами вознаграждения, подкрепления, и в зависимости от правильности его работы может происходить переход от простого выполнения действий, приносящих удовольствие, к постоянным нацеленным желаниям производить эти самые действия (аддикция).

Стриатум постоянно получает нервные импульсы от многих отделов коры головного мозга: моторных, сенсорных (за некоторым исключением), ассоциативных, лимбических и паралимбических. И каждая из этих областей проецируется на строго определённую зону в нём. В состав полосатого тела входят разнообразные клетки, но большинство (приблизительно 90%) – это средние по размеру шиловидные ГАМК-эргические проекционные нейроны. Такие нейроны собирают и анализируют информацию, которую получает стриатум, и передают её нейронам различных базальных ганглиев.

Делит стриатум на две части у человека и макаки тонкая полоска белого вещества, по сравнению с крысами и мышами, у которых хвостатое ядро и скорлупа не разделены. Это белое вещество образует внутреннюю капсулу, однако, между хвостатым ядром и скорлупой остаётся множество связей. По размеру мозг человека в 13-18 раз больше мозга макаки резус, но размер стриатума больше всего лишь в 6 раз. Кстати, в одном из исследованийучёные выяснили, что объём стриатума у людей с болезнью Паркинсона, как ни странно, больше (7.5 см3), чем  у здоровых людей (6.3.см3).

Функции

Функций у стриатума великое множество. Это планирование и контроль движений, различные когнитивные процессы, которые нужны для выполнения различных действий. Стриатум вовлечён в процесс обучения, и для этого очень важны его взаимодействия с дофамин-содержащими нейронами в среднем мозге.

Стриатум на МРТ. Илл: Wikimedia Commons



Роль в принятии решений стриатум делит с префронтальной корой головного мозга. Они очень тесно взаимосвязаны друг с другом и зачастую могут даже взаимно активироваться. Поэтому некоторые учёные даже предлагают глубокую стимуляцию чего-то одного для того, чтобы опосредованно влиять на другое.

Полосатое тело важно в работе системы вознаграждения, и, более того, учёные показали, что можно получать удовольствие не только от прошлых и происходящих событий или действий, но и даже от простого ожидания самих событий.

Патология

Но как ведёт себя стриатум в патологии? Что вообще может в нём произойти?

Наиболее опасно прекращение выработки дофамина, который как раз нужен для корректных движений. За время старости число дофаминовых рецепторов уменьшается, да и вообще в целом снижается  концентрация этого нейромедиатора.

Интересно, что не только физические изменения в стриатуме могут вести к отклонениям в его функционировании, но и играют роль генетические факторы. Например, слишком высокая экспрессия генов рецепторов дофамина D3 в стриатуме нарушает мотивацию и мотивационное поведение у мышей, но не затрагивает другие проявления их поведения.

Именно при проблемах с прилежащем ядром начинается аддикция – поведение, когда у людей есть навязчивая потребность в какой-то определённой деятельности. Это может выражаться в том, что человек привыкает к лекарственным средствам и ощущает постоянную потребность в них, либо это может быть, например, желание выполнять однообразные действия.

Генетически обусловленные факторы также влияют на атрофию стриатума и на функционирование всех базальных ганглиев в целом. При хорее Гентингтона в гене HTT, который кодирует белок хангтинтин, присутствуют повторы из трёх нуклеотидов CAG, и если число таких повторов больше 36, то изменяется пространственная структура белка. А у человека развивается хорея. В таком случае белок хангтинтин начинает образовывать агрегаты с другими белками, поэтому препятствует нормальному клеточному транспорту в нейронах и может вести к их гибели.


Текст: Надежда Потапова

Предыдущие материалы о нейроанатомии (серия «Детали»): таламусгипоталамусклетки Пуркинье.

Читайте материалы нашего сайта в FacebookВКонтакте и канале в Telegram, а также следите за новыми картинками дня в Instagram.