До сих пор ученые были почти полностью в темноте о том, как большая часть неспецифического таламуса взаимодействует с префронтальной корой, отношения, которые считаются ключевыми в таких фундаментальных функциях, как поддержание сознания и психического возбуждения. Исследователи Brown University провели ряд экспериментов, описанных в Journal of Neuroscience, для изучения и измерения этих схем в первый раз.
В мозгу мышей и мужчин подобный большой футбольный регион, называемый таламусом, действует как распределительный щит, обеспечивающий префронтальную кору, часть, которая делает абстрактное мышление и принятие решений, с большей частью своей информации. Ответственность таламуса даже включает в себя помощь префронтальной коре для поддержания сознания и возбуждения.
Существенно, что это «таламокортикальное» партнерство, нейробиологи мало поняли о связях, происходящих из матрицы клеток в так называемом «неспецифическом таламусе», где передается информация, отличная от чувств. В новой публикации, опубликованной 5 декабря 2012 г. в журнале Neuroscience, исследователи из Университета Брауна сообщают о первых прямых измерениях мышей причинно-следственных реакций между ключевыми клетками таламуса в этой матрице и клетками префронтальной коры.
«Эти таламические области составляют подавляющее большинство таламуса, но мы практически ничего не знаем о физиологии того, как они контролируют кору», – сказал один из ведущих авторов Скотт Крейкшанк, доцент (исследование) нейронауки в Брауне.
Среди находки команды заключается в том, что неспецифические сигналы таламуса наиболее сильно принимаются, по крайней мере, сначала ингибирующими нейронами в самом внешнем слое коры (слой 1). Нейробиологи предположили, что эти сигналы вместо этого в основном выливаются в возбуждающие клетки коры. Только со временем, с повторением таламических сигналов, клетки ингибирующего слоя 1 реагируют менее интенсивно, в то время как возбуждающие клетки поддерживают устойчивый ответ. Результатом является картина, в которой чистый эффект сигналов таламуса вначале тормозит в коре, но в конечном итоге уступает место более устойчивому и более ровному состоянию возбуждения на протяжении нескольких сотен миллисекунд.
Это, в конечном счете, устойчивая картина активации резко контрастирует с тем, как сенсорные сигналы от конкретного таламуса разыгрываются в коре. Результирующее возбуждение в этих схемах начинается сильным, а затем ослабляется с повторением – в соответствии с тем, как люди перестают замечать достопримечательности, запахи и другие сенсорные входы через некоторое время, если они не меняются.
Большая часть причин, по которым нейробиологи не знали этого раньше, состоит в том, что измерения, которые сделал Крейкшанк и его соавторы, были трудными, если не невозможными, с использованием традиционных методов электростимуляции и записи. Как только ткань мозга мыши нарезается, длинные связи, которые таламус посылает в кору, называемые аксонами, разрушаются. Электрическое стимулирование аксонов, где они соединяются с клетками коры, но ничто другое вокруг них, было невозможно сделать.
Относительно новый метод, называемый оптогенетикой, позволил сделать их измерения возможными. Оптогенетика позволяет ученым генетически разрабатывать конкретные типы нейронов, чтобы их активность контролировалась разными цветами света. Команда, в том числе со-ведущий автор Омар Ахмед и старший автор Барри Коннорс, кафедра неврологии в Брауне, оптогенетически спроектировали клетки таламической матрицы, чтобы их отрезанные аксоны могли избирательно стимулироваться светом. Поскольку другие типы близлежащих клеток не были оптически модифицированы, свет также не стимулировал их.
Между тем исследователи записали электрическую активность различных кортикальных клеток, к которым присоединялись таламические аксоны, чтобы увидеть, как они реагировали на стимуляцию таламических аксонов. Иногда исследователи регистрировали только ингибирующие нейроны слоя 1, иногда они регистрировали только более глубокие слоистые возбуждающие нейроны, и иногда они регистрировали реакции разных нейронов одновременно. Примечательно, что кортикальные нейроны внешнего слоя и более глубокого слоя также соединены друг с другом.
Ключевыми результатами были измерения, показывающие, что ингибирующие нейроны внешнего слоя, известные как «интернейроны слоя 1», имеют примерно в три раза более сильный первоначальный отклик на сигналы таламуса, чем более глубокие возбуждающие «пирамидальные» нейроны. Ответы в конечном итоге выровнялись, что привело к этому устойчивому волнению со временем.
Крейкшанк сказал, что команда еще не знает, какова поведенческая значимость этого устойчивого состояния, но она может быть связана с поддержанием базовой линии сознания или внимания, возможно, чтобы префронтальная кора была готова принимать и обрабатывать информацию из других источников, таких как сенсорные сигналы. Предыдущие эксперименты показали, что когда неспецифический таламус поврежден, субъекты могут попасть в кому, но когда стимулируется неспецифический таламус, кора становится более возбуждаемой.
Теперь, по крайней мере, неврологи знают, как эта связь делается.