Sinirbilimciler, fare bıyıklarının ritmik hareketini kontrol eden bir salınım devresi keşfettiler

MIT nörobilimcileri şimdi bu devrelerden birinin altında yatan nöronal kimliği ve mekanizmayı keşfettiler: farelerde dokunsal bıyıkların ritmik ileri geri süpürülmesini veya çırpma işlemini kontrol eden bir osilatör. Bu, böyle bir osilatörün memelilerde tam olarak karakterize edildiği ilk zamandır.

MIT ekibi, çırpma osilatörünün, beyin sapında çırpma sırasında ritmik patlamaları ateşleyen bir inhibitör nöron popülasyonundan oluştuğunu buldu. Her nöron ateşlendiğinde, ağdaki diğer nöronların bazılarını da engeller ve genel popülasyonun, bıyıkları uzun süreli konumlarından geri çeken senkronize bir ritim oluşturmasına izin verir.

MIT beyin ve bilişsel bilimler profesörü ve MIT’nin McGovern Beyin Araştırmaları Enstitüsü üyesi Fan Wang, “Bir memeli osilatörünü moleküler, elektrofizyolojik, işlevsel ve mekanik olarak tanımladık” diyor. “Bir memelide ritmin nasıl üretildiğinin açıkça tanımlanmış bir devresini ve mekanizmasını görmek çok heyecan verici.”

Wang, bugün yayınlanan çalışmanın kıdemli yazarıdır. Doğa. Makalenin baş yazarları MIT araştırma bilim adamları Jun Takatoh ve Vincent Prevosto’dur.

ritmik davranış

Merkezi osilatör devrelerini açıkça tanımlayan araştırmaların çoğu omurgasızlarda yapılmıştır. Örneğin, Eve Marder’ın Brandeis Üniversitesi’ndeki laboratuvarı, ıstakoz ve yengeçlerdeki stomatogastrik ganglionda, sindirim sisteminin ritmik hareketini kontrol etmek için salınım aktivitesi üreten hücreler buldu.

Memelilerde, özellikle uyanık davranan hayvanlarda osilatörleri karakterize etmenin oldukça zorlu olduğu kanıtlanmıştır. Yürümeyi kontrol eden osilatörün omuriliğe dağıldığına inanılıyor, bu da ilgili nöronları ve devreleri tam olarak tanımlamayı zorlaştırıyor. Ritmik solunum üreten osilatör, beyin sapının Bötzinger öncesi kompleksi olarak adlandırılan bir bölümünde bulunur, ancak osilatör nöronlarının tam kimliği tam olarak anlaşılamamıştır.

Wang, “Uyanık davranan hayvanlarda, moleküler olarak tanımlanmış osilatör hücrelerinden kayıt yapılabilen ve onları kesin bir şekilde manipüle edebilen ayrıntılı çalışmalar yapılmadı” diyor.

Çırpma, nesneleri algılamak ve dokuları algılamak için dokunsal bıyıklarını kullanan birçok memelide belirgin bir ritmik keşif davranışıdır. Farelerde, bıyıklar saniyede yaklaşık 12 devirlik bir frekansta uzar ve geri çekilir. Birkaç yıl önce, Wang’ın laboratuvarı, bu salınımı kontrol eden hücreleri ve mekanizmayı belirlemeye çalıştı.

Çırpma osilatörünün yerini bulmak için araştırmacılar bıyık kaslarını innerve eden motor nöronlardan yola çıktılar. Araştırmacılar, aksonları enfekte eden modifiye edilmiş bir kuduz virüsü kullanarak, beyin sapının vibrissa ara retiküler çekirdeği (vIRt) olarak adlandırılan bir bölümünde bu motor nöronlara presinaptik olan bir grup hücreyi etiketleyebildiler. Bu bulgu, beynin bu kısmına verilen hasarın çırpmayı ortadan kaldırdığını gösteren önceki çalışmalarla tutarlıydı.

Araştırmacılar daha sonra bu vIRt nöronlarının yaklaşık yarısının parvalbumin adı verilen bir proteini ifade ettiğini ve bu hücre alt popülasyonunun bıyıkların ritmik hareketini yönlendirdiğini buldular. Bu nöronlar susturulduğunda çırpma aktivitesi ortadan kalkar.

Daha sonra, araştırmacılar, teknik olarak zorlu bir görev olan uyanık farelerde beyin sapındaki bu parvalbümin eksprese eden vIRt nöronlarından elektriksel aktivite kaydettiler ve bu nöronların gerçekten de sadece bıyık geri çekme periyodu sırasında aktivite patlamaları olduğunu buldular. Bu nöronlar bıyıklı motor nöronlarına engelleyici sinaptik girdiler sağladığından, ritmik çırpmanın, bu osilatör hücrelerinden gelen ritmik geri çekme sinyali tarafından kesintiye uğrayan sabit bir motor nöron protraksiyon sinyali tarafından üretildiğini takip eder.

Wang, “Bu hücrelerin gerçekten osilatör hücreler olduğunu görmek çok tatmin edici ve ödüllendirici bir andı, çünkü ritmik olarak ateşleniyorlar, geri çekilme aşamasında ateşleniyorlar ve bunlar engelleyici nöronlar” diyor.

“Yeni ilkeler”

vIRt hücrelerinin salınımlı patlama modeli, çırpma işleminin başlangıcında başlatılır. Bıyıklar hareket etmediğinde, bu nöronlar sürekli ateşlenir. Araştırmacılar vIRt nöronlarının birbirini engellemesini engellediğinde, ritim kayboldu ve bunun yerine osilatör nöronlar sürekli ateşleme hızlarını artırdı.

Tekrarlayan engelleyici ağ olarak bilinen bu ağ türü, ıstakozlardaki stomatogastrik nöronlarda görülen, nöronların içsel olarak kendi ritimlerini oluşturduğu osilatör türlerinden farklıdır.

Wang, “Artık tüm inhibitör nöronlar tarafından oluşturulan bir memeli ağ osilatörü bulduk” diyor.

MIT bilim adamları, İsrail’deki Ben-Gurion Üniversitesi’nden David Golomb ve San Diego’daki California Üniversitesi’nden David Kleinfeld tarafından yönetilen bir teorisyen ekibiyle de işbirliği yaptı. Teorisyenler, çırpma işleminin nasıl kontrol edildiğini özetleyen ve tüm deneysel verilerle iyi uyum sağlayan ayrıntılı bir hesaplama modeli oluşturdular. Bu modeli açıklayan bir makale, yaklaşan bir sayısında yer alıyor. Nöron.

Wang’ın laboratuvarı şimdi farelerde çiğneme ve yalamayı kontrol edenler de dahil olmak üzere diğer salınım devrelerini araştırmayı planlıyor.

“Bu besleme davranışlarının osilatörlerini bulmak ve çırpma osilatörünü karşılaştırmak ve karşılaştırmak için çok heyecanlıyız, çünkü hepsi beyin sapında ve ortak bir tema olup olmadığını veya osilatör üretmenin birçok farklı yolu olup olmadığını bilmek istiyoruz. ,” diyor.

Araştırma Ulusal Sağlık Enstitüleri tarafından finanse edildi.