Деннис О’Лири из Института Солка был первым ученым, показавшим, что основная функциональная архитектура коры, самой большой части человеческого мозга, была генетически детерминирована во время развития. Но, как это часто бывает в науке, ответ на один вопрос открыл много других. О’Лири задался вопросом, а что, если расположение коры не зафиксировано?? Что было бы, если бы его поменяли?
В августовском выпуске журнала Nature Neuroscience О’Лири, обладатель премии Vincent J. Коутс, заведующий кафедрой молекулярной нейробиологии в Salk, и Андреас Зембжицки, постдокторский исследователь в его лаборатории, демонстрируют, что изменение кортикального слоя возможно, и что это изменение вызывает значительные изменения в частях мозга, которые связаны с корой и определяют ее функциональные свойства. Эти механизмы могут лежать в основе проблем нервного развития, таких как расстройства аутистического спектра (РАС).
Кора головного мозга человека участвует в высших функциях, таких как сенсорное восприятие, пространственное мышление, сознательное мышление и язык. У всех млекопитающих есть области в коре головного мозга, которые обрабатывают чувства, но они имеют их в разных пропорциях. Мыши, любимые лабораторные животные, ведут ночной образ жизни, поэтому у них есть большая соматосенсорная зона (S1) в коре головного мозга, отвечающая за соматосенсорное восприятие или ощущения тела, которые включают прикосновение, боль, температуру и проприоцепцию.
"Расположение коры головного мозга напрямую связано с образом жизни животного," говорит Зембжицкий. "Области больше или меньше в зависимости от функциональных потребностей животного, а не физического размера частей тела, от которых они получают данные."
Даже с учетом относительных размеров по сравнению с другими видами, участки коры головного мозга человека могут сильно различаться у разных людей. Такие вариации могут лежать в основе того, почему некоторым людям кажется, что они лучше справляются с определенными задачами восприятия, такими как удар по бейсбольному мячу или обнаружение деталей визуальных иллюзий. У пациентов с неврологическими расстройствами диапазон различий еще шире.
Нейроны в S1 организованы в функциональные группы, называемые картами тела, в соответствии с плотностью нервных окончаний в коже; таким образом, существует большая группа нейронов, посвященная коже на лице, чем коже на ногах. Нейрохирург Уайлдер Пенфилд хорошо проиллюстрировал эту идею как "сенсорный гомункул," Рисунок частей тела непропорционально большого размера, изгибающихся над корой головного мозга. У мышей похожий "мышьункул" в их коре головного мозга, в которой карта лицевых усов сильно увеличена.
Эти карты восприятия не созданы для жизни. Например, если иннервация части тела снижается в раннем возрасте в критический период, ее карта может уменьшиться, в то время как другие части карты тела могут увеличиваться в качестве компенсации. Это версия "восходящая пластичность," в котором внешний опыт влияет на карты тела в мозгу.
Чтобы изучить структуру коры, команда О’Лири изменила регуляторный ген Pax6 в коре головного мозга мышей. В ответ S1 стал намного меньше, демонстрируя, что Pax6 регулирует его развитие. Они обнаружили, что сокращение S1 впоследствии повлияло на другие области мозга, которые передают сенсорную информацию в кору, но, что более интересно, это также изменило карты тела в этих подкорковых областях мозга, опровергнув идею о том, что, однажды установив, эти области мозга могли только быть измененным внешним опытом. Они окрестили это ранее неизвестное явление "пластичность сверху вниз."
"Нисходящая пластичность в обратном порядке дополняет хорошо известную восходящую пластичность, вызванную сенсорной депривацией," говорит О’Лири.
Обычно карта тела в коре S1 отражает аналогичные карты тела в таламусе, главной станции переключения сенсорной информации, которая передает соматосенсорное ощущение от периферии тела к коре S1 через исходящие нервные окончания "провода" известные как аксоны. В недавно открытой нисходящей пластичности, когда S1 был уменьшен, сенсорный таламус, который в него питается, также впоследствии уменьшился в размерах.
Но в этой истории есть более интригующий поворот. "Согласно нашим нынешним знаниям о развитии сенсорных цепей, мы ожидали, что все представления тела в S1 будут одинаково затронуты, когда S1 будет уменьшен," говорит О’Лири. "Для нас было сюрпризом, что не только карта тела была меньше, но некоторые ее части полностью отсутствовали. Конкретное удаление частей карты тела контролируется чрезмерной конкуренцией за корковые ресурсы, продиктованной размером S1 и разыгрываемой между связями от таламических нейронов, которые формируют эти карты в коре головного мозга."
"Говоря простым языком, “если вы отложите, вы проиграете”" добавляет Зембжицкий. "Аксоны, которые дифференцируются позже, предпочтительно исключаются из меньшего S1, что приводит к конкретному удалению частей тела, которые они представляют."
"Существенный момент в отношении пластичности сверху вниз заключается в том, что изменение размера и структуры сенсорной коры приводит к соответствующим изменениям в сенсорном таламусе посредством избирательной гибели таламических нейронов, которые обычно представляют части тела, отсутствующие в S1," Зембжицкий добавляет. "Следовательно, нижележащая часть мозга воспроизводит паттерн, чтобы соответствовать архитектуре в S1, что приводит к аберрантной проводке мозга, что имеет важные последствия для сенсорного восприятия и функций. Например, у аутистов очень сильные нарушения прикосновения и другие особенности соматической чувствительности."
О’Лири и Зембжицки считают, что этот процесс дает важную информацию о развитии аутизма и других нервных расстройств. "Одним из отличительных признаков аутичного мозга на ранней стадии развития является то, что профиль области кажется ненормальным, например, лобная кора увеличивается, в то время как общая кора сохраняет свой нормальный размер," говорит О’Лири. "Подразумевается, что другие области коры головного мозга, расположенные за лобными областями, такие как S1, будут уменьшены в размере, а таламус будет демонстрировать дефекты, соответствующие дефектам сенсорной коры, как это было показано у аутичных пациентов."