Para ilmuwan telah mengidentifikasi modul saraf yang sebelumnya tidak diketahui di otak yang mengendalikan gerakan dan beradaptasi selama pembelajaran keterampilan. Temuan mereka menantang ide-ide lama tentang bagaimana otak mengatur gerakan.
Selama hampir seabad, para ilmuwan telah mengetahui bahwa berbagai bagian korteks otak manusia mengendalikan gerakan tubuh yang berbeda. Penemuan mendasar ini berasal dari tahun 1930 -an, ketika ahli bedah saraf menggunakan stimulasi listrik untuk memetakan bagaimana daerah kortikal yang berbeda sesuai dengan bagian tubuh yang berbeda.
Tetapi dapatkah daerah -daerah ini dipecah lebih lanjut menjadi komponen fungsional yang lebih kecil? Para peneliti telah lama mencurigai bahwa unit kortikal untuk gerakan tubuh tertentu lebih kompleks daripada tambalan sederhana di korteks. Studi telah mengidentifikasi berbagai jenis neuron yang ditumpuk dalam beberapa lapisan di seluruh neokorteks, tetapi tanpa gambaran yang jelas tentang bagaimana neuron ini berinteraksi untuk menghasilkan gerakan spesifik pada tingkat jaringan otak.
Sebuah studi baru dari EPFL, University of Cambridge dan Kumamoto University, telah menggunakan teknik optik dan genetik canggih untuk mengungkapkan bahwa unit gerakan dalam neokorteks mengandung modul saraf yang berbeda terlokalisasi di berbagai bidang yang secara klasik ditugaskan untuk perencanaan, pelaksanaan dan penginderaan gerakan. Lebih penting lagi, modul -modul ini berubah dan beradaptasi sebagai keterampilan dipelajari, memberikan kerangka kerja baru untuk memahami bagaimana otak memurnikan kontrol motorik.
Penelitian ini dipimpin oleh Keita Tamura, Pol Bech, dan Carl Petersen di EPFL's Brain Mind Institute. Keita Tamura juga berkontribusi dari Universitas Cambridge dan Universitas Kumamoto. Itu diterbitkan di Biologi Saat Ini.
Jaringan horizontal vs kolom vertikal
Para peneliti mempelajari kontrol gerakan pada tikus dengan menggabungkan optogenetika (teknik untuk mengendalikan aktivitas saraf dengan cahaya), pencitraan kortikal berkecepatan tinggi, dan pelacakan gerakan berbasis pembelajaran mesin. Pendekatan ini memungkinkan mereka untuk secara selektif mengaktifkan berbagai jenis neuron dan mengamati bagaimana sinyal yang dihasilkan berjalan melalui otak untuk membangkitkan gerakan.
Untuk menguji apakah unit pergerakan spasial-broad dari korteks dapat dipecah menjadi elemen yang lebih kecil, para peneliti pertama kali memetakan di mana neuron kortikal rangsang secara keseluruhan mengontrol gerakan mulut. Kemudian, mereka secara selektif merangsang jenis neuron yang berbeda.
Hasilnya mengejutkan: daripada didistribusikan secara merata, berbagai jenis neuron mengontrol gerakan dari sub-wilayah yang berbeda dan berbeda dalam unit gerakan luas. Sub-wilayah ini membentuk jaringan horizontal dari modul khusus, yang menantang pandangan tradisional bahwa korteks diatur ke dalam kolom vertikal-gagasan bahwa berbagai jenis neuron ditumpuk secara vertikal dari permukaan otak ke lapisan yang lebih dalam berfungsi sebagai unit pemrosesan.
Sebaliknya, penelitian ini menyarankan bahwa unit gerakan kortikal memiliki organisasi yang lebih terdistribusi secara horizontal dan modular, di mana modul spesifik tipe neuron berinteraksi secara dinamis di berbagai daerah korteks.
Otak menata ulang dan beradaptasi
Sebagai contoh, mempelajari gerakan mulut tikus, para peneliti menemukan bahwa di dalam unit kortikal yang luas yang mengontrol gerakan mulut ada kelompok neuron yang lebih kecil, masing -masing terdiri dari jenis neuron tertentu. Dan meskipun setiap jenis neuron tersebar secara merata, mereka membentuk kelompok fungsional di daerah kortikal yang berbeda yang terlibat dalam perencanaan, pelaksanaan, atau penginderaan gerakan. Faktanya, aktivitas dalam kelompok -kelompok ini secara konsisten mengalir ke salah satu daerah kortikal untuk pelaksanaan gerakan.
Ini menantang gagasan bahwa otak memproses gerakan dalam kolom yang rapi dan vertikal. Sebaliknya, penelitian ini menunjukkan sistem yang lebih fleksibel dan saling berhubungan secara horizontal, di mana kelompok neuron yang berbeda bekerja bersama untuk fungsi tertentu.
Selain itu, para peneliti menemukan bahwa ketika tikus mempelajari keterampilan motorik baru, beberapa modul ini diperluas ke area kortikal lainnya. Ini menunjukkan bahwa keterampilan belajar melibatkan rewiring koneksi antara modul saraf ini. Dengan kata lain, otak tidak hanya menjadi 'lebih baik' pada gerakan-itu mengatur diri sendiri untuk mengoptimalkan kontrol.
Penemuan ini memiliki implikasi yang luas. Memahami bagaimana unit motorik terstruktur dan bagaimana mereka berubah dengan pembelajaran dapat membantu para peneliti mengembangkan perawatan yang lebih baik untuk kondisi seperti stroke atau cedera otak. Jika para ilmuwan dapat mengungkapkan bagaimana jaringan modul dapat mengkompensasi fungsinya ketika salah satu modul kehilangan fungsinya, mereka mungkin dapat mengembangkan terapi rehabilitasi yang lebih efisien dan tepat misalnya, berpotensi memulihkan fungsi motor yang hilang.
Referensi
Keita Tamura, Pol Bech, Hidenobu Mizuno, Léa Veaute, Sylvain Crochet, Carl Ch Petersen. Peta motor orofasial khusus kelas sel di neokorteks tikus. Biologi Saat Ini 26 Februari 2025. DOI: 10.1016/j.cub.2025.01.056
