Un studiu de la UC San Diego controlează mintea prin stimularea neuronilor
Cercetătorii de la Universitatea din California San Diego au descoperit că stimularea unui număr mic de neuroni din cortexul motor poate genera mișcări învățate.
Atunci când învățăm să executăm noi mișcări, creierul nostru înregistrează detaliile pe măsură ce stăpânim sarcina respectivă. De la un copil care învață să cânte la pian, până la un jucător novice de pickleball care se familiarizează cu loviturile, creierul nostru inscripționează modele de activitate neuronală pe măsură ce dobândim abilități motorii noi.
Până acum, neurobiologii au documentat modele de activitate distincte în cortexul motor al creierului, care apar atunci când învățăm mișcări specifice. Rămâneau întrebări legate de natura acestor modele: sunt ele responsabile pentru generarea mișcării sau doar reflectă mișcările generate de alte regiuni ale creierului? De asemenea, este activitatea modelată generată în cortexul motor sau moștenită din alte zone?
Cercetătorii de la UC San Diego au găsit răspunsul. Studiind șoareci, aceștia au folosit metode optice avansate și alte tehnici pentru a analiza activitatea creierului în detalii fără precedent. Au izolat zona specifică responsabilă pentru mișcările recent învățate și au stimulat un număr mic de neuroni din acea zonă pentru a produce mișcarea, rezultând un tip de „lectură” și „control” al minții prin înregistrarea și stimularea neuronilor.
„Am descoperit că activarea temporară a doar aproximativ 20 de neuroni atent selectați din cortexul motor poate declanșa un model mai amplu de activitate cerebrală asociat cu o mișcare învățată și, în multe cazuri, poate produce mișcarea învățată în sine”, a declarat Takaki Komiyama.
Studiul, publicat în jurnalul Nature, a fost condus de studentul absolvent Qiyu Chen și se bazează pe cercetări realizate de An Wu, un cercetător asociat în laboratorul Komiyama, care a decedat tragic într-un incendiu în Montreal în 2023.
În timpul studiului, cercetătorii au implementat o combinație de tehnici de cercetare de ultimă generație, inclusiv imagistica cu calciu în două fotoni pentru vizualizarea ultra-precisă a activității cerebrale, precum și o metodă holografică optogenetică pentru stimularea neuronilor. Aceste metode avansate le-au permis cercetătorilor să efectueze experimente pentru a „citi” activitatea cerebrală și a „scrie” modele specifice la nivelul celulelor individuale, permițându-le să controleze mișcarea.
Pe măsură ce au înregistrat semnalele cerebrale ale șoarecilor învățând noi mișcări, cercetătorii au ipotezat că activitatea identificată în neuronii care au prezentat niveluri ridicate de activitate imediat înainte ca animalele să efectueze mișcarea, sau „neuroni cu activitate timpurie”, ar iniția mișcarea recent învățată. Autorii au testat dacă stimularea artificială a acestor neuroni putea induce mișcarea învățată.
„Am observat că stimularea neuronilor cu activitate timpurie poate declanșa mișcări”, au confirmat cercetătorii în studiu. Mai mult, au descoperit că succesul producerii mișcării învățate depindea de starea cortexului motor imediat înainte de stimulare și de angajamentul șoarecelui în sarcina respectivă.
„Noile tehnologii ne-au permis să citim activitatea a sute de neuroni și să scriem o nouă activitate în ea, astfel încât să putem controla activitatea”, a spus Chen. „Acest lucru ne oferă avantajul de a observa activitatea neuronilor în timpul unui comportament specific. Putem identifica proprietățile funcționale ale neuronilor și apoi să stimulăm selectiv neuronii pe care ni-i dorim.”
Cercetările continuă în laboratorul Komiyama cu un proiect de urmărire care își propune să investigheze conexiunile dintre neuronii cheie. Ei doresc să înțeleagă modul în care neuronii „vorbesc” între ei pentru a produce mișcările învățate.
Astfel de cercetări ar putea ajuta la dezvoltarea interfețelor creier-computer pentru pacienții cu accidente vasculare cerebrale și paralizii. Învățarea modului în care neuronii asociați cu mișcarea sunt coordonați ar putea ajuta, în cele din urmă, la declanșarea unor mișcări specifice pentru activitățile zilnice. Capacitatea de a imprima activitate specifică în creier ar putea fi folosită în viitor pentru a promova învățarea și a restabili memoria.
