Niezwykłe wyniki — nowe badania pokazują, że rdzeń kręgowy może się uczyć i zapamiętywać

Nowe badania pokazują, że rdzeń kręgowy może niezależnie uczyć się i zapamiętywać ruchy, co podważa tradycyjne poglądy na temat jego roli i potencjalnie ulepsza strategie rehabilitacji pacjentów z urazami kręgosłupa.

Nowe badania pokazują, że neurony w rdzeniu kręgowym mają zdolność uczenia się i zatrzymywania informacji niezależnie od mózgu.

Rdzeń kręgowy jest często opisywany jako po prostu przewód do przesyłania sygnałów między mózgiem a ciałem. Jednakże rdzeń kręgowy może samodzielnie uczyć się i zapamiętywać ruchy.

Zespół naukowców z Centrum Badań Neuroelektronicznych we Flandrii (NERF) z siedzibą w Leuven szczegółowo opisał, w jaki sposób dwie różne populacje neuronowe umożliwiają rdzeniowi kręgowemu adaptację i zapamiętywanie wyuczonych zachowań w sposób całkowicie niezależny od mózgu. Te niezwykłe wyniki opublikowano w czasopiśmie Nauki, rzucając nowe światło na to, jak obwody kręgosłupa przyczyniają się do kontroli i automatyzacji ruchu. Pomysły te mogą mieć zastosowanie w rehabilitacji osób z urazami kręgosłupa.

Zagadkowa plastyczność rdzenia kręgowego

Rdzeń kręgowy moduluje i kontroluje nasze działania i ruchy, integrując różne źródła informacji zmysłowych i może to robić bez udziału mózgu. Co więcej, neurony w rdzeniu kręgowym mogą nauczyć się samodzielnego dostosowywania różnych zadań, jeśli będą wystarczająco powtarzane. Jednakże sposób, w jaki rdzeń kręgowy osiąga tę niezwykłą plastyczność, od dziesięcioleci zaskakuje neuronaukowców.

Jednym z tych neurobiologów jest profesor Aya Takeoka. Jej zespół w Neuroelectronics Research Flanders (NERF, instytut badawczy wspierany przez imec, KU Leuven i VIB) bada, w jaki sposób rdzeń kręgowy regeneruje się po urazach, badając, w jaki sposób połączenia nerwowe są połączone oraz jak funkcjonują i zmieniają się w miarę uczenia się. Nowe ruchy.

„Chociaż mamy dowody na „uczenie się” w rdzeniu kręgowym pochodzące z eksperymentów przeprowadzonych na początku XX wieku, pytanie, które neurony są w to zaangażowane i w jaki sposób kodują to doświadczenie uczenia się, pozostaje bez odpowiedzi” – mówi profesor Takeoka. .

Częścią problemu jest trudność w bezpośrednim pomiarze aktywności poszczególnych neuronów w rdzeniu kręgowym u zwierząt, które nie są poddane sedacji, ale są przytomne i poruszają się. Zespół Takeoki wykorzystał model, w którym zwierzęta ćwiczą określone ruchy w ciągu kilku minut. W ten sposób zespół odkrył specyficzny dla typu komórki mechanizm uczenia się rdzenia kręgowego.

Dwa specyficzne typy neuronów

Aby zbadać, w jaki sposób rdzeń kręgowy uczy się, doktorant Simon Lavaud i jego koledzy z laboratorium Takeoki zbudowali eksperymentalny układ do pomiaru zmian w lokomocji u myszy, inspirowany metodami stosowanymi w badaniach nad owadami. „Oceniliśmy udział sześciu różnych populacji neuronów i zidentyfikowaliśmy dwie populacje neuronów, jedną grzbietową i jedną brzuszną, które pośredniczą w uczeniu się motorycznym”.

„Te dwie grupy neuronów występują naprzemiennie” – wyjaśnia Lavaud. „Neurony grzbietowe pomagają rdzeniowi kręgowemu nauczyć się nowego ruchu, podczas gdy neurony brzuszne pomagają mu zapamiętać ruch i wykonać go później”.

„Można to porównać do sztafety w rdzeniu kręgowym. Neurony grzbietowe działają jak pierwszy biegacz, przekazując informacje sensoryczne ważne dla uczenia się. Następnie komórki brzuszne przejmują pałeczkę, zapewniając, że wyuczony ruch zostanie zapamiętany i płynnie wykonany .”

Uczenie się i pamięć poza mózgiem

Szczegółowe wyniki opublikowane w NaukiPokazuje, że aktywność neuronów w rdzeniu kręgowym przypomina różne klasyczne typy uczenia się i zapamiętywania. Odkrycie tych mechanizmów uczenia się będzie kluczowe, ponieważ prawdopodobnie przyczynią się one do różnych sposobów uczenia się i automatyzacji ruchu, a także mogą mieć znaczenie w kontekście rehabilitacji, mówi profesor Aya Takeoka: „Opisane przez nas obwody mogłyby zapewnić oznacza dla Rdzeń kręgowy bierze udział w uczeniu się ruchu i długotrwałej pamięci motorycznej, co pomaga nam się poruszać, nie tylko w normalnym zdrowiu, ale zwłaszcza podczas rekonwalescencji po urazach mózgu lub rdzenia kręgowego.

Odniesienie: „Dwie klasy neuronów hamujących regulują nabywanie i odzyskiwanie adaptacji sensomotorycznej kręgosłupa”, Simone Lavaud, Charlotte Bishara, Mattia Dandola, Shu Hao Yeh i Aya Takeoka, 11 kwietnia 2024 r., Nauki.
doi: 10.1126/science.adf6801

Badania (zespół) były wspierane przez Flanders Research Foundation (FWO), Akcję Marie Skłodowska-Curie (MSCA), Taiwan-KU Leuven Doctoral Fellowship (P1040) oraz Wings for Life Myeloid Research Foundation.