Estudio revela conjunto de regiones cerebrales que controlan secuencias complejas de movimiento
Crédito: Pixabay/CC0 Dominio público
En un nuevo conjunto de experimentos con ratones entrenados para realizar una secuencia de movimientos y «cambiar de rumbo» en el impulso del En este momento, los científicos de Johns Hopkins informan que han identificado áreas del cerebro de los animales que interactúan para controlar la capacidad de realizar movimientos secuenciales complejos, así como para ayudar a los ratones a recuperarse cuando sus movimientos se interrumpen sin previo aviso.
La investigación, dicen, algún día podría ayudar a los científicos a encontrar formas de dirigirse a esas regiones en las personas y restaurar la función motora causada por una lesión o enfermedad.
Los resultados de los experimentos dirigidos por Johns Hopkins se publicaron en marzo. 9 en Nature.
Basándose en las mediciones de la actividad cerebral de los roedores especialmente entrenados, los investigadores encontraron que tres áreas principales de la corteza tienen funciones distintas en la forma en que los ratones navegan a través de una secuencia de movimientos: el premotor, primario áreas motoras y somatosensoriales primarias. Todos están en las capas superiores del cerebro de los mamíferos y están dispuestos de manera fundamentalmente similar en las personas.
El equipo concluyó que las áreas motora primaria y somatosensorial primaria están involucradas en el control de los movimientos inmediatos de los ratones en en tiempo real, mientras que el área premotora parece controlar toda una secuencia planificada de movimientos, así como la forma en que los ratones reaccionan y se ajustan cuando la secuencia se interrumpe inesperadamente.
A medida que los animales realizan movimientos secuenciales, dicen los investigadores , es probable que el área premotora envíe señales eléctricas a través de células nerviosas especiales a las otras dos áreas de la corteza sensoriomotora, y se planean más estudios para trazar las rutas de esas señales entre las capas corticales.
«Si es un atleta olímpico que practica una carrera de esquí alpino o una persona que realiza una tarea cotidiana, como conducir, muchas tareas involucran secuencias aprendidas de movimientos que se repiten una y otra vez», dice Daniel O’Connor, Ph.D., profesor asociado de neurociencia en la Facultad de Medicina de la Universidad Johns Hopkins. O’Connor dirigió el equipo de investigación. Dichos movimientos secuenciales pueden parecer comunes y simples, dice, pero implican una organización y un control complejos en el cerebro, y el cerebro no solo debe dirigir cada movimiento correctamente, sino también organizarlos en una serie completa de movimientos vinculados.
Cuando suceden cosas inesperadas que interrumpen una secuencia en curso, dice O’Connor, el cerebro debe adaptarse y dirigir al cuerpo para reconfigurar la secuencia en tiempo real. La falla de este proceso puede resultar en un desastre, una caída o un accidente automovilístico, por ejemplo.
Los neurocientíficos han estudiado durante mucho tiempo cómo los mamíferos compensan cuando se interrumpe un movimiento individual, como alcanzar una taza de café, pero el nuevo estudio fue diseñado para abordar los desafíos de rastrear lo que sucede cuando se deben reorganizar secuencias complejas de varios movimientos en tiempo real para compensar eventos inesperados.
En el caso del esquiador olímpico, por ejemplo, el esquiador espera realizar una serie planificada de movimientos para acercarse y pasar a través de puertas a lo largo de una carrera cuesta abajo, pero es probable que haya momentos en que un obstáculo interrumpa la trayectoria del esquiador y fuerce un cambio de rumbo.
«Cómo el cerebro de los mamíferos puede tomar una señal sensorial y, casi instantáneamente, usarlo para cambiar completamente de una secuencia de movimientos en curso a otra sigue siendo en gran medida un misterio». O’Connor trabajó con Duo Xu, Ph.D., un ex estudiante graduado en el laboratorio de O’Connor, para diseñar un conjunto de experimentos en ratones para rastrear las regiones del cerebro que procesan la señal de «cambio de rumbo».
Para el estudio, los investigadores primero crearon un «curso» para ratones que fueron entrenados para sacar la lengua y tocar un «puerto» de un tubo de metal. Cuando los investigadores movieron el puerto, los ratones aprendieron a tocar el puerto nuevamente. En el transcurso del curso, cuando el puerto se movió a su ubicación final, los ratones que lo tocaron con la lengua obtuvieron una recompensa. Todo este entrenamiento estaba destinado a simular una secuencia repetida y esperada de movimientos aprendidos, muy similar a la carrera cuesta abajo del esquiador.
Para estudiar cómo una señal inesperada puede hacer que el cerebro cambie de rumbo, los investigadores hicieron que los ratones realizar lo que los científicos llaman un «ensayo de retroceso». En lugar de mover el puerto a la siguiente ubicación en la secuencia, los investigadores movieron el puerto a una ubicación anterior, de modo que cuando los ratones extendieron la lengua, no pudieron encontrar el puerto, lo que los llevó a invertir el curso, encontrar el puerto y progresar a través del curso para obtener el premio.
«Cada secuencia de lameduras de puertos implica una serie de movimientos complejos que el cerebro del ratón necesita organizar en un plan de movimiento y luego realizarlos correctamente, pero también para reorganizarse rápidamente cuando encuentran que el puerto esperado no está allí», dice O’Connor.
Durante los experimentos, los investigadores usaron electrodos cerebrales para rastrear y registrar señales eléctricas entre las neuronas en la corteza sensoriomotora, que controla el movimiento general . Un aumento de la actividad eléctrica corresponde a un aumento de la actividad cerebral. Debido a que muchas áreas de la corteza podrían activarse cuando los ratones se movían a lo largo del experimento, los investigadores usaron ratones criados con células cerebrales modificadas genéticamente que, en ciertas partes de la corteza, pueden «silenciarse» o desactivarse selectivamente. Por lo tanto, los científicos pudieron reducir la ubicación de las áreas del cerebro directamente involucradas en los movimientos.
«Los resultados brindan una nueva imagen de cómo una jerarquía entre las redes neuronales en la corteza sensoriomotora maneja los movimientos secuenciales», dice O’Connor. «Cuanto más aprendemos sobre estas redes neuronales que interactúan, mejor posicionados estamos para comprender la disfunción sensoriomotora en humanos y cómo corregirla».
Explore más
Científicos del cerebro identifican «conversación cruzada» entre las neuronas que controlan el tacto en ratones Más información: Duo Xu et al, Procesamiento cortical de secuencias sensoriomotoras flexibles y dependientes del contexto, Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04478-7 Información de la revista: Nature
Proporcionado por la Facultad de Medicina de la Universidad Johns Hopkins Cita: El estudio revela un conjunto de regiones cerebrales que controlar secuencias complejas de movimiento (2022, 21 de abril) recuperado el 29 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2022-04-reveals-brain-regions-complex-sequences.html Este documento está sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.