การทำงานของร่างกายหลายอย่าง เช่น การเดิน การหายใจ และการเคี้ยว ถูกควบคุมโดยวงจรสมองที่เรียกว่าเซนทรัลออสซิลเลเตอร์ ซึ่งสร้างรูปแบบการยิงเป็นจังหวะที่ควบคุมพฤติกรรมเหล่านี้
นักประสาทวิทยาของ MIT ได้ค้นพบเอกลักษณ์และกลไกของเส้นประสาทที่อยู่ภายใต้วงจรใดวงจรหนึ่งเหล่านี้: ออสซิลเลเตอร์ที่ควบคุมการกวาดหนวดสัมผัสหรือปัดเป็นจังหวะไปมาในหนู นี่เป็นครั้งแรกที่ออสซิลเลเตอร์ดังกล่าวมีลักษณะเฉพาะในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม
ทีมงานของ MIT พบว่า oscillator ที่ตีไข่ประกอบด้วยเซลล์ประสาทที่ยับยั้งเซลล์ประสาทในก้านสมองซึ่งทำให้เกิดการระเบิดเป็นจังหวะระหว่างการปั่น ขณะที่เซลล์ประสาทแต่ละเซลล์ทำงาน เซลล์ประสาทจะยับยั้งเซลล์ประสาทอื่นๆ ในเครือข่าย ทำให้ประชากรโดยรวมสร้างจังหวะแบบซิงโครนัสที่ดึงหนวดออกจากตำแหน่งที่ยืดเยื้อ
Fan Wang ศาสตราจารย์ด้านสมองและความรู้ความเข้าใจของ MIT และสมาชิกของสถาบัน McGovern Institute for Brain Research ของ MIT กล่าวว่า “เราได้กำหนดออสซิลเลเตอร์ของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมในระดับโมเลกุล อิเล็กโตรกายภาพวิทยา การทำงาน และกลไกต่างๆ “มันน่าตื่นเต้นมากที่ได้เห็นวงจรและกลไกที่ชัดเจนของการสร้างจังหวะในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม”
Wang เป็นผู้เขียนอาวุโสของการศึกษา ซึ่งปรากฏในหนังสือNature ใน ปัจจุบัน ผู้เขียนนำบทความนี้คือ Jun Takatoh นักวิทยาศาสตร์วิจัยของ MIT และ Vincent Prevosto
พฤติกรรมเป็นจังหวะ
งานวิจัยส่วนใหญ่ที่ระบุวงจรออสซิลเลเตอร์กลางอย่างชัดเจนนั้นเกิดขึ้นในสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลัง ตัวอย่างเช่น ห้องทดลองของ Eve Marder ที่มหาวิทยาลัย Brandeis พบเซลล์ในปมประสาทปากกระเพาะอาหารในกุ้งก้ามกรามและปูที่สร้างกิจกรรมการสั่นเพื่อควบคุมการเคลื่อนไหวเป็นจังหวะของทางเดินอาหาร
การระบุลักษณะของออสซิลเลเตอร์ในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสัตว์ที่มีพฤติกรรมตื่นตัว ได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีความท้าทายอย่างมาก เชื่อกันว่าออสซิลเลเตอร์ที่ควบคุมการเดินจะกระจายไปทั่วไขสันหลัง ทำให้ยากต่อการระบุเซลล์ประสาทและวงจรที่เกี่ยวข้องอย่างแม่นยำ ออสซิลเลเตอร์ที่สร้างการหายใจเป็นจังหวะนั้นอยู่ในส่วนหนึ่งของก้านสมองที่เรียกว่าพรี-บอทซิงเงอร์คอมเพล็กซ์ แต่ยังไม่เข้าใจถึงตัวตนที่แท้จริงของเซลล์ประสาทออสซิลเลเตอร์
“ยังไม่มีการศึกษาโดยละเอียดเกี่ยวกับสัตว์ที่มีพฤติกรรมตื่นตัว ซึ่งเราสามารถบันทึกจากเซลล์ออสซิลเลเตอร์ที่ระบุระดับโมเลกุลและจัดการกับพวกมันได้อย่างแม่นยำ” วังกล่าว
การปัดเป็นพฤติกรรมการสำรวจจังหวะที่โดดเด่นในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมหลายชนิด ซึ่งใช้หนวดที่สัมผัสได้ของพวกมันเพื่อตรวจจับวัตถุและพื้นผิวสัมผัส ในหนู หนวดจะขยายและหดกลับด้วยความถี่ประมาณ 12 รอบต่อวินาที เมื่อหลายปีก่อน ห้องทดลองของ Wang ได้พยายามระบุเซลล์และกลไกที่ควบคุมการสั่นนี้
เพื่อหาตำแหน่งของเครื่องสั่นออสซิลเลเตอร์ นักวิจัยได้ตรวจสอบย้อนกลับจากเซลล์ประสาทสั่งการที่กระตุ้นกล้ามเนื้อหนวด นักวิจัยสามารถใช้ไวรัสพิษสุนัขบ้าดัดแปลงที่ติดเชื้อแอกซอนได้ นักวิจัยสามารถติดฉลากกลุ่มเซลล์พรีไซแนปติกไปยังเซลล์ประสาทสั่งการเหล่านี้ในส่วนหนึ่งของก้านสมองที่เรียกว่า vibrissa intermediate reticular nucleus (vIRt) การค้นพบนี้สอดคล้องกับการศึกษาก่อนหน้านี้ที่แสดงให้เห็นว่าความเสียหายต่อสมองส่วนนี้ช่วยขจัดอาการวิตกกังวลได้
จากนั้นนักวิจัยพบว่าประมาณครึ่งหนึ่งของเซลล์ประสาท vIRt เหล่านี้แสดงโปรตีนที่เรียกว่า parvalbumin และกลุ่มย่อยของเซลล์นี้ขับเคลื่อนการเคลื่อนไหวเป็นจังหวะของหนวด เมื่อเซลล์ประสาทเหล่านี้ถูกทำให้นิ่ง กิจกรรมการตีจะถูกยกเลิก
ต่อไป นักวิจัยได้บันทึกกิจกรรมทางไฟฟ้าจากเซลล์ประสาท vIRt ที่แสดงออกถึง parvalbumin ในก้านสมองในหนูที่ตื่นอยู่ ซึ่งเป็นงานที่ท้าทายทางเทคนิค และพบว่าเซลล์ประสาทเหล่านี้มีกิจกรรมเกิดขึ้นจริงเฉพาะในช่วงระยะเวลาการหดกลับของหนวดเท่านั้น เนื่องจากเซลล์ประสาทเหล่านี้จัดเตรียมอินพุตแบบซินแนปติกที่ยับยั้งไว้ให้กับเซลล์ประสาทสั่งการของมัสเคอร์ จึงเป็นไปตามที่การตีด้วยจังหวะจะถูกสร้างขึ้นโดยสัญญาณการยืดตัวของเซลล์ประสาทสั่งการที่คงที่ซึ่งถูกขัดจังหวะโดยสัญญาณการหดกลับเป็นจังหวะจากเซลล์ออสซิลเลเตอร์เหล่านี้
“นั่นเป็นช่วงเวลาที่น่าพอใจและคุ้มค่าอย่างยิ่ง ที่ได้เห็นว่าเซลล์เหล่านี้เป็นเซลล์ออสซิลเลเตอร์จริงๆ เพราะพวกมันยิงเป็นจังหวะ พวกมันยิงในระยะหดตัว และพวกมันเป็นเซลล์ประสาทที่ยับยั้ง” วังกล่าว
“หลักการใหม่”
รูปแบบการระเบิดการสั่นของเซลล์ vIRt เริ่มต้นขึ้นเมื่อเริ่มการตี เมื่อหนวดเคราไม่เคลื่อนไหว เซลล์ประสาทเหล่านี้จะยิงอย่างต่อเนื่อง เมื่อนักวิจัยขัดขวางเซลล์ประสาท vIRt จากการยับยั้งซึ่งกันและกัน จังหวะก็หายไป และเซลล์ประสาทออสซิลเลเตอร์กลับเพิ่มอัตราการยิงต่อเนื่อง
เครือข่ายประเภทนี้เรียกว่าเครือข่ายการยับยั้งการเกิดซ้ำ แตกต่างจากประเภทของออสซิลเลเตอร์ที่เคยเห็นในเซลล์ประสาท stomatogastric ในกุ้งก้ามกรามซึ่งเซลล์ประสาทสร้างจังหวะของตัวเอง
“ตอนนี้เราได้พบออสซิลเลเตอร์เครือข่ายของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมที่สร้างขึ้นโดยเซลล์ประสาทที่ยับยั้งทั้งหมด” วังกล่าว
นักวิทยาศาสตร์ของ MIT ยังร่วมมือกับทีมนักทฤษฎีที่นำโดย David Golomb ที่มหาวิทยาลัย Ben-Gurion ประเทศอิสราเอล และ David Kleinfeld จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียที่ซานดิเอโก นักทฤษฎีได้สร้างแบบจำลองการคำนวณโดยละเอียดโดยสรุปวิธีควบคุมการตี ซึ่งเข้ากันได้ดีกับข้อมูลการทดลองทั้งหมด กระดาษที่อธิบายว่าโมเดลดังกล่าวปรากฏในNeuron ฉบับ ต่อไป
ห้องทดลองของ Wang มีแผนที่จะตรวจสอบวงจรการสั่นแบบอื่นๆ ในหนู รวมทั้งวงจรที่ควบคุมการเคี้ยวและการเลีย
“เรารู้สึกตื่นเต้นมากที่ได้พบออสซิลเลเตอร์ของพฤติกรรมการกินเหล่านี้ และเปรียบเทียบและตรงกันข้ามกับ oscillator ที่ตีเพราะพวกมันทั้งหมดอยู่ในก้านสมอง และเราต้องการทราบว่ามีรูปแบบทั่วไปบางอย่างหรือไม่ หรือมีวิธีต่างๆ มากมายในการสร้างออสซิลเลเตอร์ ,” เธอพูดว่า.
การวิจัยได้รับทุนจากสถาบันสุขภาพแห่งชาติ
