Исследование моторной коры: эффекторные области чередуются с сомато-когнитивной сетью действий

В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Nature, ученые провели точное функциональное картирование (PFM) и функциональную магнитно-резонансную томографию (fMRI), чтобы составить карту функциональной организации моторной коры (M1) человеческого мозга.

Справочная информация

Изначально моторная кора человека была описана как постоянно присутствующий гомункулус. В противоположность этому, исследования нечеловеческих приматов (NHP) разделили M1 на переднюю и заднюю области, причем тело было представлено в передней части, а моторные эффекторные области - в задней.

Добровольные движения регулируются цингуло-оперкулярной сетью (CON). Исследования на животных показали, что передняя моторная кора проецируется на внутренне расположенные органы, участвующие в симпатическом пробуждении, что указывает на то, что CON вместе с M1 может не только опосредовать абстрактные действия, но и координировать движения.

Об исследовании

В настоящем исследовании ученые представили двойную систему, которая объединяет действия и контроль тела в общую цепь и характеризуется сомато-когнитивной сетью действий (SCAN), чередующейся с эффекторными областями M1.

Команда провела ПФМ высокого разрешения (2,40 мм) с показателями функциональной связности в состоянии покоя (RSFC) от 172,0 до 1 813,0 минут на участника (задание: 353,0 минуты на человека) и использовала информацию о диффузии для картирования функциональных сетей мозга.

Для проверки результатов исследования были получены данные из трех крупных фМРТ-исследований, а именно из исследования "Когнитивное развитие мозга подростков" (ABCD), исследования "Биобанк Соединенного Королевства" (UKB) и исследования Human Connectome Project (HCP), и проведено сравнение результатов настоящего исследования.

В общей сложности наборы данных включали данные почти 50 000 человек. Кроме того, результаты исследования были помещены в межвидовой (макаки против людей), клинический (послеродовой инсульт) и развивающий (периоды новорожденности, младенчества, детства и взрослости) контексты с использованием информации точного функционального картирования (PFM).

Команда использовала батарею задач функциональной МРТ моторных и функциональных действий для регистрации эффекторных соматотопий концентрической формы, которые были очерчены CON-ассоциированными межэффекторными областями (IERs). Сравнивалось относительное время появления сигналов функциональной МРТ в состоянии покоя для областей М 1.

Данные функциональной МРТ были получены от двух участников с высокой выборкой (64,0 прогона, 244,0 минуты на человека) во время блокированного выполнения 25 движений и новой событийно-ассоциированной задачи с различными фазами планирования и выполнения движений рук-ног (12,0 прогонов, 132,0 минуты на человека).

Для формальной проверки концентрического расположения одно-и двухпиковые гауссовы кривые были подобраны к профилям активации задачи вдоль дорсомедиальной-вентролатеральной оси M1.

Данные функциональной МРТ, связанные с задачей, также были получены, когда люди многократно произносили звук "и", чтобы изолировать движение гортани и минимизировать движение языка и челюсти, а также дыхание. Моторные стимулы были повторно проанализированы с использованием данных предыдущего крупномасштабного исследования путем их отображения на кору головного мозга.

Результаты

Области с различными связями, структурой и функциями прерывают классический гомункулус, чередуясь с областями, специфичными для эффекторов (рука, рот и нога). Ожидаемый нейровизуализационный паттерн включал три области, определяемые RSFC, в каждом полушарии мозга, со связью, ограниченной гомотопической контралатеральной моторной корой и прилегающей первичной соматосенсорной корой.

Эти области соответствовали вызванной заданием активности во время движений языка, рук и ног. Три области с сильными ипсилатеральными и контралатеральными функциональными связями были переплетены между эффекторно-специфическими областями. Это позволило создать интердигитированную цепь, простирающуюся от первичной моторной коры (прецентральная извилина), которая не была идентифицирована ранее.

Этот мотив был обнаружен у всех взрослых людей с высокой выборкой и воспроизводился на внутрииндивидуальном уровне. Три набора данных подтвердили взаимосвязь областей, связанных с контролем действий и моторными эффекторами.

Кроме того, функционально связанные МЭО имели меньшую толщину коры, но большую фракционную анизотропию и содержание внутрикоркового миелина, чем области стопы.

IERs показали надежную функциональную связь с CON, которая необходима для контроля действий и физиологического контроля, симпатического возбуждения, боли и достижения когнитивного контроля, направленного на достижение цели. Точная фМРТ у макак и детей показала наличие межвидовых гомологов и предшественников системы IER в процессе развития.

ИЭР были обнаружены у младенца в возрасте 11,0 месяцев и были сопоставимы с теми, которые наблюдались у детей в возрасте девяти лет. Этот паттерн можно было выявить даже у людей с тяжелыми двусторонними послеродовыми инсультами.

Кроме того, батарея задач фМРТ, связанных с двигательными действиями, показала концентрически расположенные эффекторные соматотопии, разделенные CON-связанными МЭР. МЭР были тесно связаны с дополнительной моторной зоной (ДМО) и расположенной каудально поясной зоной дорсальной передней поясной коры (ДПК), а также были связаны с инсулой и передней частью префронтальной коры.

В стриатуме МЭР показали надежную связь с дорсолатеральным путаменом. Связь таламических МЭР особенно наблюдалась с центромедиальным ядром и заднемедиальным, промежуточным и заднеинфернальным ядрами на вентральной стороне.

МЭР были также прочно связаны с окружающими мозжечковыми зонами и основанием центральной борозды, зоной Бродмана (BA) 3a, участвующей в проприоцепции.

Кроме того, МЭР были связаны со средней инсулой, которая участвует в обработке интероцептивных и болевых сигналов; латеральным вермисом Crus II; долями мозжечка V, VIIb и VIIIa; и дорсолатеральным путаменом, который имеет решающее значение для моторных функций.

Результаты показали, что высокочастотная дельта-активность может возникать раньше в CON, чем в M1, и что ИЭР M1 могут частично обеспечивать выполнение планов действий. Топография предпочитаемых движений, кривые двойного пика фиттера и двойное представительство гортани подтвердили дистально-проксимальную концентрическую организацию (за исключением движений рук у второго участника), что было подтверждено повторным анализом ранее опубликованных электрофизиологических данных.

Наконец, ИЭР не были специфичными для движения и были коактивированы во время планирования действий (координация рук и ног) и осевых телесных движений (включая движения бровей).

Заключение

Исследование показывает, что система планирования действий всем телом пробивает М 1, самато-когнитивную сеть действий.

В М 1 две параллельные системы переплетаются, образуя интегративно-изолированный паттерн эффекторно-специфических областей, критически важных для тонкого моторного контроля, связанных с SCAN, критически важным для интеграции целей, телесных движений и физиологии.

SCAN также позволяет предвосхищать дыхательные, сердечно-сосудистые и постуральные изменения. Двойная сеть объединяет разум и тело, согласовываясь с сенсорными системами.

Источник: https://www.news-medical.net/news/20230424/Motor-cortex-study-effector-regions-alternate-with-somato-cognitive-action-network.aspx