Streszczenie: Nowe badania ujawniają, w jaki sposób ludzki mózg przetwarza sygnały życiowe z serca i płuc, oferując nowy wgląd w złożoną integrację mózgu i ciała niezbędną dla zdrowia i funkcji poznawczych.

W badaniu zidentyfikowano konkretne neurony we wzgórzu, które odgrywają kluczową rolę w integracji informacji krążeniowo-oddechowych, zapewniając głębsze zrozumienie szlaków funkcjonalnych łączących narządy wewnętrzne ze zdrowiem mózgu. Wykorzystując nagrania mikroelektrodami podczas operacji głębokiej stymulacji mózgu, naukowcy odkryli, że znaczna część neuronów reaguje na rytmy serca i oddechu, co podkreśla skomplikowany mechanizm mózgu pozwalający utrzymać homeostazę.

Badania te torują drogę postępowi w dziedzinach medycyny, od neurologii po kardiologię, podkreślając znaczenie współpracy interdyscyplinarnej w odkrywaniu tajemnic funkcjonowania mózgu.

Kluczowe fakty:

1. Specyficzne neurony wzgórzowe przetwarzają sygnały z serca i płuc, rzucając światło na rolę mózgu w integrowaniu informacji niezbędnych do regulacji organizmu.
2. Około 70% zarejestrowanych neuronów zareagowało na aktywność krążeniowo-oddechową, a 30% wykazało reakcję na wiele sygnałów, co podkreśla złożoność komunikacji narządów wewnętrznych-mózgu.
3. Wykorzystanie w badaniu nagrań mikroelektrod podczas leczenia neurologicznego zapewnia bezprecedensowy wgląd w to, w jaki sposób mózg utrzymuje zdrowie poprzez bezpośrednią regulację neurologiczną i hormonalną.

Źródło: UNC

Ludzki mózg stale otrzymuje informacje z organizmu, szczególnie z narządów wewnętrznych, takich jak serce i płuca. Informacje te rzadko docierają do świadomości, ale są kluczowe dla utrzymania zdrowego ciała i wpływania na wydajność mózgu, w tym na percepcję, emocje i funkcje poznawcze.

Obecnie naukowcy badają, jak dokładnie mózg przetwarza strumień informacji napływających z serca i płuc, co prowadzi do szerszego zrozumienia integracji mózgu z ciałem i wynikającego z niej stanu zdrowia lub choroby.

Publikując swoje prace w Postępowanie Narodowej Akademii Nauk (PNAS), współautorzy-starsi autorzy Vibhor Krishna, MD, profesor nadzwyczajny neurochirurgii w Szkole Medycznej UNC; Ali Rezai, lekarz medycyny, dyrektor Rockefeller Neuroscience Institute i prodziekan ds. neurologii w West Virginia School of Medicine; oraz dr Olaf Blanke, dyrektor laboratorium neuronauki poznawczej w Szwajcarskim Federalnym Instytucie Technologii, odkryli, że określone neurony we wzgórzu aktywnie uczestniczą w przetwarzaniu sygnałów sercowych i oddechowych.

„Każde uderzenie serca i każdy oddech tworzą bogaty strumień informacji zmysłowych napływających do ludzkiego mózgu” – powiedział Kryszna.

„Jednak głębsze zrozumienie, w jaki sposób mózg integruje te informacje, pozostaje nieuchwytne. Interesowało nas odkrycie, w jaki sposób ludzki mózg osiąga integrację informacji krążeniowo-oddechowych i czy ich rozkład ma związek z jakimikolwiek zaburzeniami mózgu, serca lub płuc obserwowanymi w klinice”.

Przez lata zespoły kliniczne i badawcze współpracowały nad skrupulatnym badaniem tej integracji przy użyciu ustalonej techniki rejestracji mikroelektrodami podczas operacji głębokiej stymulacji mózgu.

Stosując nowe podejście do badania pojedynczych neuronów w trzech różnych obszarach wzgórza, badacze byli w stanie zaobserwować bezpośrednie funkcjonalne zaangażowanie neuronów wzgórza i podwzgórza w przetwarzanie sygnałów krążeniowo-oddechowych. Informacje te mogą pomóc w lepszym scharakteryzowaniu sposobu, w jaki podkorowe obszary mózgu przetwarzają sygnały poprzez ścieżkę funkcjonalną z narządów wewnętrznych.

Aby ukończyć tę pracę, zespół badawczy wykorzystał nagrania mikroelektrodami podczas głębokiej stymulacji mózgu u pacjentów poddawanych leczeniu schorzeń neurologicznych.

Następnie naukowcy wykorzystali te nagrania do zbadania aktywności pojedynczych neuronów związanych z funkcjami serca i układu oddechowego w trzech obszarach podkorowych: brzusznym jądrze pośrednim i brzusznym jądrze ogona wzgórza oraz jądrze podwzgórzowym.

Odkryli, że około 70% zarejestrowanych neuronów było modulowanych przez bicie serca, odstęp między uderzeniami serca lub oddychanie.

Autorzy napisali, że te wzorce reakcji serca i układu oddechowego różniły się znacznie w zależności od neuronów, zarówno pod względem czasu, jak i rodzaju modulacji. Znaczna część tych neuronów trzewnych – około 30% – reagowała na więcej niż jeden z badanych sygnałów, co podkreśla specjalizację i integrację sygnałów sercowych i oddechowych w jądrze podwzgórza i neuronach wzgórzowych.

„Uważamy, że nasza praca będzie miała znaczenie dla kilku specjalizacji medycznych, w tym kardiologii, pulmonologii, neurologii, psychiatrii i badań psychologicznych” – powiedział Krishna.

Rezai dodał: „Lepsze zrozumienie ludzkiego mózgu to kolejna granica. Interdyscyplinarna współpraca między neurochirurgami funkcjonalnymi a neurobiologami umożliwi nam uzyskanie niespotykanego dotychczas wglądu w wewnętrzne funkcjonowanie ludzkiego mózgu”.

Uznając te badania za znaczący krok naprzód, dr Nelson Oyesiku, kierownik Katedry Neurochirurgii UNC, powiedział: „Rozumiemy, że mózg utrzymuje homeostazę w całym organizmie poprzez bezpośrednią regulację neurologiczną i hormonalną.

„Badanie to pokazuje, że informacje przychodzące z serca i płuc są przetwarzane we wzgórzowych i podwzgórzowych obszarach mózgu, poza innymi obszarami, dzięki czemu nasz mózg może skutecznie przejmować swoją rolę w regulowaniu funkcji organizmu”.

O nowościach z badań nad oddychaniem i neuronauką

Autor: Marka Derewicza
Źródło: UNC
Kontakt: Marek Derewicz – UNC
Obraz: Zdjęcie przypisuje się Neuroscience News

Orginalne badania: Zamknięty dostęp.
„Pojedyncze neurony we wzgórzu i jądrze podwzgórzowym przetwarzają sygnały sercowe i oddechowe u ludzi” – Vibhor Krishna i in. PNAS

Abstrakcyjny

Pojedyncze neurony we wzgórzu i jądrze podwzgórzowym przetwarzają sygnały sercowe i oddechowe u ludzi

Sygnały trzewne są stale przetwarzane przez nasz centralny układ nerwowy, umożliwiają regulację homeostazy i wpływają na percepcję, emocje i funkcje poznawcze. Chociaż procesy trzewne na poziomie kory mózgowej były szeroko badane przy użyciu nieinwazyjnych technik obrazowania, w bardzo niewielu badaniach sprawdzano, w jaki sposób informacje te są przetwarzane na poziomie pojedynczego neuronu, zarówno u ludzi, jak i zwierząt.

Szczególnie słabo zbadane są obszary podkorowe, przekazujące sygnały z peryferyjnych interoceptorów do struktur korowych, a sposób przetwarzania informacji trzewnych w strukturach wzgórzowych i podwzgórzowych pozostaje w dużej mierze nieznany.

W tym przypadku wykorzystaliśmy śródoperacyjne zapisy mikroelektrodami u pacjentów poddawanych operacji głębokiej stymulacji mózgu (DBS), aby zbadać aktywność pojedynczych neuronów związanych z funkcjami serca i układu oddechowego w trzech obszarach podkorowych: brzusznym jądrze pośrednim (Vim) i brzusznym jądrze ogona (Vc ) wzgórza i jądra podwzgórza (STN). Podajemy, że aktywność dużej części zarejestrowanych neuronów (około 70%) była modulowana przez bicie serca, odstęp między uderzeniami serca lub oddychanie.

Te wzorce reakcji serca i układu oddechowego różniły się znacznie w zależności od neuronów, zarówno pod względem czasu, jak i rodzaju modulacji. Znaczna część tych neuronów trzewnych (30%) reagowała na więcej niż jeden z testowanych sygnałów, co podkreśla specjalizację i integrację sygnałów sercowych i oddechowych w neuronach STN i wzgórzu.

Obszernie opisując aktywność pojedynczej jednostki związaną z funkcją sercowo-oddechową w neuronach wzgórzowych i podwzgórzowych, nasze wyniki podkreślają główną rolę tych obszarów podkorowych w przetwarzaniu sygnałów trzewnych.