Automatic orofacial behaviors remap within cortical substrates for voluntary motor control in freely moving primates
Deze studie toont aan dat bij vrij bewegende macroques corticale circuits die gewoonlijk geassocieerd worden met vrijwillige motorische controle, actief worden gerekruteerd om automatische orofaciale gedragingen zoals gapen te moduleren en vorm te geven, wat een gedeeld neuraal substraat onthult waar verschillende populatiedynamieken zowel automatische als vrijwillige gelaatsacties aansturen.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van een preprint die niet peer-reviewed is. Dit is geen medisch advies. Neem geen gezondheidsbeslissingen op basis van deze inhoud. Lees de volledige disclaimer
Eeuwenlang hebben wetenschappers een scherp onderscheid gemaakt tussen twee soorten beweging. Aan de ene kant zijn er de automatische, instinctieve handelingen die lijken te gebeuren zonder nadenken, zoals een plotselinge gaap of een vlaag van woede die de kaken aanspant. Deze worden vaak beschouwd als diep in de hersenen verankerd, in oude circuits die onafhankelijk van onze bewuste wil functioneren. Aan de andere kant zijn er vrijwillige handelingen, zoals het kiezen om een slok water te nemen of in een appel te bijten, die vertrouwen op de buitenste lagen van de hersenen om precieze commando's te plannen en uit te voeren. De langgevestigde visie was dat deze twee systemen op aparte banen liepen: de diepe hersenen hanteerden de reflexen, terwijl de oppervlakkige cortex de keuzes afhandelde. Maar dit onderscheid laat een mysterie achter. Als een aap automatisch kan gapen, waarom kan hij dan ook kiezen om zijn tanden te verbergen tijdens het gapen, of een gaping combineren met een specifiek geluid? Dit suggereert dat de bewuste hersenen naar beneden kunnen reiken om deze automatische patronen aan te passen, maar niemand wist hoe die verbinding werkte of waar die plaatsvond.
Een team van onderzoekers probeerde dit puzzelstukje op te lossen door naar de hersenen van een aap te luisteren terwijl deze zich vrij bewoog. Ze richtten zich op de ventrale motorische en premotorische cortex, de gebieden aan het oppervlak van de hersenen die verantwoordelijk zijn voor het aansturen van beweging. In plaats van de dieren in een laboratoriumstoel te beperken, wat natuurlijk gedrag belemmert, voorzagen de wetenschappers twee macroques van draadloze registratieapparaten. Deze apparaten stelden hen in staat om de elektrische activiteit van 640 verschillende plekken in de hersenen te monitoren terwijl de apen door hun kooien en een speciale observatieruimte dwaalden. De onderzoekers letten op vier specifieke gedragingen: gapen en dreiggebaren, die grotendeels automatisch zijn, en bijten en drinken, die vrijwillig zijn. Ze wilden zien of dezelfde hersencellen die de aap hielpen bij het drinken van sap ook vuurden wanneer hij gapte, en zo ja, hoe ze hun gedrag veranderden.
De resultaten onthulden een verrassend niveau van overlap. Wanneer de apen gapen, vonden de onderzoekers dat 169 specifieke plekken in de hersenen een duidelijk patroon van elektrische activiteit vertoonden, met een verstilling van één frequentieband gevolgd door een piek in een andere. Belangrijker nog, ze isoleerden 401 individuele zenuwcellen en ontdekten dat 95 van hen vuurden tijdens het gapen. Dit waren geen willekeurige cellen; het waren voornamelijk middelgrote piramidecellen, het type dat bekend staat om het verzenden van signalen naar spieren. Cruciaal was dat deze zelfde cellen ook actief waren wanneer de aap vrijwillig beet of dronk. Dit betekent dat de hersenen niet een apart, toegewijd team van cellen gebruikten voor gapen. In plaats daarvan rekruteerden ze precies dezelfde cellen die ze gebruikten voor vrijwillige handelingen.
De manier waarop deze cellen zich gedroegen veranderde echter afhankelijk van de handeling. Wanneer een aap gapte, vuurden de cellen die normaal gesproken vuurden om de mond te sluiten tijdens een vrijwillige beet, soms om de mond te openen tijdens de gaap, waardoor ze effectief tegen het automatische patroon inwerkten. Andere cellen vuurden synchroon met de automatische beweging, waardoor deze werd versterkt. Dit suggereert dat de hersenen niet alleen toekijken hoe de automatische gaap plaatsvindt; ze vormen de gaap actief vorm, waarbij ze vrijwillige signalen gebruiken om de automatische beweging te versnellen, te vertragen of de vorm ervan te veranderen. De onderzoekers bevestigden dit causale verband door de specifieke hersenplekken zachtjes te stimuleren met kleine elektrische stromen. Wanneer ze de plekken stimuleerden die vuurden tijdens het gapen, bewogen de mond en het gezicht van de aap, wat bewees dat deze cellen de kracht hebben om de spieren direct aan te sturen.
In contrast hiermee was de reactie van de hersenen op dreiggebaren anders. Hoewel sommige cellen vuurden tijdens een dreigement, waren er veel minder in aantal dan de cellen die betrokken waren bij het gapen. Bovendien behielden deze cellen hun oorspronkelijke taak: als een cel vuurde om de mond te openen tijdens een vrijwillige beet, vuurde deze ook om de mond te openen tijdens een dreigement. Ze wisselden niet van rol of werkten de beweging tegen. Dit geeft aan dat hoewel de hersenen een gaap flexibel kunnen hervormen, ze het snelle, automatische dreiggebaar grotendeels ongemoeid laten, misschien omdat het te snel gaat om door bewuste gedachten te worden aangepast.
De studie keek ook naar het grotere plaatje van hoe deze hersencellen samenwerken als groep. Door de activiteit van alle cellen tegelijkertijd in kaart te brengen, zagen de onderzoekers dat vrijwillige handelingen zoals bijten en drinken lange, duidelijke paden volgden in de activiteitsruimte van de hersenen. Automatische handelingen zoals gapen en dreiggebaren volgden kortere, compactere paden die dicht bij elkaar lagen, maar nog steeds verschillend waren van de vrijwillige acties. Ondanks dat de automatische gedragingen een kleinere, gedeelde groep cellen gebruikten, konden de hersenen ze nog steeds van elkaar onderscheiden en van de vrijwillige acties. Dit betekent dat de hersenen een flexibel systeem hebben waarbij ze dezelfde instrumenten uit hun gereedschapskist kunnen halen om verschillende dingen te bouwen. Ze kunnen de centra voor vrijwillige controle gebruiken om een automatische gaap voorzichtig te sturen, waardoor het dier in staat is een diepgeworteld instinct aan te passen aan de huidige sociale situatie, terwijl de duidelijke identiteit van elk gedrag intact blijft.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.