Мыши используют свои языки, чтобы «видеть» тактильные объекты: открытие нейронных путей может помочь в лечении неврологических расстройств
Жевание бублика во время чтения утренних новостей, разговор за рулем, извлечение кусочка пищи, застрявшего между двумя зубами: при выполнении этих и других задач язык и мозг координируют сложные движения без сознательного внимания, но точный путь в мозге до сих пор не изучен.
Теперь ученые Корнелла определили нейронный путь, который мыши используют для направления языка к тактильным целям: верхний холмик, тот же участок мозга, который приматы, включая людей, используют для направления взгляда на визуальные цели. Вероятно, что люди используют те же нейронные пути для управления языком с помощью прикосновений.
«Суть моторного контроля заключается в мониторинге поведения в режиме реального времени для внесения так называемых онлайн-корректировок. Эти корректировки происходят автоматически, но они дают сбои при самых разных заболеваниях», — говорит Джесси Голдберг, профессор и научный сотрудник Роберта Р. Капраники на кафедре нейробиологии и поведения в Колледже искусств и наук (A&S).
«Если убрать тактильную обратную связь с человеческого языка, речь станет невнятной, глотание будет нарушено», — сказал Голдберг. «На самом деле, основной причиной смерти при неврологических заболеваниях, таких как болезнь Паркинсона, дистония или БАС, является аспирационная пневмония. Потому что при плохом контроле языка вы не справляетесь с едой и водой и случайно вдыхаете их».
Определение этого нейронного пути представляет собой прогресс в лечении неврологических расстройств, сказал Голдберг, корреспондент книги «Карта колликулярных дуг для сенсорного управления языком», опубликованной 1 января в Nature . Соавторами являются Брендан Ито, аспирант-исследователь NSF в области нейробиологии и поведения (также корреспондент), и Юнцзе (Джейсон) Гао, докторант в области нейробиологии и поведения.
Играть
00:00
00:00
Немой
Настройки
ПИП
Перейти в полноэкранный режим
Играть
Мыши используют тактильную обратную связь для повторного нацеливания облизываний. Вид сбоку и снизу языка мыши для L1–L5 на полной скорости и замедленный 1/40× для испытаний смещения носика влево, по центру и вправо. Слева направо, необработанное видео, видео с языком, помеченным сверточной нейронной сетью (розовый; желтый, кончик языка; красный, контактный центроид), и предполагаемая траектория кончика языка и место облизывания для L1–L5. Фазы облизывания: выдвижение (зеленый), корректирующее субдвижение (оранжевый), контактное субдвижение носика (желтый) и втягивание (фиолетовый). Кредит: Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-024-08339-3
Большая часть мозга посвящена задачам управления моторикой в режиме онлайн, таким как жевание и не глядя тянуться за чашкой, сказал Ито. Но тактильная обратная связь, в том числе от языка, в значительной степени не исследовалась, потому что ее трудно наблюдать. Новые технологии, включая высокоскоростные камеры и машинное обучение, позволяют исследователям устанавливать новые связи.
Несколько лет назад исследователи из Корнелла, включая Ито и Голдберга, разработали методику изучения контроля моторики на месте у мышей, сосредоточившись на языке мыши, когда она облизывает струйку воды. В ходе этого исследования 2021 года Ито заметил, что мыши использовали такие тонкие тактильные события обратной связи — легкое прикосновение к краю языка — что язык, казалось, двигался разумно, когда он наблюдал за ними в миллисекундных временных масштабах.
«Мыши облизываются приступами — от шести до восьми облизываний за приступ», — сказал Ито. «В этих новых экспериментах мы перемещали носик влево или вправо от животного. Мышь не может видеть носик, поэтому ей приходится полагаться на догадку и тактильную обратную связь в конце этой догадки относительно того, где этот носик находится в пространстве».
Используя крошечные кусочки тактильной обратной связи языка, мышь перенаправляет свое следующее лизание, чтобы найти носик, подобно тому, как человек хватает чашку мизинцем, чтобы сосредоточиться на ее местоположении. Ито и команда определили это, используя алгоритм глубокого обучения для анализа часов видеоматериалов, снятых со скоростью два изображения в миллисекунду.
Для сенсорного повторного прицеливания не требуются лингвальные кортикальные области. Источник: Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-024-08339-3
Следующий вопрос: как мозг мыши решает эту проблему?
По словам Ито, используя оптогенетику (деактивацию определенных областей мозга с помощью света), исследователи с удивлением обнаружили, что фронтальные области коры головного мозга, которые отвечают за контроль языка у мышей, вообще не требуются для повторного направления языка в ответ на прикосновение.
Вместо этого «горячая точка, которую мы обнаружили, область, действительно необходимая для этих тактильных корректировок обратной связи, — это верхнее четверохолмие, которое, как известно, участвует в визуально управляемых движениях глаз», например, в повороте головы для наблюдения за птицей.
Верхний холмик содержит карту поля зрения на своей поверхности, сказал Ито. Новое открытие указывает на то, что он также содержит карту поверхности языка.
«Это не интуитивно», — сказал Голдберг. «Когда вы двигаете языком, вы не думаете, что перенаправляете схемы для визуально управляемого движения глаз. Но оказывается, что у мышей это очень консервативная архитектура мозга. И обычно то, что обнаружено на этом уровне у мышей, распространяется и на людей».
Это открытие также открывает пути исследований в области изучения речи, еще одного сложного применения сенсорного управления языком , а также искусственной интеллектуальности робототехники, разработка которой затруднена огромной вычислительной сложностью простого жеста человека или животного.
Исследовательская группа в Университете Джонса Хопкинса, вдохновленная работой команды Корнелла, в настоящее время проверяет связь у мартышек, чтобы посмотреть, сохранится ли она у приматов. Брайан Кардон, специалист по поддержке исследований в лаборатории Голдберга, также внес вклад в это исследование.