Больше, чем просто ретрансляционная станция: таламус может управлять временем развития и пластичностью мозга
Известно, что мозг развивается постепенно на протяжении всей жизни человека, следуя иерархической схеме. Сначала он адаптируется к поддержке базовых функций, таких как движение и сенсорное восприятие, а затем переходит к более продвинутым человеческим способностям, таким как принятие решений.
Исследователи из Пенсильванского университета и других институтов под руководством главного исследователя доктора Теодора Саттертуэйта недавно провели исследование, направленное на лучшее понимание того, как таламус — структура, расположенная глубоко в мозге и, как известно, участвующая в обработке и маршрутизации сенсорной информации — может способствовать развитию мозга с течением времени.
Их выводы, опубликованные в журнале Nature Neuroscience , свидетельствуют о том, что таламус — это больше, чем просто ретрансляционная станция для сенсорных и двигательных сигналов, но также играет роль в регулировании иерархической структуры и временных рамок развития мозга.
«Наша исследовательская группа изучала, как разные области коры головного мозга человека (то есть самого внешнего слоя мозга) демонстрируют разные временные окна нейропластичности в детском и подростковом возрасте», — рассказала изданию Medical Xpress доктор Валери Дж. Сиднор, первый автор статьи.
Мы показали, что снижение пластичности прогрессирует в областях коры головного мозга в иерархической последовательности развития от сенсомоторных к ассоциативным. Эта последовательность приводит к более раннему снижению пластичности в сенсомоторных областях мозга, отвечающих за зрение, слух и действия в детстве, но позволяет пластичности сохраняться и в подростковом возрасте в ассоциативных областях, отвечающих за сложные когнитивные, социальные и эмоциональные процессы.
Раскрыв последовательность, характерную для развития мозга, Сиднор и её коллеги решили определить процессы, посредством которых мозг управляет изменениями в сроках развития различных участков коры. Для этого они опирались на более ранние нейробиологические исследования, проведённые на разных животных.
«Исследования, проведённые на грызунах, показали, что таламус, подкорковая область мозга, может как стимулировать, так и ограничивать пластичность в корковых областях в процессе развития, взаимодействуя с корой посредством структурных аксональных связей», — сказал Сиднор. «Однако потенциальная роль таламуса в регуляции проявления нейропластичности в человеческом мозге не проверялась».
Вдохновленные результатами более ранних исследований, посвященных грызунам, исследователи попытались раскрыть нейронные механизмы, регулирующие адаптивность мозга в молодом возрасте. Они, в частности, исследовали структурные связи между таламусом и корковыми областями мозга, чтобы определить, связаны ли они со временем адаптации, наблюдаемой в мозге детей и подростков.
Для проведения своих экспериментов они использовали неинвазивный и безопасный метод нейровизуализации, известный как диффузионная магнитно-резонансная томография (МРТ). Этот метод позволяет измерять движение молекул воды в тканях мозга, что, в свою очередь, позволяет нейробиологам картировать нервные пути, соединяющие различные области мозга.
Атлас структурных связей таламокортикального комплекса человека, полученный с помощью диффузионной МРТ. Источник: Сиднор и др., Nature Neuroscience , 2025. DOI: 10.1038/s41593-025-01991-6
«Диффузионная МРТ — это замечательный метод, который позволяет нам выявлять крупные нейронные связи в мозге на основе того, как молекулы воды движутся (или диффундируют) по ним», — пояснил Саттертуэйт.
Мы проанализировали данные диффузионной МРТ, полученные от детей и подростков в возрасте от 8 до 23 лет в рамках трёх крупных выборок: 1) репрезентативная для всего сообщества выборка молодёжи из Филадельфии (N = 1145), 2) типично развивающаяся выборка молодёжи из Миннесоты, Массачусетса, Калифорнии и Миссури (N = 572) и 3) выборка молодёжи, испытывающей значительные симптомы психического расстройства, из Нью-Йорка (N = 959)».
Для проведения анализа исследователям пришлось создать новый атлас структурных связей таламокортикальной системы человека, то есть анатомическую карту связей между таламусом и участками коры. Эта карта позволила им обнаружить более 200 связей между таламусом и различными областями коры головного мозга каждого участника исследования.
«Таламус долгое время рассматривался как простая «ретрансляционная станция» в мозге, которая передает информацию от периферических органов, обрабатывающих окружающую среду, в кору головного мозга», — сказал Сиднор.
«Наши данные указывают на то, что таламус, вероятно, играет более активную роль в определении того, когда области коры головного мозга пластичны, и, следовательно, когда они проявляют как адаптивность, так и уязвимость к окружающей среде».
Интересно, что Сиднор и её коллеги наблюдали, что созревание структурных связей между таламусом и корой головного мозга человека происходило в последовательности «от сенсомоторных к ассоциативным». Это говорит о том, что развитие корковых областей у детей и подростков коррелирует с изменениями силы связей с таламусом. Таким образом, таламус может служить своего рода «хронометристом» созревания коры.
«Это важно, учитывая, что темпы созревания коры головного мозга связаны с когнитивными и психологическими результатами», — пояснил Сиднор.
Более того, мы обнаружили, что области коры головного мозга с таламическими связями, развивающиеся дольше, демонстрируют структурные, функциональные и нейрохимические признаки длительной пластичности в течение подросткового периода. Это указывает на то, что укрепление структурных связей таламокортикальных структур в процессе развития способствует расширению пластичности в областях мозга, связанных с когнитивными, социальными и эмоциональными процессами.
«Это также поднимает вопрос о том, как мы можем потенциально использовать таламокортикальные связи для повышения пластичности коры в процессе развития или даже во взрослом возрасте!»
Наконец, исследователи отметили, что таламокортикальные структурные связи с ассоциативными областями мозга, развивающиеся в течение более длительного периода времени, в большей степени подвержены влиянию факторов окружающей среды. Это свидетельствует о том, что непрерывное развитие и пластичность мозга связаны с длительной чувствительностью к окружающей среде.
В будущем результаты исследований группы могут послужить руководством для разработки мер, направленных на поддержку здорового развития детей и подростков путем обогащения их окружающей среды. Эти меры могут способствовать укреплению связей между таламусом и корковыми областями, способствуя развитию передовых умственных способностей.
«Теперь мы хотели бы продолжить выявление механистических регуляторов пластичности в ассоциативных областях и понять их влияние на траектории развития», — добавил Сиднор.
«Мы также заинтересованы в выявлении конкретных аспектов среды обитания молодёжи, которые могут способствовать дальнейшему укреплению таламокортикальных связей в процессе развития, способствуя пластичности и адаптивности коры. Дальнейшие исследования в этих областях продолжат прояснять наш главный вопрос: как можно использовать среду молодёжи для повышения устойчивости в периоды повышенной пластичности коры в детском и подростковом возрасте?»