Vědci z Institutu Maxe Plancka zjistili, že náš mozek řídí časování pohybů s precizností, která připomíná vnitřní hodiny. Dvě mozkové oblasti spolupracují na tom, abychom věděli, kdy se pohnout, promluvit či zareagovat – poznatek, který může otevřít nové cesty k léčbě neurologických onemocnění.
Pohyb ruky, vyslovení slova nebo krok se zdají být automatické, ale stojí za nimi překvapivě přesný výpočet času. Mozek přesně rozhoduje o tom, kdy má každá činnost proběhnout, téměř jako by měl zabudované stopky. Nedávná studie Institutu Maxe Plancka na Floridě (MPFI) ve Spojených státech zjistila, že se tak děje proto, že na dosažení této synchronizace spolupracují dvě oblasti mozku, jako by pracovaly vnitřní přesýpací hodiny, které se neustále vyprazdňují, dokud nenastane ten správný okamžik k akci.
Toto zjištění není žádnou maličkostí: potenciálně se týká celé populace, protože schopnost načasovat a koordinovat pohyby se podílí téměř na všem, co děláme, od chůze bez klopýtání až po vedení rozhovoru nebo hru na hudební nástroj. Autoři článku zdůrazňují, že ačkoli se jedná o velmi slibný pokrok, je stále v raném stádiu a je třeba více prostředků a výzkumného úsilí, abychom plně porozuměli těmto „vnitřním hodinám“ a tomu, jak jsou změněny při neurologických onemocněních.
Tajemství koordinace pohybů
Přestože nemáme „smysl pro čas“ jako zrak nebo sluch, jsme schopni přizpůsobit své pohyby s překvapivou přesností. Dokážeme tleskat rukama do rytmu písně, zabrzdit auto těsně před semaforem nebo hodit míč přesně ve správný okamžik. To vše vyžaduje, aby mozek vypočítal velmi krátké časové intervaly a převedl je na koordinované akce.
Vědci se již desítky let snaží pochopit, jak to mozek dělá. Věděli, že několik oblastí, jako jsou bazální ganglia a motorická kůra, je pro pohyb klíčových. Nový výzkum MPFI však podrobněji ukazuje, že dvě konkrétní oblasti velmi přesně spolupracují při řízení načasování a rytmu činností:
- Jedna oblast je zodpovědná za označování plynutí času a vytváří jakési vnitřní „odpočítávání“.
- Druhá oblast tyto informace shromažďuje a rozhoduje o přesném okamžiku, kdy má pohyb začít.
Společně umožňují, aby naše akce byly plynulé a koordinované, jako by mozek měl dirigenta, který určuje tempo, a sekci, která nastupuje ve správný čas. Když je tento systém narušen, pohyby mohou být pomalé, nekoordinované nebo se objevují v nevhodnou dobu.
Tento typ „vnitřních hodin“ je důležitý nejen pro pohyb. Předchozí studie ukázaly, že se podílí i na takových úkolech, jako je předvídání, kdy se něco stane (např. kdy spadne míč), nebo udržování rytmu řeči. Lidé s poruchami v těchto oblastech mohou mít totiž potíže se sledováním hudebního rytmu nebo s koordinací řeči s pohyby úst a dýcháním.
Jak byly zkoumány vnitřní hodiny mozku
Pro podrobnou analýzu tohoto procesu pracovali vědci s myšmi, což je model hojně využívaný v neurovědách, protože jejich mozek sdílí mnoho základních principů s lidským. Trénovali zvířata, aby se naučila čekat určitou dobu, než provedou velmi jednoduchou činnost: olíznutí malého dávkovače vody.
Úkol fungoval následovně: myši dostaly odměnu pouze tehdy, pokud olízly dávkovač ve správný čas, například po uplynutí jedné sekundy od počátečního signálu. Pokud to udělaly příliš brzy nebo příliš pozdě, nedostaly nic. Postupem času se zvířata naučila přizpůsobit své chování a vnitřně „počítat“ tento časový interval.
Zatímco myši plnily úkol, tým zaznamenával aktivitu tisíců neuronů v obou oblastech mozku, které se podílejí na kontrole času a pohybu. Použili k tomu pokročilé zobrazovací techniky, jako je dvoufotonová mikroskopie, která jim umožňuje pozorovat neuronální aktivitu u živých zvířat s velkou přesností.
Kromě toho vědci použili velmi mocný nástroj moderní neurovědy: optogenetiku. Tato technika spočívá v genetické modifikaci určitých neuronů tak, aby se zapínaly nebo vypínaly při osvětlení záblesky světla určité vlnové délky. Tímto způsobem je možné na okamžik „zapnout“ nebo „vypnout“ určité oblasti mozku a sledovat, co se stane s chováním.
V této studii vědci použili malé záblesky světla, aby dočasně přerušili aktivitu jedné ze dvou oblastí, zatímco myši plnily úkol „čekání a klikání“. Byli schopni sledovat, jak se mění vnímání času a přesnost pohybu, když jedna z těchto dvou oblastí přestane správně pracovat, i když jen na několik okamžiků.
Výsledky byly jasné: když se změnila oblast, která značí plynutí času, myši ztratily schopnost správně odhadnout interval a pohybovat se dopředu nebo dozadu. Naproti tomu, když byla narušena oblast, která shromažďuje informace a rozhoduje o tom, kdy jednat, zvířata zřejmě „věděla“, kolik času přibližně uplynulo, ale nedokázala provést pohyb ve správný čas. To naznačuje, že každá z těchto oblastí hraje při řízení času a akce odlišnou, ale doplňkovou roli.
Které oblasti mozku jsou zapojeny
Ačkoli se studie zaměřuje na myši, analyzované oblasti mají své ekvivalenty i v lidském mozku. Jedna z klíčových oblastí se nachází v bazálních gangliích, což je soubor hlubokých mozkových jader, která se podílejí na výběru a zahájení pohybu. Druhá oblast se nachází v čelní kůře mozkové, která se podílí na plánování, rozhodování a dobrovolné kontrole chování.
Již dříve bylo známo, že bazální ganglia hrají roli při onemocněních, jako je Parkinsonova choroba, kdy jsou poškozeny okruhy závislé na dopaminu, neurotransmiteru nezbytném pro pohyb. Novinkou této práce je, že podrobněji ukazuje, jak tyto struktury pomáhají nejen „zapínat“ nebo „vypínat“ pohyby, ale také přesně vypočítat, kdy k nim má dojít.
Čelní kůra funguje jako jakési „řídicí centrum“, které integruje časové informace z ostatních oblastí a rozhoduje, kdy je správný čas na provedení akce. Toto rozdělení úkolů – jedna oblast, která měří čas, a druhá, která jej využívá k motorickým rozhodnutím – pomáhá vysvětlit, proč se při poškození těchto okruhů objevují velmi specifické problémy s koordinací a rytmem.
Klíčový poznatek pro neurologická onemocnění
Odborníci vysvětlují, že o těchto dvou mozkových oblastech se již vědělo, že jsou důležité pro pohyb, ale až dosud nebylo jasné, jak si rozdělují práci a jak se koordinují při řízení časování. Tento objev pomáhá pochopit, proč při postižení těchto oblastí dochází k problémům s koordinací a kontrolou pohybu.
K tomu dochází například u nemocí, jako je Parkinsonova nebo Huntingtonova choroba, kdy mají lidé potíže s iniciací nebo synchronizací svých akcí. U Parkinsonovy choroby se pacienti často potýkají s bradykinezí (pomalými pohyby), rigiditou a třesem. Mohou mít také problémy s přizpůsobením načasování kroků při chůzi, což zvyšuje riziko pádu. U Huntingtonovy choroby se naopak objevují mimovolní a nekontrolované pohyby, které rovněž souvisejí s poruchami v bazálních gangliích.
S poruchami těchto mozkových okruhů souvisejí i další poruchy, jako je dystonie (mimovolní svalové stahy způsobující abnormální držení těla) nebo některé poruchy řeči. Bylo dokonce zjištěno, že lidé s poruchou pozornosti s hyperaktivitou (ADHD) nebo poruchami autistického spektra mohou vykazovat potíže s odhadem časových intervalů nebo udržováním stálého rytmu, což naznačuje, že „vnitřní hodiny“ mohou být narušeny u různých typů neurologických a psychiatrických onemocnění.
Lepší pochopení toho, jak tyto oblasti spolupracují při měření času a koordinaci pohybů, otevírá dveře novým způsobům diagnostiky a léčby těchto poruch. V budoucnu by například mohly být vyvinuty jednoduché testy na odhad času, které by pomohly včas odhalit poruchy v těchto obvodech, a to ještě předtím, než se objeví zjevné motorické příznaky.
Za hranice pohybu: Čas, vnímání a učení
Toto zjištění má důsledky i mimo oblast řízení pohybu. Mozek používá čas téměř ke všemu: k učení (spojování příčiny s následkem), k vnímání jazyka (rozlišování velmi krátkých zvuků ve slově) nebo k poslechu hudby (sledování rytmu a očekávání dalšího taktu).
Předchozí studie ukázaly, že bazální ganglia a čelní kůra mozková se podílejí na úlohách učení se odměně, tj. úlohách, při nichž musí mozek zjistit, které činnosti vedou k pozitivnímu výsledku. V této souvislosti je rozhodující načasování: obdržet odměnu bezprostředně po akci není totéž jako obdržet ji o několik sekund později. Nová práce MPFI naznačuje, že stejné „vnitřní hodiny“, které regulují pohyby, mohou také pomáhat vypočítávat časový vztah mezi akcemi a následky, což je pro učení se ze zkušeností zásadní.
Kromě toho je známo, že vnímání času se může měnit v situacích stresu, strachu nebo nudy: někdy se minuty zdají jako hodiny a jindy hodiny letí. Ačkoli se studie MPFI zaměřuje na velmi krátké intervaly (řádově sekundy), pochopení toho, jak mozek tento pocit času konstruuje, by mohlo pomoci vysvětlit, proč k těmto zkreslením dochází v různých emočních stavech.
Pohled do budoucnosti
Pro vědce tento průlomový objev nejen rozšiřuje chápání toho, jak mozek funguje, ale mohl by také posloužit jako základ pro vývoj léčby, která by v budoucnu pomohla znovu získat kontrolu nad pohybem. Znalost toho, které konkrétní obvody selhávají a jak by měly fungovat, usnadňuje navrhování terapií zaměřených na obnovení, kompenzaci nebo modulaci jejich činnosti. Některé z možných aplikací, které se předpokládají ve střednědobém až dlouhodobém horizontu, zahrnují:
- Přesnější hluboká mozková stimulace: tato technika, která se již používá u Parkinsonovy choroby, spočívá v implantaci elektrod hluboko do mozku a v regulaci jeho činnosti pomocí elektrických impulsů. S podrobnější znalostí časových obvodů by bylo možné stimulaci upravit tak, aby se zlepšila nejen síla nebo plynulost pohybu, ale také jeho načasování.
- Léky, které modulují „vnitřní hodiny“: mnoho těchto okruhů závisí na neurotransmiterech, jako je dopamin. Lepší pochopení toho, jak je čas v mozku uspořádán, by mohlo pomoci navrhnout léky, které by korigovaly specifické poruchy vnímání času a pohybové koordinace.
- Rehabilitace a kognitivní trénink: cvičení určená ke zlepšení odhadu času a rytmu by mohla být zařazena do rehabilitačních programů pro pacienty s pohybovými poruchami s cílem posílit příslušné mozkové obvody.
- Rozhraní mozek-stroj: V budoucnu by tyto poznatky mohla využívat zařízení, která čtou mozkovou aktivitu k ovládání protéz nebo externích systémů, a to pomocí časových signálů mozku k vytváření přirozenějších a koordinovanějších umělých pohybů.
Sami autoři studie zdůrazňují, že ačkoli jsou výsledky velmi slibné, je ještě příliš brzy na to, aby je bylo možné převést přímo do klinické praxe. Je zapotřebí dalšího výzkumu na zvířatech a lidech, aby se potvrdilo, že tyto mechanismy fungují podobným způsobem i v našem mozku, a aby se prozkoumalo, jak jsou změněny při konkrétních onemocněních.
Pochopení toho, jak mozek měří čas, může být klíčem k resetování vnitřních hodin, když přestanou správně fungovat. A zároveň nám pomůže odpovědět na zásadní otázku: jak mozek dokáže proměnit plynutí času v přesné a smysluplné úkony, což je něco, co považujeme za samozřejmost každý den, ale co vyžaduje mimořádně složitý nervový mechanismus.
Proč se nás toto zjištění týká
Přestože studie byla provedena na myších a zaměřuje se na velmi specifické mechanismy, její důsledky jsou široké a týkají se celé populace. Schopnost načasovat a koordinovat pohyby je zásadní pro takové každodenní činnosti, jako je chůze, mluvení, řízení auta, sportování nebo prostě jen to, abyste nerozlili šálek kávy, když ho zvedáte.
Kromě toho se ve společnostech se starší populací stále častěji vyskytuje mnoho neurologických onemocnění spojených se stárnutím, jako je Parkinsonova choroba. Důkladné pochopení toho, jak fungují „vnitřní hodiny“ mozku, může být v příštích desetiletích rozhodující pro prevenci, diagnostiku a léčbu těchto poruch.
Vědci proto vyzývají k větším investicím a podpoře základního neurovědního výzkumu. I když se tyto studie okamžitě nepromítnou do léku nebo terapie, položí základy pro budoucí klinický pokrok. Každá nově objevená informace o tom, jak mozek organizuje čas a pohyb, přibližuje možnost vývoje léčby, která zlepší kvalitu života milionů lidí.