В мозге человека нашли реагирующие на пение нейроны
Используя внутричерепные записи мозговой активности, американские ученые обнаружили нейронную популяцию, которая избирательно реагирует на пение, но не на инструментальную музыку или речь. Эта популяция нейронов расположена в верхней части височной доли, рядом с областями, избирательно отвечающими за язык и музыку. Статья опубликована в журнале Current Biology.
В 2015 и 2021 годах ученые провели исследования с помощью фМРТ и выявили в слуховой коре головного мозга популяции нейронов, которые специфически реагируют на музыку и отличаются от близлежащих регионов, избирательно отвечающих на речевые стимулы. Несмотря на эти результаты, до сих пор было мало что известно о том, как нейроны реагируют на музыку, например, существуют ли отдельные популяции, избирательно относящиеся к определенным типам или особенностям музыки.
Исследовательская группа под руководством Сэма Нормана-Эньер (Sam Norman-Haignere) из Университета Рочестера решила получить данные с более высоким разрешением, используя технику, известную как электрокортикография (ЭКоГ). Она позволяет регистрировать электрическую активность с помощью электродов, расположенных непосредственно в коре головного мозга. Это дает гораздо более точную картину электрической активности мозга по сравнению с фМРТ, которая измеряет кровоток в мозге как показатель активности нейронов. Со слов авторов, фМРТ не позволяет отличить разные сигналы от очень близко расположенных областей, а электрокортикография способна справиться с этой задачей.
В ходе эксперимента исследователи регистрировали электрическую активность в слуховой коре головного мозга 15 участников, когда те слушали набор из 165 звуков, включая различные типы речи и музыки, а также повседневные звуки, такие как звонок телефона или звук бегущей воды. Также авторы использовали данные фМРТ из их предыдущих исследований 2015 и 2021 годов, для этого они разработали метод объединения их с данными внутричерепных записей. Поскольку фМРТ может охватывать гораздо большую часть мозга, это позволило им более точно определить расположение нейронных популяций, которые реагируют на разный тип слуховых стимулов, в том числе и пение.
В результате исследователи выделили три популяции нейронов в слуховой коре, которые выборочно реагировали на речь или музыку. Два из них реагировали почти исключительно на речь, практически не реагируя на все другие звуки, включая неречевые вокализации. Их ученые обозначили как компоненты C1 и C15. Они одинаково реагировали на звуки родной и иностранной речи (все испытуемые были носителями английского языка). Это хорошо согласуется с данными предыдущих исследований, согласно которым речевая избирательность в верхней височной борозде не определяется лингвистическим значением. Располагались эти популяции в основном в средней части верхней височной извилины, без существенной разницы между двумя полушариями ( p > 0,73). Усредненная по времени реакция этих популяций была очень похожей, что ограничило возможность анатомически различать эти два компонента с помощью фМРТ. А третья популяция нейронов (C10) сильно реагировала как на инструментальную музыку, так и на музыку с пением (p < 0,001). Эта популяция анатомически разделилась на три субпопуляции, расположенные в передней, средней и задней частях верхней височной извилины без различий между двумя полушариями (p = 0,63). И этот анатомический профиль оказался подобен музыкально-избирательному компоненту, который исследователи ранее выделили в работах 2015 и 2021 годов.
Но главное, исследователи смогли впервые выделить популяцию нейронов (C11), которые показывали сильную реакцию в ответ на пение, при этом не реагируя на все другие звуки, включая инструментальную музыку и речь (p < 0,001). Кстати, эта находка стала неожиданной и для самих авторов. Эта популяция нейронов в основном была расположена в слуховой коре, рядом с областями, избирательно отвечающими за язык и музыку. Эти нейроны, обнаруженные в слуховой коре, по-видимому, реагируют на определенное сочетание голоса и музыки, но не на обычную речь или инструментальную музыку. Исследователи отмечают, что точно неизвестно, что они делают, и для раскрытия их функции потребуется дополнительная работа.
Предыдущие исследования выявили большую область внутри верхней височной извилины, которая преимущественно реагирует на неречевые звуки голоса (височная область голоса). Тем не менее, степень, в которой речевые и голосовые избирательные реакции различаются в мозге, остается неясной. Но результаты этого исследования позволяют предполагать, что речь и голос действительно имеют пространственно различные репрезентации в слуховой коре. А очевидное совпадение речевых и голосовых ответов в предыдущих исследованиях, по мнению авторов, может быть связано с грубыми методами нейровизуализации и анализа.
Далее обсуждая свои результаты авторы выдвинули предположение о том, какие звуковые особенности лежат в основе возникновения избирательности к песне. Пение отличается от речи мелодическим интонационным контуром и ритмичностью, а от инструментальной музыки — вокальными резонансами, и, возможно, что избирательные к песне нейронные популяции чувствительны к наборам таких признаков. Это только первый шаг в длинном пути: в будущих работах исследователи надеются узнать больше о том, какие аспекты пения управляют ответами этих нейронов. А также ответить на вопрос, есть ли у младенцев области, избирательные к музыке, в надежде узнать больше о том, когда и как развиваются эти области мозга.
Несмотря на то, что на уровне отдельный нейронов и нейронных механизмов нам мало что известно о восприятии музыки, и эта тема будущих исследований, восприятие музыки мозгом — не новая тема исследований. Так, известно, что структура белого вещества предсказывает удовольствие от прослушивания музыки, а синхронизация мозговой активности помогает оценить вовлеченность в нее.
Екатерина Рощина
Оно связано с выработкой аутоантител класса IgA
Исследователи из семи стран выяснили, что нарушение формирования зубной эмали при аутоиммунном полигландулярном синдроме 1 типа и целиакии связано с выработкой антител к белкам амелобластов и представляет собой отдельную нозологическую форму, названную аутоиммунным несовершенным амелогенезом. Отчет о работе опубликован в журнале Nature. За формирование эмали — самой твердой ткани человеческого организма — отвечают расположенные в челюстях амелиобласты. Эти клетки вырабатывают различные белки, такие как амелобластин (AMBN), амелогенин (AMELX) и энамелин (ENAM), которые образуют каркас для кристаллов гидроксиапатита. После формирования ткани эти белки разрушаются специфическими ферментами — матричной металлопротеазой 20 (MMP20) и калликреин-связанной пептидазой 4 (KLK4). Мутации в этих белках или ферментах приводят к разным формам редкого врожденного заболевания — несовершенного амелогенеза. Схожие с ним дефекты эмали наблюдаются также при аутоиммунном полигландулярном синдроме 1 (APS-1, APECED, MEDAC), связанном с дисфункцией гена фактора транскрипции AIRE, и целиакии (аутоиммунном заболевании, связанном с врожденной непереносимостью глютена). Механизмы этого до сих пор оставались неуточненными. Группа ученых из Венгрии, Израиля, Норвегии, России, Финляндии, Франции и Чехии под руководством Якуба Абрамсона (Jakub Abramson) из Института имени Вейцмана провела анализ данных транскриптомных исследований и ПЦР, который показал, что у мышей AIRE не экспрессируется в амелобластах на всех этапах развития и прямого влияния на развитие эмали оказывать не может. Тем не менее он индуцирует в эпителиальных клетках мозгового вещества тимуса экспрессию амелобласт-специфичных генов, включая Amelx, Ambn, Amtn, Enam, Mmp20, Klk4, Acpt (тестикулярная кислая фосфатаза), Fam20a, Lamb3 (бета-3 субъединица ламинина) и другие. Серия последующих иммунологических исследований позволила выяснить, что у мышей (и в меньшей степени крыс), нокаутных по гену Aire, проявляется аутореактивность в отношении различных белков эмали, в особенности AMBN и AMELX. Микрокомпьютерная томография, электронная микроскопия, гистологическое и иммуногистохимическое исследования резцов таких животных выявили у них дефекты минерализации эмали без признаков разрушения амелобластного слоя при участии Т-лимфоцитов. Схожие дефекты минерализации обнаруживались у здоровых детенышей, которым в раннем возрасте вводили сыворотку нокаутных по Aire животных. В сумме эти данные указывают на то, при дефиците AIRE нарушается экспрессия амелобласт-специфичных генов в тимусе (где происходит обучение иммунных клеток «своим» белкам, которые не надо атаковать), что в итоге приводит к выработке аутоантител. Иммуноферментный анализ сыворотки крови детей и взрослых с APS-1 независимо от пола выявил наличие аутоантител класса IgA к нескольким антигенам амелобластов, включая LAMB3, FAM20A, ENAM и AMELX, или IgG1 к ACPT. Других изотипов иммуноглобулинов к белкам этих клеток определено не было. Подобные аутоантитела хотя бы к одному из основных белков амелобластов были найдены у каждого обследованного пациента, причем степень реактивности была наибольшей при тяжелых дефектах эмали. Кроме того, эти дефекты сильнее всего выражены в клыках, минерализация которых происходит дольше, чем резцов и первых моляров, а значит, потенциальная экспозиция их аутоантителам более длительна. Исследование сыворотки детей и взрослых с целиакией также показало у них повышенный уровень аутоантител IgA к LAMB3, ACPT, KLK4, AMELX, FAM20A и ENAM по сравнению с людьми без этого заболевания. Также обнаружилась слабая, но значимая корреляция между реактивностями к белкам эмали и тканевой трансглутаминазе (TGM2, служит аутоантигеном при непереносимости глютена и ключевым диагностическим маркером целиакии). Дополнительные эксперименты на мышах показали, что TGM2 принимает участие в образовании защитного слоя комплексов гидроксиапатитных кристаллов при формировании эмали. Иммуногистохимическое окрашивание образцов тканей выявило у большинства пациентов с целиакией аутоантитела IgA по меньшей мере к двум аутоантигенам — LAMB3 и TGM2, которые экспрессируются и в кишечнике, и в зубах. Кроме того, выяснилось, что при этом заболевании могут образовываться антитела к каппа-казеину (одному из основных белков коровьего молока), которые проявляют реактивность к белкам зубной эмали. На основании суммы полученных данных авторы работы заключили, что нарушение формирования эмали при APS-1 и целиакии представляет собой ранее не идентифицированное IgA-зависимое аутоиммунное расстройство, которое они назвали аутоиммунным несовершенным амелогенезом. В 2018 году международная группа химиков создала белковые матрицы, которые позволили получить фторапатит с иерархической структурой, который по механическим свойствам очень близок к зубной эмали. Годом позже американские физики выяснили, что прочность человеческой эмали придает разница в ориентации кристаллов гидроксиапатита в ней. Тогда же китайским исследователям удалось восстановить зубную эмаль с помощью ионных кластеров фосфата кальция, стабилизированных легколетучим органическим соединением.
