Under de senaste decennierna har neurovetenskapen sett några fantastiska framsteg, och ändå förblir en kritisk del av hjärnan ett mysterium. Jag syftar på lillhjärnan, så uppkallad efter latinets för "lilla hjärna", som ligger som en bulle på baksidan av hjärnan. Detta är ingen liten förbiseende: Lillhjärnan innehåller tre fjärdedelar av alla hjärnans nervceller, som är organiserade i ett nästan kristallint arrangemang, i motsats till det trassliga snår av nervceller som finns någon annanstans.

Encyclopedia artiklar och läroböcker understryker det faktum att lillhjärnans funktion är att kontrollera kroppens rörelser. Det råder ingen tvekan om att lillhjärnan har denna funktion. Men forskare misstänker nu att denna långvariga uppfattning är närsynt.

Eller så lärde jag mig i november i Washington, DC, medan jag gick på Society for Neuroscience årsmöte, det största mötet av neuroforskare i världen. Där organiserade ett par neuroforskare en symposium om nyupptäckta funktioner i lillhjärnan som inte är relaterade till motorisk kontroll. Nya experimentella tekniker visar att lillhjärnan förutom att kontrollera rörelser reglerar komplexa beteenden, sociala interaktioner, aggression, arbetsminne, inlärning, känslor och mer.

En spricka i dominerande visdom

Kopplingen mellan lillhjärnan och rörelsen har varit känd sedan 19-talet. Patienter som drabbats av trauma mot hjärnregionen hade uppenbara svårigheter med balans och rörelse, vilket inte lämnar något tvivel om att det var avgörande för att samordna rörelse. Under årtiondena har neuroforskare utvecklat en detaljerad förståelse av hur lillhjärnans unika neurala kretsar styr motorfunktionen. Förklaringen till hur lillhjärnan fungerade verkade vattentät.

Sedan, 1998, i tidskriften Hjärna, rapporterade neurologer om omfattande känslomässiga och kognitiva funktionsnedsättningar hos patienter med skada på lillhjärnan. Till exempel, 1991, hade en 22-årig kvinnlig collegestudent ramlat när han åkte skridskor; en datortomografi avslöjade en tumör i hennes lillhjärna. Efter att det togs bort kirurgiskt var hon en helt annan person. Den smarta collegestudenten hade förlorat sin förmåga att skriva med skicklighet, göra huvudräkning, namnge vanliga föremål eller kopiera ett enkelt diagram. Hennes humör plattades. Hon gömde sig under tak och betedde sig olämpligt, klädde av sig i korridorerna och pratade i babysnack. Hennes sociala interaktioner, inklusive att känna igen bekanta ansikten, försämrades också.

Detta och liknande fall förbryllade författarna. Dessa kognitiva och emotionella funktioner på hög nivå förstods ligga i hjärnbarken och det limbiska systemet. "Exakt vad den lillhjärnans roll är, och hur lillhjärnan åstadkommer den, är ännu inte fastställd", avslutade de.

Trots dessa ledtrådar från kliniska studier om att konventionell visdom var på fel spår, insisterade ledande myndigheter fortfarande på att lillhjärnans funktion var att kontrollera rörelser och inget mer. "Det är lite sorgligt eftersom det har gått 20 år [sedan dessa fall rapporterades]," sa Diasynou Fioravante, en neurofysiolog vid University of California, Davis, som var med och organiserade konferenssymposiet.

Andra neurologer har märkt neuropsykiatriska brister hos sina patienter hela tiden, sa neuroforskaren Stephanie Rudolph från Albert Einstein College of Medicine, som organiserade symposiet med Fioravante. Det fanns dock inga hårda anatomiska bevis för hur lillhjärnans unika neurala kretsar skulle kunna reglera de rapporterade psykologiska och känslomässiga funktionerna, så de kliniska rapporterna förbises.

Nu, en bättre förståelse av lillhjärnans kretslopp bevisar att fallstudierna har rätt och dominerande visdom fel.

Precisionskabeldragning

Smakämnen ledningsmönster i lillhjärnan är exakt organiserad och komprimerad för att koncentrera tre fjärdedelar av hjärnans nervceller till en 4-tums lob. Den huvudsakliga typen av neuron i lillhjärnan, kallad Purkinje-cellen, är vitt förgrenad som en solfjäderkorall, men ändå tillplattad och nästan tvådimensionell. Fläktens blad är neuronens dendriter, som tar emot inkommande signaler. Dessa platta neuroner är anordnade parallellt, som om miljontals solfjäderkoraller var staplade ovanpå varandra i en tät bunt. Tusentals små neuroner driver axoner - hjärnans överföringskablar för elektriska impulser - vinkelrätt genom stapeln av dendriter, som trådar i en vävstol. Varje axon ansluter till dendriterna hos tiotusentals Purkinje-celler.

Denna nivå av sammankoppling ger lillhjärnans 50 miljarder neuroner en häpnadsväckande förmåga till integration. Denna krets, unik för lillhjärnan, kan knäcka enorma mängder inkommande data från sinnena för att reglera kroppsrörelser. Den flytande rörelsen hos en ballerina som hoppar över scenen kräver att lillhjärnan snabbt bearbetar information från alla sinnen samtidigt som den spårar benens förändrade positioner, upprätthåller balansen och kartlägger utrymmet genom vilket kroppen rör sig. Lillhjärnan använder den dynamiska informationen för att kontrollera muskler med exakt timing, och för att göra det i rätt sociala sammanhang, driven av känslor och motivation.

Fioravante och Rudolph berättade för mig att neuroforskare nu inser att den kraftfulla neurala kretsen i lillhjärnan som integrerar information för kroppsrörelser också utrustar den för att hantera komplexa mentala processer och beteenden.

"Till exempel just nu," förklarade Rudolph när vi pratade innan symposiet började, "ställer du frågor och vi ger svar. Det är ett komplext beteende." Hon behövde förstå mitt tal, formulera ett svar och sedan använda muskler för att producera ord. Hon var också tvungen att ta in mitt kroppsspråk och andra subtila signaler. "Du nickar till exempel just nu, så av detta kan jag dra slutsatsen att du lyssnar och är intresserad", sa hon.

Jag hade inte fullt ut insett komplexiteten i den motoriska kontroll som krävs för tal tidigare. Fysiskheten inkluderar inte bara tungans och läpparnas intrikata gymnastik – för att producera ljud samt justera tonhöjd och volym – utan också gestikulation. Våra ord är tidsinställda så att vi inte pratar över den andra personen, och de är reglerade för det sociala sammanhanget: ingjutna med rätt känslor och drivna av motivation, tanke, förväntan och humör.

Att samordna dessa olika funktioner kräver att man utnyttjar nästan allt som hjärnan gör - från reglering av hjärtfrekvens och blodtryck, utförd i djupa hjärnregioner, till bearbetning av sensorisk och känslomässig information, utförd av det limbiska systemet. Det kräver också engagemang med de kognitiva funktionerna på högsta nivå av förståelse, hämning och beslutsfattande i den prefrontala hjärnbarken.

För att lillhjärnan ska göra det måste den ha kopplingar som spänner över hela hjärnan. Fram till nu saknades bevis för det, men nya tekniker avslöjar dessa vägar.

Ett nav för sensorisk input

För bara decennier sedan, när neuroanatomer kartlade hjärnan, kunde de inte hitta några direkta kopplingar från lillhjärnan till hjärnregioner som styr känslor och kognition, såsom det limbiska systemet och den prefrontala cortex. Det fick dem att tro att lillhjärnan var något isolerad och oinvolverad i dessa högre kognitiva funktioner. Men precis som banditer kan undvika en spårare genom att byta fordon, kan neurala signaler hoppa från en neuron till nästa. Denna undercover-aktion kastade neuroanatomer av lillhjärnans spår.

Nya metoder har gjort det möjligt för neuroanatomer att spåra dessa vägar från lillhjärnan över reläpunkter och följa dem över hela hjärnan. Forskare kan till exempel plantera rabiesvirus i neuroner för att se exakt vilka andra neuroner de kommer i kontakt med. De har genetiskt framställt fluorescerande proteiner för att blinka när en neural impuls avfyras så att de kan se trafikflödet i neurala kretsar. De kan också spåra fotspår som lämnats efter av neuronal trafik: Uppkomsten av proteiner som produceras när en neuron avfyrar kan hjälpa till att identifiera alla celler som kommunicerar i ett neuralt nätverk när ett specifikt beteende utförs.

På symposiet delade forskare en mängd fascinerande nya rön som avslöjades av dessa nya metoder som visar deras utvecklande förståelse av lillhjärnan.

Jessica Verpeut från Arizona State University rapporterade data som beskriver det invecklade och vidsträckta nätverket av cerebellära kopplingar som aktiveras i hela hjärnan hos möss när de umgås eller lär sig att förhandla fram en labyrint.

Rudolph delade experiment som visade att moderns beteende, studerat hos honmöss som tog hand om sina ungar, påverkades av hormoner som verkar på lillhjärnan, särskilt hormonet oxytocin, som främjar moderns bindning. När denna mekanism avbröts experimentellt tog mamman inte längre hand om sina valpar.

Yi-Mei Yang från University of Minnesota visade att när hon störde vissa cerebellära neuroner, tappade möss intresset för att umgås med okända möss som infördes i deras bur. De hade dock inga svårigheter att interagera med och komma ihåg nya livlösa föremål. Detta indikerade ett underskott i komplext socialt igenkännande minne, liknande vad autister upplever.

Faktum är att lillhjärnan ofta är mindre hos autister, och Aleksandra Badura från Erasmus University Medical Center i Rotterdam presenterade nya data som tyder på att lillhjärnan är involverad i autism eftersom den är ett nav för sensorisk input, särskilt för signaler relaterade till sociala sammanhang.

Denna nya forskning går utöver musstudier. Andreas Thieme från universitetssjukhuset Essen i Tyskland presenterade ett nytt kliniskt test som används för att korrekt diagnostisera de emotionella och kognitiva försämringar som orsakas av cerebellär skada.

Dessa nya, banbrytande studier visar att utöver att kontrollera rörelser, reglerar lillhjärnan komplext socialt och känslomässigt beteende. För att uppnå detta globala inflytande måste lillhjärnan vara ett dataknäppande nav med kopplingar i hela hjärnan. Inte konstigt att den har så många neuroner. För att utföra denna högordnade kommando och kontroll på egen hand måste det i själva verket vara en liten hjärna.