Neurální substrát lokomotorických centrálních generátorů vzoru u savců - Neural substrate of locomotor central pattern generators in mammals

Nervový oscilační výstup

Centrální generátory vzorů jsou biologické neurální sítě uspořádány tak, aby produkovaly jakýkoli rytmický výstup bez nutnosti rytmického vstupu. U savců jsou pohybové CPG organizovány v bederních a krčních segmentech míchy a používají se k řízení rytmického svalového výkonu v pažích a nohou. Určité oblasti mozku iniciují sestup nervové dráhy které nakonec řídí a modulují signály CPG. Kromě této přímé kontroly existují různé zpětnovazební smyčky které koordinují končetiny pro efektivní pohyb a umožňují přepínání chůze za vhodných okolností.

Obecná anatomie a fyziologie

Významné oblasti mozku

Oblasti lidského mozku

Pohyb mohou být iniciovány cestami, které pocházejí z kaudálu zadní mozek a mozkový kmen a sestoupit do mícha. Tyto sestupné cesty pocházejí z Mezencefalická pohybová oblast (MLR) a boční hypotalamus.[1] Tyto oblasti se promítají do retikulospinálních neuronů v pons a dřeň, které samy promítají do míchy a aktivují CPG zapojené do lokomoce.[2] Zejména retikulární formace v mostě hraje důležitou roli při vyvolání lokomoce. Je také známo, že parapyramidová oblast (PPR) ve ventrální dřeni vyvolává při stimulaci u novorozených potkanů ​​pohyb. Při iniciaci lokomoce hraje roli několik různých příkazových drah. Neurony zapojené do každého z nich zahrnují glutamátergní, noradrenergní (NA), dopaminergní (DA) a serotonergní (5-HT) neurony.

Mícha

Segment míchy

Centrální generátory vzorů odpovědné za pohyb v obratlovců sídlí jako poloviční středové moduly v krční a bederní oblast míchy. Každý CPG generuje základní vzor výstupu motoru, který je zodpovědný za rytmické kontrakce flexor -extenzor svaly, které odpovídají přední končetiny a zadní končetiny.[3] Existují neurální substráty, které řídí bilaterální koordinaci končetin, zejména v bederních míšních obvodech ovládajících zadní končetiny čtyřnožec savci.[4] Rytmogenní potenciál je nejvyšší ve středu míchy a klesá v mediolaterálním směru. Schopnost generovat rychlou a pravidelnou rytmickou aktivitu klesá v ocasní směru, ale sítě vytvářející rytmus sahají od bederní oblasti do kaudální oblasti hrudní oblast míchy. Boční i ventrální funiculi jsou schopni koordinovat činnost v rostrální a kaudální oblasti. Ačkoli CPGs existují u lidí, supraspinální struktury jsou také důležité pro další požadavky bipedal pohyb.[5] Existují různé funkční sítě ovládající pohyb vpřed a vzad, stejně jako různé obvody ovládající každou nohu. Tyto sítě se do značné míry nepřekrývají, i když mezi nimi existuje určitá zpětná vazba.

Významné typy neuronů

Základní neuron

Glutamatergický

Studie novorozeneckých potkanů ​​prokázala význam glutamátergní neurony, zejména ty, které obsahují Vglut2 transportér, v rytmické generaci pohybového CPG.[6] Tyto neurony se nacházejí v celém retikulární formace stejně jako bederní ventrální kořeny míchy. Stimulace MLR produkuje postsynaptické potenciály (PSP) v motoneurony s průměrem rychlost vedení 88 m / s, což naznačuje, že se jedná o a myelinováno glutamatergická cesta.[7] PSP jsou vyráběny stejným spinálem interneurony jako ti, kteří aktivují motoneurony. NMDA receptory vyvolávají napěťové oscilace v oblastech míchy, kde se nacházejí pohybové neurony. Jsou v buňkách, které exprimují transkripční faktor HB9, u nichž bylo prokázáno, že jsou rytmicky aktivní během fiktivní lokomoce v myší míše.[8]

Serotonergní

Supralumbární segmenty míchy jsou nejúčinnějším místem pro 5-HT k indukci lokomoce u novorozených potkanů.[9] 5-HT vyvolává pohyb v míše při aplikaci na hrudní šňůru, stejně jako přímo na horní bederní segmenty míchy.[10] Přesněji řečeno, serotonergní sestupná dráha pochází z parapyramidové oblasti (PPR) dřeně.[11] Pohyb vyvolaný mozkovým kmenem může být blokován 5-HT2A a 5-HT7 antagonisté receptoru. Neurony obsahující tyto receptory jsou koncentrovány v různých rostrokaudálních oblastech. První jsou soustředěny pod segmentem L2, zatímco druhé jsou soustředěny nad segmentem L3. Neurony obsahující 5-HT7 ovlivnit dobu trvání oscilačního cyklu a pohybového vzorce. Neurony obsahující 5-HT2A ovlivnit amplitudu výtoků ventrálních kořenů. To je v souladu s premotor buňky zapojené do náboru motoneuronů během pohybové aktivity.

Inhibiční

GABAergní a glycinergní neurony se podílejí jak na bilaterální koordinaci končetin, tak na rostrokaudální koordinaci.[12] Když inhibiční aktivita je blokována mezi neurony, stále dochází k rytmické aktivitě. Tato aktivita však nenaznačuje pohyb. Inhibiční neurony tedy nehrají významnou roli při generování rytmického signálu CPG, ale místo toho modulují signál, aby vedly k účinné lokomoci.

Zpětná vazba a modulace

Základní zpětnovazební smyčka

Koordinace mezi končetinami

Existuje významná koordinace mezi centrálními generátory vzorů ovládajících jednotlivé končetiny u savců. Existuje excitační i inhibiční zpětná vazba mezi levým a pravým flexorem a extensorem ventrálních kořenů daného segmentu míchy. Existuje také kaudorostrální gradient excitability, který zprostředkovává koordinaci končetin mezi bederními a krčními CPG.[12] Jedná se převážně o jednosměrnou zpětnou vazbu, přičemž bederní generátory ovlivňují cervikální generátory, ale ne naopak. Tato podélná zpětná vazba nastává jednak z důvodu přímých projekcí bederních neuronů do cervikálních neuronů, ale také z důvodu mezilehlých projekcí v hrudních segmentech míchy. Tyto hrudní segmenty nejsou jen pasivními prvky v síti, ale jsou rytmicky aktivní pomocí bederních generátorů.

Senzorická zpětná vazba

Senzorická zpětná vazba se používá k modulaci signálu CPG, aby se zvířata mohla přizpůsobit změnám prostředí nebo okolností. Tato zpětná vazba je obvykle výsledkem vizuálních nebo dotykových podnětů, ale může být výsledkem jakéhokoli vnímání vyžadujícího změnu chůze. Ve většině případů dosud není známa neurální struktura pro tento typ zpětné vazby. Ukázalo se však, že dotyková zpětná vazba CPG se podílí na zotavení symetrické chůze v zadních končetinách koček po úplném poranění míchy.[13] Zadní končetiny CPG prošly plastický změny po zranění a po tréninku na lokomotorickém běžeckém pásu zmizely jakékoli asymetrie v chůzi a bylo dosaženo oboustranné lokomoce.

Změna chůze také vyplývá ze změny signálu CPG. V generátoru spinálního rytmu však existuje asymetrie v řízení periody cyklu. Období cyklu fiktivní lokomoce u decerebrovaných koček je převážně změněno úpravou fáze prodloužení, spíše než fáze flexe.[14] Záznamy z bočních gastrocnemius -soleus extensorový nerv a tibialis anterior k prokázání tohoto kontrolního schématu byl použit flexe nerv. Protože je však tato asymetrická kontrola pozorována bez fázické senzorické zpětné vazby, supraspinálních struktur, farmakologie nebo trvalá simulace, pak řada systémů může potenciálně modulovat generátor tak, aby produkoval různé režimy změn periody fázového cyklu.

Reference

  1. ^ Jordan L, Liu J, Hedlund P, Akay T, Pearson K. Sestupné velící systémy pro iniciaci lokomoce u savců. Recenze výzkumu mozku. 2008 leden; 57 (1): 183-191.
  2. ^ Whelan PJ. Řízení lokomoce u decerebrované kočky. Pokrok v neurobiologii. Srpen 1996; 49 (5): 481-515.
  3. ^ Marder E, Calabrese RL. Principy generování rytmických motorických vzorců. Physiol Rev. 1996; 76: 687–717.
  4. ^ Kjaerulff O, Kiehn O. Distribuce sítí generujících a koordinujících pohybovou aktivitu v míše novorozeneckých potkanů ​​in vitro: studie lézí. The Journal of Neuroscience. 15. září 1996; 16 (18): 5777-5794.
  5. ^ Choi J, Bastian A. Přizpůsobení odhaluje nezávislé řídicí sítě pro lidskou chůzi. Přírodní neurovědy. 2007 1. července; 10 (8): 1055-1062.
  6. ^ Hägglund M, Borgius L, Dougherty K, Kiehn O. Aktivace skupin excitačních neuronů v savčí míše nebo zadním mozku evokuje pohyb. Přírodní neurovědy. Únor 2010; 13 (2): 246-252.
  7. ^ Noga, B.R., Kriellaars, D.J., Brownstone, R.M., Jordan, L.M. Mechanismus aktivace pohybových center v míše stimulací mezencefalické pohybové oblasti. J. Neurophysiol. 2003 září; 90 (3): 1464–1478.
  8. ^ Hinckley, CA, Hartley, R, Wu, L, Todd, A, Ziskind-Conhaim, L Lokomotorické rytmy v geneticky odlišném shluku interneuronů v míchě savců. J. Neurophysiol. 2004 12. října; 93 (3): 1439–1449.
  9. ^ Cowley KC, Schmidt BJ. Srovnání motorických obrazců vyvolaných N-methyl-D-aspartátem, acetylcholinem a serotoninem v míchách in vitro novorozeneckých potkanů. Neurosci. Lett. 1994 14. února; 171: 147–150.
  10. ^ Nishimaru H, Takizawa H, Kudo N. 5-Hydroxytryptaminem indukovaný pohybový rytmus v míše novorozenecké myši in vitro. Neurosci. Lett. 2000 14. února; 280 (3): 187–190.
  11. ^ Liu J, Jordan LM, Stimulace parapyramidové oblasti mozkového kmene novorozence potkana produkuje pohybovou aktivitu zahrnující spinální 5-HT7 a 5-HT2A receptory. J. Neurophysiol. 2005 3. května; 94 (2): 1392–1404.
  12. ^ A b Juvin L, Simmers J, Morin D. Propriospinální obvod základem koordinace končetin v savčí čtyřnohé lokomoci. The Journal of Neuroscience. 2005 22. června; 25 (25): 6025-6035.
  13. ^ Barriére G, Leblond H, Provencher J, Rossignol S. Prominentní role spinálního centrálního generátoru vzorů při obnově lokomoce po částečných poranění míchy. The Journal of Neuroscience. 2008 9. dubna; 28 (15): 3976-3987.
  14. ^ Frigon A, Gossard JP. Asymetrické řízení periody cyklu generátorem spinálního lokomotorického rytmu u dospělé kočky. J. Physiol. 2009; 587 (19): 4617-4627.