Синаптическая изменчивость обеспечивает адаптивность к ритмическому двигателю

By Мирослав Белоголовка No comments

Синаптическая изменчивость обеспечивает адаптивность для ритмического моторного паттерна
Аплизия в движении и в состоянии питания, а также выявленные нейроны в центральной нервной системе, которые контролируют поведение. Кредит: Цзян Цзин, Ке Ю

Хорошо тренированный спортсмен, бегущий на 100 ярдов, выполняет стереотипный, повторяющийся моторный паттерн. Нейробиологи понимают, что эти ритмические двигательные программы, такие как ходьба, плавание и бег, производятся нейронной схемой, которая генерирует повторяющиеся паттерны, которые похожи от цикла к циклу. Более ста лет назад эксперименты с спинным мозгом привели к предположению, что простая нейронная сеть может генерировать такой ритмичный колебательный режим стрельбы. Эти колебательные сети теперь известны как центральные генераторы паттернов.

При анализе производства этих паттернов стрельбы центральными генераторами паттернов нейробиологи традиционно сосредоточились на экспериментальных препаратах, где ритмический выход практически идентичен от цикла к циклу. Однако для успеха животного или человека моторная программа должна быть адаптируемой. Моторный рисунок человека, идущего по мокрой скользкой поверхности, отличается от двигательного режима человека, идущего по сухой гладкой поверхности. Моторный характер человека, который ест гранолу с орехами и сушеными ягодами, отличается от моторного режима человека, который ест обычную овсянку.

Создание переменных моторных программ также важно для обеспечения будущего обучения. В процессе развития ребенок учится вырабатывать зрелую двигательную модель, начиная с очень изменчивой модели. Вначале ходьба малыша очень нестабильна, но вскоре они могут ходить последовательной походкой. Тот же процесс продолжается, когда пожилой человек изучает новое занятие, такое как плавание или катание на коньках. Постепенно нервная система последовательно вырабатывает более успешную двигательную программу. Птицы, которые изучают песню, проходят аналогичную стадию: в начале песня меняется, но постепенно она становится более стереотипной или последовательной.

Как нервная система генерирует переменные двигательные программы? Недавно исследователи из Нанкинского университета в Нанкине и лаборатории Пэн Ченг в Шэньчжэне, в сотрудничестве с коллегами на горе Синай в Нью-Йорке, изучали моторную программу для питания в простой нервной системе морской аплисии улитки. Эти исследователи определили важный фундаментальный механизм, с помощью которого изменчивость силы возбуждающих входов в центральный генератор шаблонов подачи приводит к гибкости в программе питания двигателя. Когда один нейрон обеспечивает вход для другого, он часто вызывает электрический ответ, то есть постсинаптический потенциал. Давно признано, что отдельные постсинаптические потенциалы обычно являются подпороговыми для запуска постсинаптического ответа. Кроме того, амплитуда постсинаптического потенциала обычно существенно изменяется во времени, даже в течение менее одной десятой секунды. Хотя это может показаться неоптимальным, авторы демонстрируют, что при определенных условиях эта изменчивость может привести к гибкости поведения.

Аплисия морской улитки имеет относительно немного нервных клеток, и те же самые отдельные нервные клетки обладают характерными свойствами и могут быть повторно идентифицированы от одного отдельного животного к другому. Воспользовавшись своей способностью работать с идентифицированными нейронами, авторы продемонстрировали, что синаптические входные сигналы от любого из двух идентифицированных вверх по течению нейронов могут управлять активностью в центральном центральном нейроне-генераторе паттернов, который имеет низкий уровень возбудимости. Вход от одного вышестоящего нейрона является переменным и довольно слабым и не всегда вызывает срабатывание нейрона генератора паттернов. Следовательно, моторные программы, которые запускаются, когда активируется эта верхняя ячейка, являются переменными. В отличие от этого, хотя вход от второго вышестоящего нейрона также изменчив, он значительно сильнее. Следовательно, нейрон генератора структуры надежно возбуждается, и выходная мощность двигателя намного менее изменчива. Таким образом, производит ли схема стереотипный или переменный образец, определяется тем, какой восходящий нейрон управляет активностью. Изящные исследования в области компьютерного моделирования усилили физиологические результаты и раскрыли дополнительную информацию, которая прояснила специфический вклад синаптической изменчивости и силы в различную степень изменчивости моторной программы.

Таким образом, авторы демонстрируют, что изменчивость синаптических входов в сочетании с низким уровнем возбудимости нейрона центрального генератора паттернов позволяет улитке переключаться на более изменчивый паттерн поведения. Дальнейшие исследования покажут, могут ли подобные изменения изменчивости моторных программ у млекопитающих быть объяснены аналогичным механизмом.

Исследование опубликовано в Science Advances ./p>

Добавить комментарий