Спинальные модули у макак могут независимо контролировать направление и величину силы передних конечностей.

By Ирина Волкова No comments

Приматы не совсем лягушки
Эксперимент, проведенный почти 40 лет назад на лягушках, показал, что мускулы их ног управляются одновременным привлечением двух модулей нейронов. У макак все немного сложнее. Предоставлено: Национальный центр неврологии и психиатрии.

Японские исследователи впервые продемонстрировали гипотезу о моторном модуле позвоночника на руке приматов, открыв новый путь восстановления после болезни или травмы.

Человеческая рука состоит из 27 мышц и 18 суставов, которые наша нервная система способна координировать для выполнения сложных движений. Однако количество комбинаций — или степеней свободы — настолько велико, что искусственное воспроизведение этого контроля и регулировки мышечной активности в реальном времени требует затрат даже на современный суперкомпьютер. Хотя метод, используемый центральной нервной системой для уменьшения этой сложности, все еще изучается, гипотеза двигательного модуля является одной из возможных.

Согласно гипотезе двигательного модуля, мозг задействует межнейронные модули в спинном мозге, а не отдельные мышцы для создания движения, при этом различные модули могут быть объединены для создания определенных движений. Около 40 лет назад исследования на лягушках показали, что одновременное привлечение двух модулей нейронов, управляющих мышцами ног, создает один и тот же паттерн двигательной активности, который представляет собой «линейное суммирование» двух составляющих паттернов.

Международная группа исследователей во главе с Кадзухико Секи из отделения нейрофизиологии Национального центра неврологии и психиатрии в сотрудничестве с Дэвидом Ковальски из Университета Дрекселя и Томохико Такеи из Центра перспективных исследований Хакуби Университета Киото попыталась определить, есть ли это Метод управления моторикой также присутствует в спинном мозге приматов. Если это будет подтверждено, это даст новое понимание важности спинномозговых интернейронов в двигательной активности и приведет к новым идеям в лечении двигательных расстройств и, возможно, даже к методу «реанимации» постспинальной травмы конечности.

Команда имплантировала небольшой набор электродов в шейный отдел спинного мозга трем макакам. Под анестезией разные группы интернейронов были отобраны индивидуально с использованием техники, называемой внутриспинальной микростимуляцией или ISMS. Команда обнаружила, что, как и в случае с лягушачьей лапой, направление силы руки на запястье во время двухпозиционного моделирования было равно линейному суммированию индивидуально набранных результатов. Однако, в отличие от лягушачьей лапы, выходная величина силы может быть во много раз выше, чем ожидалось от простого линейного суммирования отдельных выходных данных. Когда команда исследовала мышечную активность, они обнаружили, что это надлинейное суммирование было в большинстве мышц, особенно в локте, запястье и пальце.

Приматы не совсем лягушки
A: Мышечная активность и выходное усилие руки от активации одного модуля (INa). B, C: во время совместного набора INa и INb направление выходной силы представлено линейной суммой выходных сигналов из двух мест (B), в то время как величина выхода может независимо контролироваться третьим набором интернейронов (INc ) (С). Предоставлено: Национальный центр неврологии и психиатрии.

«Это очень интересное открытие по двум причинам», — объясняет Секи. «Во-первых, он демонстрирует особую черту спинного мозга приматов, связанную с увеличившимся разнообразием движений пальцев. Во-вторых, теперь у нас есть прямые доказательства того, что приматы могут использовать двигательные модули в спинном мозге для управления направлением движения руки и величиной силы как эффективно, так и независимо. . «

Фактически, использование парной стимуляции спинного мозга приматов не только напрямую активирует две группы интернейронов, INa и INb, которые задействуют свои целевые мышечные синергии, Syn-a и Syn-b, для задания траектории руки, но и могут также активируют третий набор интернейронов, который может адаптировать двигательную активность на уровне позвоночника для изменения силы движения, группа INc. Это позволит мозгу спланировать путь, по которому должна идти рука, в то время как спинной мозг адаптирует мышечную активность, чтобы убедиться, что этот путь происходит.

Одним из примеров такого подхода к управлению моторикой по принципу «спланируй и адаптируйся» является обманчиво простое питье из банки содовой. Мозг может заранее определить, как лучше всего поднести банку ко рту, чтобы сделать глоток, но фактическое количество соды в банке — и, следовательно, вес банки — возможно, неизвестно. Как только ваш мозг определил траекторию, которую должна принять банка — в данном случае INa и INb — количество силы, необходимое для выполнения этого действия, можно модулировать отдельно в INc, вместо того, чтобы заново определять, какие наборы мышц будут необходимы.

Это исследование впервые экспериментально доказывает, что движения рук приматов могут эффективно контролироваться двигательными модулями, присутствующими в спинном мозге. Основываясь на результатах этого исследования, ожидается, что анализ и интерпретация движений конечностей человека на основе гипотезы двигательного модуля будет и дальше продвигаться в будущем.

В области робототехники эта теория управления может привести к более эффективным методам создания сложных движений конечностей, в то время как в области клинической медицины ожидается создание новых диагностических и терапевтических методов путем анализа двигательных нарушений, вызванных нейродегенеративные заболевания и инсульты./п>

Добавить комментарий