Generator central de tipare

Generatorii de tipare centrale pot îndeplini multe funcții la animalele vertebrate. CPG-urile pot juca roluri în mișcare, respirație, generare de ritmuri și alte funcții oscilatorii. Secțiunile de mai jos se concentrează pe exemple specifice de locomoție și generare de ritmuri, două funcții cheie ale CPG-urilor.

LocomoțieEdit

Încă din 1911, s-a recunoscut, prin experimentele lui Thomas Graham Brown, că modelul de bază al pasului poate fi produs de măduva spinării fără a fi nevoie de comenzi descendente din cortex.

Prima dovadă modernă a generatorului central de tipare a fost produsă prin izolarea sistemului nervos al lăcustelor și demonstrarea faptului că acesta putea produce o ieșire ritmică izolată asemănătoare cu cea a lăcustelor în zbor. Acest lucru a fost descoperit de Wilson în 1961. De atunci, au apărut dovezi ale prezenței generatorilor centrali de tipare la animalele vertebrate, începând cu lucrările efectuate pe pisică în anii 1960 de către Elzbieta Jankowska din Göteborg, care a furnizat prima dovadă a existenței unui CPG al măduvei spinării. Această secțiune abordează rolul generatorului central de tipare în locomoție pentru lampred și om.

Limpredul a fost folosit ca model pentru CPG-urile vertebratelor deoarece, deși sistemul său nervos are o organizare de vertebrat, împărtășește multe caracteristici pozitive cu nevertebratele. Atunci când este îndepărtată de la lamprei, măduva spinării intactă poate supraviețui zile întregi in vitro. De asemenea, are foarte puțini neuroni și poate fi stimulată cu ușurință pentru a produce o mișcare de înot fictivă care indică un generator central de modele. Încă din 1983, Ayers, Carpenter, Currie și Kinch au propus că există un CPG responsabil pentru majoritatea mișcărilor ondulatorii la lamprei, inclusiv înotul înainte și înapoi, săparea în noroi și târârea pe o suprafață solidă, care, deși, în mod surprinzător, nu se potrivește cu activitatea din animalul intact, a furnizat totuși producția locomotorie de bază. S-a constatat că diferitele mișcări sunt modificate de neuromodulatori, inclusiv de serotonină într-un studiu realizat de Harris-Warrick și Cohen în 1985 și de taichinină într-un studiu realizat de Parker et al. în 1998. Modelul lamprei de CPG pentru locomoție a fost important pentru studiul CPG-urilor. Deși Sten Grillner susține că rețeaua locomotorie este caracterizată, o afirmație care a fost aparent acceptată necritic de către domeniul rețelelor locomotorii din măduva spinării, există de fapt multe detalii lipsă, iar Grillner nu poate furniza dovezile pe care le folosește pentru a-și susține afirmațiile (Parker 2006). O schemă generală a CPG de lamprei este utilizată în prezent în crearea de CPG-uri artificiale. De exemplu, Ijspeert și Kodjabachian au folosit modelul lui Ekeberg pentru lamprei pentru a crea CPG-uri artificiale și a simula mișcările de înot într-un substrat asemănător cu cel al lampreilor, folosind controlere bazate pe o codificare SGOCE. În esență, aceștia sunt primii pași spre utilizarea CPG-urilor pentru a codifica locomoția în roboți. Modelul vertebratelor de CPG a fost, de asemenea, dezvoltat atât cu formalismul Hodgkin-Huxley, cu variantele sale, cât și cu abordări ale sistemelor de control. De exemplu, Yakovenko și colegii săi au dezvoltat un model matematic simplu care descrie principiile de bază propuse de T.G. Brown cu unități de integrare până la prag organizate cu conexiuni inhibitorii reciproce. Acest model este suficient pentru a descrie proprietăți complexe ale comportamentului, cum ar fi diferitele regimuri ale locomoției cu dominantă extensoare și flexoare observate în timpul stimulării electrice a regiunii locomotorii mezencefalice (MLR), locomoția fictivă indusă de MLR.

Conexiunile dintre CPG-urile care controlează fiecare membru gestionează coordonarea interlimbară și, prin urmare, mersul la animalele patrupede și, posibil, și la cele bipede. Coordonarea stânga-dreapta este mediată de comisuri, iar coordonarea înainte-înapoi, precum și cea diagonală este mediată de interneuronii propiospinali cu proiecție lungă. Echilibrul dintre alternanța stânga-dreapta (mediată de clasele de neuroni V0d și V0v identificate genetic) și interneuronii comisurali care promovează sincronizarea la stânga (potențial mediată de neuronii V3) determină dacă sunt exprimate mersul și trotul (mers alternativ) sau galopul și legatul (mers sincron). Acest echilibru se schimbă odată cu creșterea vitezei, potențial din cauza modulării de către impulsul supraspinal de la MLR și mediat de formațiunea reticulară, și determină tranziții de mers dependente de viteză, caracteristice animalelor patrupede. Tranziția de la mers la trot apare potențial din cauza scăderii mai puternice a duratei fazei de extensie decât a celei de flexie odată cu creșterea vitezei locomotorii și ar putea fi mediată de inhibiția diagonală descendentă prin intermediul neuronilor propriospinali lungi V0d, ceea ce duce la creșterea progresivă a suprapunerii între membrele diagonale până la sincronizarea diagonală (trot). Neuronii propriospinali comisurali și lungi sunt o țintă probabilă a intrărilor aferente supraspinale și somatosenzoriale pentru a ajusta coordonarea interlimbelor și mersul la diferite condiții de mediu și comportamentale.

Generatorii de modele centrale contribuie, de asemenea, la locomoție la om. În 1994, Calancie, et al. au descris „primul exemplu bine definit de generator central de ritm pentru mersul în pas la omul adult”. Subiectul a fost un bărbat de 37 de ani care a suferit o leziune a măduvei spinării cervicale cu 17 ani înainte. După o paralizie totală inițială sub gât, subiectul și-a recăpătat în cele din urmă o anumită mișcare a brațelor și a degetelor și o mișcare limitată la nivelul membrelor inferioare. Acesta nu și-a revenit suficient pentru a-și susține propria greutate. După 17 ani, subiectul a constatat că, atunci când stătea întins în decubit dorsal și își întindea șoldurile, membrele sale inferioare efectuau mișcări asemănătoare unor pași atâta timp cât rămânea întins. „Mișcările (i) implicau o alternanță de flexie și extensie a șoldurilor, genunchilor și gleznelor; (ii) erau netede și ritmice; (iii) erau suficient de puternice încât subiectul a devenit curând inconfortabil din cauza unei „încordări” musculare excesive și a unei temperaturi corporale ridicate; și (iv) nu puteau fi oprite prin efort voluntar.” După un studiu amplu al subiectului, experimentatorii au concluzionat că „aceste date reprezintă cea mai clară dovadă de până acum că o astfel de rețea există la om”. Patru ani mai târziu, în 1998, Dimitrijevic, et al. au arătat că rețelele generatoare de modele lombare umane pot fi activate prin antrenarea aferenților senzoriali de diametru mare ai rădăcinilor posterioare. Atunci când se aplică o stimulare electrică tonică acestor fibre la persoanele cu leziuni motorii complete ale măduvei spinării (adică la persoanele la care măduva spinării este izolată din punct de vedere funcțional de creier) pot fi declanșate mișcări ritmice, de tip locomotor, ale membrelor inferioare. Aceste măsurători au fost efectuate în poziție decubit dorsal, minimizând astfel feedback-ul periferic. Studiile ulterioare au arătat că acești centri locomotori lombari pot forma o mare varietate de mișcări ritmice prin combinarea și distribuirea de modele stereotipice către numeroși mușchi ai membrelor inferioare. S-a demonstrat, de asemenea, că un tratament medicamentos de activare a CPG numit Spinalon, activ la nivel central în urma administrării pe cale orală, reactivează parțial neuronii locomotori spinali la pacienții cu leziuni complete sau motorii complete ale măduvei spinării. Într-adevăr, un studiu dublu-orb, randomizat, controlat cu placebo, efectuat pe patruzeci și cinci de voluntari cu leziuni cronice AIS A/B (între 3 luni și 30 de ani post-traumatism), culcați în poziție decubit dorsal din motive de siguranță, a arătat că Spinalon sub doza maximă tolerată (MTD a fost de 500/125/50 mg/kg L-DOPA/carbidopa/buspironă) a fost bine tolerat. Dovezile preliminare de eficacitate au fost, de asemenea, constatate cu ajutorul înregistrărilor video și electromiografice, deoarece dozele sub MTD au putut induce acut mișcări ritmice ale picioarelor de tip locomotor în grupurile cu Spinalon, dar nu și în cele cu placebo (amidon de porumb).

Controlul neuromecanic al locomoției la mamifereEdit

Dacă duratele ciclurilor de pas și activările musculare ar fi fixe, nu ar fi posibilă modificarea vitezei corpului și adaptarea la variația terenului. S-a sugerat că CPG-ul locomotor al mamiferelor cuprinde un „cronometru” (posibil sub forma unor oscilatori cuplați) care generează cicluri de pași de durate variabile și un „strat de formare a modelelor”, care selectează și gradează activarea grupurilor motorii. creșterea conducerii neuronale de la regiunea locomotorie a mezencefalului (MLR) la CPG-ul spinal crește frecvența ciclului de pași (cadența). Duratele fazelor de legănare și de sprijin covariază într-o relație destul de fixă, fazele de sprijin schimbându-se mai mult decât fazele de legănare.

Intrarea senzorială de la membre poate trunchia sau prelungi duratele fazelor individuale într-un proces asemănător cu un control finit al stării (în care regulile „dacă-atunci” determină când au loc tranzițiile de stare). De exemplu, în cazul în care un membru care se balansează înainte ajunge la sfârșitul balansului în mai puțin timp decât durata curentă a fazei de flexie generată de CPG, intrarea senzorială ar determina cronometrul CPG să încheie balansul și să înceapă faza de sprijin. Mai mult, pe măsură ce viteza corpului crește, stratul de formare a modelelor ar crește activarea musculară în mod neliniar pentru a oferi forțe sporite de susținere a sarcinii și de împingere. S-a presupus că, în mișcările bine prezise, duratele fazelor generate de CPG și forțele musculare corespund îndeaproape celor cerute de evenimentele biomecanice în evoluție, minimizând corecțiile senzoriale necesare. Termenul ”reglaj neuromecanic” a fost inventat pentru a descrie acest proces

Figura 1 oferă o schemă simplificată care rezumă aceste mecanisme propuse. O comandă care specifică viteza dorită a corpului coboară de la centrele superioare la MLR, care acționează CPG-ul locomotor spinal. Temporizatorul CPG produce cadența și duratele de fază adecvate, iar stratul de formare a modelelor modulează ieșirile motoneuronale. Mușchii activați rezistă la întindere prin propriile lor proprietăți biomecanice intrinseci, oferind o formă rapidă de control prin feedback al lungimii și vitezei. Reflexele mediate de organul tendinos Golgi și de alte aferențe asigură o compensare suplimentară a încărcăturii, dar rolul principal al intrărilor senzoriale poate fi acela de a regla sau de a suprascrie CPG la tranzițiile stance-swing-stance.

După cum este descris în Neuromodularea, CPG-ul locomotiv uman este foarte adaptabil și poate răspunde la intrările senzoriale. Acesta primește intrări de la trunchiul cerebral, precum și din mediul înconjurător pentru a menține rețeaua reglată. Studii mai noi nu numai că au confirmat prezența CPG pentru locomoția umană, dar au confirmat și robustețea și adaptabilitatea acesteia. De exemplu, Choi și Bastian au arătat că rețelele responsabile de mersul uman sunt adaptabile pe scări de timp scurte și lungi. Aceștia au demonstrat adaptarea la diferite modele de mers și la diferite contexte de mers. De asemenea, au arătat că diferite modele motorii se pot adapta independent. Adulții ar putea chiar să meargă pe benzi de alergare mergând într-o direcție diferită pentru fiecare picior. Acest studiu a arătat că rețelele independente controlează mersul înainte și înapoi și că rețelele care controlează fiecare picior se pot adapta independent și pot fi antrenate să meargă independent. Astfel, oamenii posedă, de asemenea, un generator central de tipare pentru locomoție care este capabil nu numai de generarea de tipare ritmice, ci și de o adaptare și utilitate remarcabile într-o mare varietate de situații.

RespirațieEdit

Un model trifazic este punctul de vedere clasic al CPG respirator. Fazele CPG-ului respirator sunt caracterizate de activitatea ritmică a: (1) nervului frenic în timpul inspirației; (2) ramurilor nervului laringian recurent care inervează mușchiul tireotenoidian în timpul ultimei etape a expirației; (3) ramurilor nervului intercostal intern care inervează mușchiul triangularis sterni în timpul celei de-a doua etape a expirației. Ritmicitatea acestor nervi este considerată în mod clasic ca provenind de la un singur generator de ritm. În acest model, fasonarea este produsă prin inhibiția sinaptică reciprocă între grupuri de interneuronii activi secvențial.

Cu toate acestea, a fost propus un model alternativ întărit de anumite date experimentale. Conform acestui model, ritmul respirator este generat de doi generatori de ritm cuplați, distinși din punct de vedere anatomic, unul în complexul pre-Boetzinger și celălalt în nucleul retrotrapezoidal / grupul respirator parafacial. Un studiu ulterior a furnizat dovezi în favoarea ipotezei că una dintre rețele este responsabilă pentru ritmul inspirației și cealaltă pentru ritmul expirației. Prin urmare, inspirația și expirația sunt funcții distincte și una nu o induce pe cealaltă, așa cum se crede în mod obișnuit, ci una dintre cele două domină comportamentul prin generarea unui ritm mai rapid.

ÎnghițireEdit

Înghițirea implică contracția coordonată a peste 25 de perechi de mușchi din orofaringe, laringe și esofag, care sunt activi în timpul unei faze orofaringiene, urmată de peristaltismul esofagian primar. Înghițirea depinde de un CPG situat în medulla oblongata, care implică mai mulți nuclei motori ai trunchiului cerebral și două grupuri principale de interneuronii: un grup dorsal de înghițire (DSG) în nucleul tractus solitarii și un grup ventral de înghițire (VSG) situat în medulla ventrolaterală deasupra nucleului ambiguus. Neuronii din DSG sunt responsabili de generarea tiparului de înghițire, în timp ce cei din VSG distribuie comenzile către diferitele grupuri motoneuronale. Ca și în alte CPG-uri, funcționarea rețelei centrale poate fi modulată de intrările periferice și centrale, astfel încât modelul de înghițire să fie adaptat la dimensiunea bolusului.

În cadrul acestei rețele, conexiunile inhibitorii centrale joacă un rol major, producând o inhibiție rostrocaudală care este paralelă cu anatomia rostrocaudală a tractului de înghițire. Astfel, atunci când neuronii care controlează părțile proximale ale tractului sunt activi, cei care comandă părțile mai distale sunt inhibați. În afară de tipul de conexiune dintre neuroni, proprietățile intrinseci ale neuronilor, în special cele ale neuronilor NTS, contribuie probabil, de asemenea, la modelarea și sincronizarea modelului de înghițire.

GPC de înghițire este un GPC flexibil. Acest lucru înseamnă că cel puțin unii dintre neuronii de înghițire pot fi neuroni multifuncționali și pot aparține unor grupuri de neuroni care sunt comune mai multor CPG-uri. Un astfel de CPG este cel respirator, care a fost observat interacționând cu CPG-ul de înghițire.

Generatori de ritmEdit

Generatorii de modele centrale pot juca, de asemenea, un rol în generarea ritmului pentru alte funcții la vertebrate. De exemplu, sistemul vibrissa de șobolan folosește un CPG neconvențional pentru mișcările de mustrare. „Ca și alte CPG-uri, generatorul de mustăți poate funcționa fără aport cortical sau feedback senzorial. Cu toate acestea, spre deosebire de alte CPG-uri, motoneuronii vibrissa participă activ la ritmogeneză prin convertirea intrărilor serotoninergice tonice în ieșirea motorie modelată responsabilă de mișcarea vibrissae.” Respirația este o altă funcție non-locomotivă a generatoarelor de tipare centrale. De exemplu, larvele de amfibieni realizează schimbul de gaze în mare parte prin ventilația ritmică a branhiilor. Un studiu a arătat că ventilația plămânilor în trunchiul cerebral al mormolocului poate fi condusă de un mecanism asemănător unui stimulator cardiac, în timp ce CPG-ul respirator se adaptează la broscuța adultă pe măsură ce aceasta se maturizează. Astfel, CPG-urile dețin o gamă largă de funcții la animalele vertebrate și sunt foarte adaptabile și variabile în funcție de vârstă, mediu și comportament.

Mecanismul generatoarelor ritmice: revenirea post-inhibitorieEdit

Ritmicitatea în CPG-uri poate rezulta, de asemenea, din proprietăți celulare dependente de timp, cum ar fi adaptarea, excitarea întârziată și revenirea post-inhibitorie (PIR). PIR este o proprietate intrinsecă care determină o activitate electrică ritmică prin depolarizarea membranei odată ce stimulul hiperpolarizant a dispărut. „Poate fi produsă prin mai multe mecanisme, inclusiv prin curentul cationic activat de hiperpolarizare (Ih) sau prin dezactivarea curenților de intrare activați de depolarizare.” Odată ce inhibiția a încetat, această perioadă de PIR poate fi explicată ca fiind timpul cu excitabilitate neuronală crescută. Este proprietatea multor neuroni din SNC care, uneori, are ca rezultat „explozii” de potențial de acțiune care urmează imediat după intrarea sinaptică inhibitorie.” Din acest motiv, s-a sugerat că PIR poate contribui la menținerea activității oscilatorii în rețelele neuronale care sunt caracterizate de conexiuni inhibitorii reciproce, cum ar fi cele implicate în comportamentele locomotorii. În plus, PIR este adesea inclusă ca element în modelele computaționale ale rețelelor neuronale care implică inhibiția reciprocă.” De exemplu, „PIR în neuronii receptori de întindere din raci este cauzată de recuperarea de la adaptare în timpul cursului hiperpolarizării inhibitorii. O caracteristică a acestui sistem este că PIR apare numai dacă hiperpolarizarea este impusă pe un fond de excitație, cauzat în acest caz de întindere. Aceștia au descoperit, de asemenea, că PIR poate fi declanșată în receptorul de întindere prin impulsuri de curent hiperpolarizant. Aceasta a fost o constatare importantă, deoarece a arătat că PIR este o proprietate intrinsecă a neuronului postsinaptic, legată de modificarea potențialului de membrană asociată cu inhibiția, dar independentă de receptorii transmițători sau de proprietățile presinaptice. Această ultimă concluzie a rezistat testului timpului, marcând PIR ca o proprietate robustă a neuronilor SNC într-o mare varietate de contexte. „Această proprietate celulară poate fi observată cel mai ușor în circuitul neuronal Lamprey. Mișcarea de înot este produsă prin alternarea activității neuronale între partea stângă și cea dreaptă a corpului, ceea ce face ca acesta să se îndoaie înainte și înapoi, creând în același timp mișcări oscilante. În timp ce Lamprey se îndoaie spre stânga, există o inhibiție reciprocă pe partea dreaptă, ceea ce face ca aceasta să se relaxeze datorită hiperpolarizării. Imediat după acest stimul de hiperpolarizare, interneuronii folosesc ricoșeul post-inhibitor pentru a iniția activitatea în partea dreaptă. Depolarizarea membranei face ca aceasta să se contracte în timp ce inhibiția reciprocă este acum aplicată în partea stângă.

Funcții la nevertebrateEdit

După cum a fost descris mai devreme, CPG-urile pot funcționa, de asemenea, într-o varietate de moduri la animalele nevertebrate. La moluștele Tritonia, un CPG modulează retragerea reflexivă, înotul de evadare și târârea. CPG-urile sunt, de asemenea, utilizate în zbor la lăcuste și pentru sistemele de respirație la alte insecte. Generatorii de modele centrale joacă un rol amplu la toate animalele și prezintă o variabilitate și o adaptabilitate uimitoare în aproape toate cazurile.

.