Используя сочетание экспериментальных исследований и вычислительных моделей, исследователи показывают, что соматосенсорная обратная связь или нейронные сигналы от специализированных датчиков по всему телу кошки помогают информировать спинной мозг о происходящем движении и координировать четыре конечности, чтобы кошки не падали, когда сталкивались с препятствиями. Исследования показывают, что с помощью этих сенсорных сигналов, связанных с движением, животное может ходить, даже если связь между спинным и головным мозгом частично нарушена.
Контроль равновесия
Понимание механизмов этого типа контроля равновесия особенно важно для пожилых людей, которые часто испытывают проблемы с равновесием и могут травмироваться при падениях. В конечном счете, исследователи надеются, что это может привести к новому пониманию роли соматосенсорной обратной связи в контроле равновесия. Это также может привести к прогрессу в лечении травмы спинного мозга, поскольку исследование предполагает, что активация соматосенсорных нейронов может улучшить функцию спинномозговых нейронных сетей ниже места повреждения спинного мозга.
«Нас интересовали механизмы, которые позволяют реактивировать поврежденные сети в спинном мозге. Из предыдущих исследований мы знаем, что соматосенсорная обратная связь от движущихся ног помогает активировать спинномозговые сети, которые контролируют передвижение, обеспечивая стабильное движение», — поделился Борис Прилуцкий, профессор, Школа биологических наук.
Исследователи представили свои результаты в журнале eNeuro «Сенсорные возмущения от кожных афферентов задних конечностей генерируют скоординированные функциональные реакции во всех четырех конечностях во время передвижения у интактных кошек».
Скоординированные кошки
Хотя генетически модифицированные модели мышей в последнее время стали доминирующими в исследованиях нейронного контроля локомоции, модель cat предлагает важное преимущество. Когда они двигаются, мыши остаются на корточках, что означает, что у них меньше шансов иметь проблемы с равновесием, даже если соматосенсорная обратная связь не работает. С другой стороны, люди и кошки не могут сохранять равновесие или даже двигаться, если они теряют сенсорную информацию о движении конечностей. Это говорит о том, что у более крупных видов, таких как кошки и люди, может быть другая организация спинномозговой нейронной сети, управляющей передвижением, по сравнению с грызунами.
В лаборатории Шербрука кошек обучали ходить по беговой дорожке в темпе, соответствующем походке человека, а затем использовали электроды для стимуляции их чувствительного нерва. Исследователи сосредоточились на сенсорном нерве, который передает ощущение прикосновения от верхней части стопы к спинному мозгу. Электрически стимулируя этот нерв, исследователи имитировали столкновение с препятствием и видели, как кошки спотыкались и корректировали свое движение в ответ. Стимуляции применялись в четыре периода цикла ходьбы: средняя стойка, переход от стойки к повороту, средний поворот и переход от поворота к повороту. Из этого они узнали, что середина замаха и переход от стойки к замаху были наиболее значимыми периодами, потому что стимуляция увеличивала активность мышц, которые сгибают коленные и тазобедренные суставы, сгибание суставов и высоту носка, длину шага и продолжительность шага стимулируемой конечности.
«Чтобы сохранить равновесие, животное должно координировать движения трех других конечностей, иначе оно упадет, — сказал Прилуцкий. — Мы обнаружили, что стимуляция этого нерва во время фазы качания увеличивает продолжительность фазы стойки других конечностей и улучшает стабильность».
Собранные данные используются для вычисления соматосенсорных сигналов, связанных с длиной, скоростью и производимой силой мышц, а также давлением на кожу во всех конечностях. Эта информация формирует ощущения движения в спинном мозге животного и способствует координации движений между конечностями с помощью спинальных нейронных сетей.
«Чтобы помочь в лечении любого заболевания, нам нужно понять, как работает неповрежденная система, — сказал Прилуцкий. — Это была одна из причин, по которой было проведено это исследование, чтобы мы могли понять, как спинномозговые сети координируют движения конечностей, и разработать реалистичную вычислительную модель управления движением позвоночника. Это поможет нам лучше узнать, как спинной мозг контролирует передвижение».