Локомоторные генераторы и регионы

Схема локомоторных регионов и генераторов, модифицирована из Jahn, Brandt et al 2008: добавлен гипотетический обходной путь из SLR

Часто упоминаемые спинальные коты, которые ходят по ленте транспортера, породили желание систематизировать основные вехи этих экспериментов. Первоначальная версия этой заметки была написана на основе серии постов в группе (1 2 3 4), но затем существенно переработана.

Почему коты только с частью нервной системы, даже с частью спинного мозга (и даже изолированный спинной мозг) способны ходить?

По современным представлениям, в спинном мозге есть организация, являющаяся локомоторным генератором, точнее ее принято называть CPG - Central Pattern Generator, Центральный Генератор Паттернов. Подобные генераторы могут порождать не только локомоторные ритмы, но и другие - например, почесывание лапой, дыхание или даже жевание.

Почему "центральный", почему он именно генератор, в то время как стволовые и более высокие структуры называются не генераторами, а "регионами" - станет понятно после изучения истории.

Начало XX века, ходят спинальные и децеребрированные коты

видео https://www.youtube.com/watch?v=wPiLLplofYw&feature=youtu.be

Шеррингтон и цепочки рефлексов

История начинается с кошек и собак, которые демонстрировали шагание в отсутствии передних отделов нервной системы. Ранние эксперименты конца XIX века делались на спинальных котах и собаках — у них перерезали спинной мозг в районе грудных отделов. Различной стимуляцией (беговой дорожкой, проприоцептивной стимуляцией лап, тактильной под хвостом) у них можно вызвать ритмическое "шагание". Однако сами ходить не могут, потому что позу лапами ниже рассечения не удерживают.

Шеррингтон разработал операцию децеребрации, которая сохраняла часть низших отделов ствола в 1896г. Такие коты могут и "ходить", поскольку децеребрационная ригидность, как он ее называл, способна дать некий антигравитационный тонус (хотя и без балансных реакций). Вызвать шагание у таких котов существенно сложнее, но Шеррингтон утверждал, что несколько шагов пройти они могли.

Хотя большинство экспериментов делались в подвесе.

В те времена считалось, что такие эксперименты демонстрируют "чистый спинной мозг", и что он показывает работу рефлексов, опять таки в чистом, изолированном виде. И на таких препаратах их можно исследовать. Было принято считать, что локомоция таких котов, соответственно, есть результат "цепочки рефлексов", в первую очередь сгибательный рефлекс, см. также Flexor Reflex, и антагонистичный ему рефлекс разгибания, который Шеррингтон называл "extensor thrust".

Оба рефлекса, по описанию Шеррингтона, обладают заметным рефракторным периодом (периодом нечувствительности после срабатывания), что вместе с их антагонизмом (реципрокное торможение, тоже "конек" Шеррингтона) позволяло утверждать, что они образуют взаимные колебания — то есть ритмическую смену одного рефлекса другим. Это и есть основа шагания (а также почесывания), утверждал Шеррингтон.

Интересно, что сгибательный рефлекс оказался почти независим от кожных афферентов — при перерезанных нервах, обеспечивающих тактильную чувствительность, коты все равно ходят. И по воздуху ходят. Это послужило основой для утверждения, что эти рефлексы - проприоцептивные. Но следующий логический шаг Шеррингтон не сделал — хотя он был сделан буквально у него под носом, в его же лаборатории.

• Sherrington: Flexion Reflex of the limb, crossed extension-reflex, and reflex stepping and standing 1910

Схема "полуцентров" Брауна 1911г

Браун: удивительное прозрение о центральной природе локомоции

Прямо в Шеррингтоновской лаборатории в 1911 Томасу Грэму Брауну удалось продемонстрировать чередование двух изолированных мышц - tibialis anterior и gastrocnemius, причем деафферентированных совсем (перерезаны задние корешки)! Нет афферентации — нет рефлексов. Он запускал чередование даже на фактически отрезанном как от сенсорных, так и от супраспинальных влияний спинном мозге - и тем самым пришел к неизбежному выводу,что в спинном мозге существует генератор ритма, который обеспечивает чередование флексоров и экстензоров.

Он представлял его в виде двух "полуцентров" - half-centre, один связанный с разгибателями, другой со сгибателями, взаимно тормозящими друг друга. Легко понять, что такая схема способна создавать чередование активности сгибателей и разгибателей, обеспечивающее шагание, без всяких рефлексов. Такой источник локомоции - центральный, в противовес рефлекторному. Но это было слишком смело для 1910х годов, и эту гипотезу Брауна благополучно забыли на 50 лет - авторитет "цепочек рефлексов" был слишком велик.

Stuart&Hutborn:Thomas Graham Brown (1882–1965), Anders Lundberg (1920–), and the neural control of stepping 2008

Central Pattern Generator в спинном мозге

В 1965-67гг Jankowska и Lundberg исследовали рефлексы на децеребрированных котах — это было время точного описания синаптических связей Шеррингтоновских рефлексов. Они опубликовали серию статей с новыми эффектами после введения DOPA в кровь таких котов. DOPA здесь служит, как полагают, прекурсором моноаминных нейромедиаторов  — а так как нейронов-источников таких нейромедиаторов в самом спинном мозге нет, это имитирует некоторое супраспинальное влияние от "отрезанных" структур.

Оказалось, что в этом случае резко меняется поведение сгибательных рефлексов. Подавляются рефлексы с короткой латенцией, и проявляется "новый" вид с длинной, причем эти "длинные" рефлексы демонстрируют способность координировать контралатеральные лапы — они способны организовать шагающие движения.

Это настолько напомнило гипотезу "полуцентров" Брауна, что Лундберг прямо об этом пишет

Впоследствии (в 60-е годы и после) повторили эксперименты Брауна на котах, которых не только спинализировали, но и деафферентировали, т.е. обрезали нервы — на выходах моторных нейронов всё равно удавалось получить характерные ритмические сигналы. Такие сигналы в отсутствии и мышц, и сенсорных входов называют "фиктивной локомоцией"

Апофеозом этого метода является запуск ритмической активности на голом спинном мозге , вырезанном из тела животного — достаточно только правильной комбинации нейромедиаторов в физрастворе (здесь NMDA и серотонин, и крысиный спинной мозг), чтобы получилось характерное чередование сигналов к сгибателям и разгибателям Это “фиктивная локомоция “ в чистом виде, in vitro

Подчеркну, что в этом эксперименте нет только сенсорного потока (теория "цепочки рефлексов" таким образом опровергнута), но и супраспинальных структур, типа MLR. Влияние MLR имитируется нейромедиаторами, но понятно, что сам спинной мозг, а не что-то выше, генерирует здесь ритм.

Результатом этих экспериментов стала концепция "центрального генератора шаблона" - CPG, располагающегося в спинном мозге.

• Jankowska, Lundberg et al: The Effect of DOPA on the Spinal Cord 6. Half-centre organization of interneurones transmitting effects from the flexor reflex afferents 1967

Субталамический локомоторный регион - SLR

Хотя наличие CPG - генератора локомоторных ритмов в спинном мозге сейчас не подвергается сомнению, кажется очевидным, что они должны управляться "сверху", из супраспинальных структур. Кажется, первым исследователем, кто обнаружил что-то такое, был Уильям Уоллер из Университета Южной Дакоты в 1940г, который обнаружил место в "субталамусе", при стимуляции электродом которого удавалось вызвать локомоцию у котов. Эту зону впоследствии стали называть SLR - субталамический локомоторный регион. (менее подробные свидетельства локомоторной роли этой зоны были и чуть ранее - в 1938г)

Почему регион? Потому что при стимуляции электродом трудно понять, что именно стимулируется. Ток может "утечь" в соседние структуры. И правда, в 80-е обнаружили, что Zona Incerta таламуса, а также медиолатеральный гипоталамус даже легче вызывают локомоцию в этой зоне - у них меньше порог. [Kim et al 2017]. Исследователи миног называют этот локомоторный регион диэнцефальным - DLR. Это, видимо, он же.

Двустороннее разрушение SLR (не децеребрация, а специфическое разрушение только этой зоны) разрушает произвольный контроль локомоции. На протяжении 7-10 дней после операции кошка не может сама подойти к тарелке с едой или мыши, но активно ест, и может даже убить и съесть мышь если для этого не надо вставать с места. Болевые стимулы вызывают шипение, кусание, выгибание головы и тела, но кошка не покидает свое место. Единственный способ вызвать локомоцию у таких котов - это когда они скользят по наклонной (45-60 гр) поверхности вниз, и шаги прекращаются как только кошка достигает пола. Через 10-12 дней после операции удаления SLR произвольный контроль локомоции начинает возвращаться, а через 3-4 недели кошку практически нельзя отличить от нормальной. [Shik, Orlovsky 1976]

• William Waller: Progression movements elicited by subthalamic stimulation 1940
• Shik, Orlovsky: Neurophysiology of locomotor automatism 1976
• Kim, Whelam et al: Integration of Descending Command Systems for the Generation of Context-Specific Locomotor Behaviors 2017 современный обзор, не только SLR, но и других супраспинальных структур

Мезенцефальный локомоторный регион - MLR

В 1966 году прорыва достигли в Москве Марк Шик, Григорий Орловский и Федор Северин, Лаборатория Учеников Бернштейна Они достигли хождения у котов с разрезом в районе сосцевидных тел - верхнего двухолмия см. Децеребрация котов после чего электростимуляцией в районе педункулопонтинных ядер (красная точка) можно вызвать хождение котов. Затем это стали называть мезенцефальным локомоторным регионом, MLR.

Различной по силе стимуляцией этого региона удавалось получить различные аллюры, заставить кошку лечь, сесть и встать, продемонстрировав тем самым механизм контроля среднего мозга за центральными генераторами шаблона (и позы и тонуса заодно) Эти эксперименты потом чрезвычайно развили их японские последователи (Мори и Такакусаки), которым удалось получить этот эффект и при стимуляции мозжечка.

Считается, что "коктейль" из нейромедиаторов, которым можно запустить CPG на спинном мозге в пробирке, примерно совпадает с результатом действия MLR (через ретикулярную формацию) на спинной мозг. То есть из MLR приходит не ритм, а общий уровень возбуждения - поскольку спинальный CPG может сам генерировать ритм при изоляции от супраспинальных структур, а результат действия MLR опосредуется тоническим, не ритмическим, действием нейромедиаторов или электростимуляции.

Роль ретикулярной формации медулы

Путь в спинной мозг лежит через медулу, и особенно Lateral ParagigantoCellular nucleus, LPGi. Показаны два пути локомоторного генератора, идущий через стриатум связан с SLR, а MLR представлен PPN и CNF ядрами, подробнее см. статью про MLR

Ни знаменитый MLR, ни SLR не имеют прямых проекций в спинной мозг. Промежуточной остановкой служит ретикулярная формация продолговатого мозга (медулы). Это частично совпадает с источником ретикулоспинальной системы.

Связь MLR с LPGi доказана. Стимуляцией LPGi также можно вызвать локомоцию. Разрушение LPGi разрушает и возможность вызова локомоции через стимуляцию MLR, и серьезно нарушает контроль аллюров ("зона ответственности" MLR). Однако сознательный контроль локомоции возможен и в обход LPGi. Ретикулярная формация - сложная штука.

Также эту зону связывают с тонусом и с атонией во время REM сна. Нарушения примерно в этом месте способны привести к тому, что коты "ходят" во время сна.

• Brownstone&Chopek: Reticulospinal Systems for Tuning Motor Commands 2018

А у приматов?

Успехи с шагающими кошками породили попытки провести такие эксперименты и на приматах.

Провал.

Вызвать шагание либо не получается, либо оно крайне неубедительное. Приматы - едва ли не единственные млекопитающие, у которых это воспроизвести не удается. Точнее на более “примитивных” обезъянах Нового света что-то выходит — а у человекообразных — нет.

Так что прямого и недвусмысленного доказательства существования центральных генераторов шаблона у человека до сих пор нет. Принято считать, что они всё равно есть (не могли же они исчезнуть в эволюции), но находятся под более сильным контролем со стороны коры. Видимо, приматам надо “задушить в себе тетрапода”, чтобы высвободить руки для манипулятивных задач, высвободить от контроля “шагателя”. Вот CPG и придушился :)

Эксперименты Герасименко интересны еще и тем, что он один из немногих демонстрирует экспериментально наличие этих ритмоводителей у человека — напрямую. При этом ни у кого в этой области нет сомнения, что для настоящего хождения надо и получить антигравитационный тонус, и кучу еще всего. Но принято считать, что центральные генераторы шаблона играют в нормальной локомоции свою ритмоводящую роль.

Комментарий Maria Morozova дал интересную статью с растормаживанием CPG у человека в ходе эпи-приступов

Tassinari et al: Central pattern generators for a common semiology in fronto-limbic seizures and parasomnias. A neuroethologic approach 2006

Возврат к обсуждению темы

https://www.facebook.com/groups/241251962734458/permalink/687001821492801/