Взаимодействие вестибулярного и шейного рефлексов

Материал из BrainstormWiki
Перейти к: навигация, поиск

Вестибулярные (лабиринтные) и шейные позотонические рефлексы описал Магнус (Haltungsreflexe). Описал - мягко сказано, работа для 20х годов совершенно грандиозная.

Проблемы есть не столько с его описанием, сколько с последующими интерпретациями. Во-первых, принято считать, что Магнус описал шейный рефлекс ассиметричным, а лабиринтный - симметричным относительно конечностей. Ниже можно увидеть, что они оба одинаково ассиметричны, но противоположны.

Во-вторых, в учебниках часто можно увидеть примерно такую мысль, c пиететом приписываемую Магнусу(*)

...необходимо подчеркнуть, что импульсы со стороны отолитового аппарата поддерживают определенное распределение тонуса в мускулатуре тела. Раздражение отолитового прибора и полукружных каналов вызывает соответствующее рефлекторное перераспределение тонуса между отдельными мышечными группами...

Это утверждение довольно странно, если не сказать безграмотно. Такая "прямая" работа вестибулярного рефлекса могла бы быть полезна мифическому животному - колобку, но у человека и котов вестибулярный аппарат расположен в голове, а она на гибкой шее. Однако именно такая концепция, вслед за Магнусом, устоялась весь XX век - что лабиринтные и шейные позотонические рефлексы "распределяют" тонус между мышечными группами.

Шейное взаимодействие

Координатная трансформация

Вместо концепции "распределения тонуса" на основе лабиринтных ощущений, и отдельного "распределения" на основе шейных, на эту проблему можно посмотреть иначе.

Вестбулярный поток ощущений был бы очень полезен для позного контроля, но он отражает движения головы, а не центра масс тела. Для использования в позных задачах в этом потоке надо учесть движение шеи, как минимум. Фактически (шея более подвижна, чем тело), необходимо вычесть из движения головы (вестибуляр) движения шеи (проприоцепция шеи).

Это вычитание является по сути преобразованием координат - из системы, связанной с головой, в систему туловища.

Можно, конечно, сказать, что рефлекс не обязан быть таким умным, что он подавляется и направляется высшими структурами и задача с таким сложным названием должна решаться где-то там. Но оказывается, такое преобразование координат прекрасно выполняют именно рефлексы, описанные Магнусом, взаимодействуя друг с другом на уровне ствола (возможно мозжечок участвует). Речь идет о лабиринтном рефлексе положения и АШТР.

Это успешно, и, похоже, независимо, продемонстрировали шотландец Tristan DM Roberts, воспроизведя на уровне технологий 1970х годов работы Магнуса, и немец Kornhuber. Оба указывают, что Магнус некорректно описал лабиринтные рефлексы положения. Они ровно настолько же ассиметричны, как и АШТР, но противоположны по знаку. Фактически можно говорить об ассиметричном лабиринтно тоническом рефлекса - АЛТР. А сам принцип преобразования координат на основе взаимодействия шейных и лабиринтных рефлексов впервые описали von Holst и Mittelstaedt в своем Das Reafferenzprinzip в 1950 (как ни странно, ни тот ни другой на них не ссылаются).

Более того, есть почти что прямые наблюдения именно такой работы нейронов вестибулярных ядер, и спинного мозга. И есть практические наблюдения (неопубликованные) что АЛТР наблюдаем у тяжелых детей в явном виде.

Ниже я привожу перевод выдержек из статьи TDM Roberts в Nature.

Ассиметричный (!) Лабиринтный рефлекс и Ассиметричный Шейный Тонический Рефлекс

a, Шейные рефлексы отдельно. Тело наклонено, голова прямо, лапы со стороны подбородка разгибаются. b. Лабиринтные рефлексы отдельно. Голова и тело отклонены, шея прямая - нижние лапы разгибаются. c. Отклонение головы отдельно. Лапы симметричны - не разгибаются и не сгибаются, не реагируют на поворот вообще (ВМ). d. Неровная опора. тело отклонено, лапы в компенсирующей позе, голова свободна. e. Постоянное боковое ускорение. Лапы ассиметрично соответствуют отклонению тела относительно вектора опоры. f. Постоянное боковое ускорение. Лапы симметричны на адекватно наклоненной опоре рисунок из статьи TDM Roberts, подробнее см. статью

TDM Roberts:

Успех поддержания вертикальной позы обычно приписывают рефлексам, инициируемым рецепторами лабиринтов внутреннего уха. Традиционные описания работ этих рефлексов, однако, не объясняют наблюдаемую стабильность. Согласно Магнусу, изменение положения головы изменяет тонус разгибателей всех четырех конечностей животного симметричным образом. В противовес этому, тонические шейные рефлексы описаны как ассиметричные в своей реакции на конечности, и лапы, на стороне куда поворачивают челюсть выпрямляются, а с другой стороны - сгибаются.

Соответственно, Робертс занялся повторным исследованием рефлексов, вызываемых отклонением головы, используя котов, децеребрированных несколько выше межколликулярного уровня во избежания чрезмерной ригидности, используя аппарат, в котором независимо можно поддерживать и поворачивать тело, шею и голову кота (описание см. Lindsay, TDM Roberts & Rosenberg 1976), включая устрашающую возможность поворачивать шейные позвонки относительно неподвижных туловища и головы.


Лабиринтные рефлексы в ответ на отклонение головы обнаружены неизменно ассиметричными и пригодными для функции стабилизации, в отличии от симметричной схемы Магнуса.

Их можно описать принципом "нижние лапы разгибаются, верхние лапы сгибаются"

Когда поворачивается шея, "лапы со стороны подбородка разгибаются", в полном соответствии со схемой Магнуса и Клейна.

Однако ответ на шейные рефлексы противоположен ответам на лабиринтные рефлексы при аналогичном повороте шеи. Действуя одновременно, эти рефлексы суммируются, и взаимодействие этих двух наборов рефлексов приводит к стабилизации туловища, независимой от поворота головы.

Что из этого взаимодействия получается

Kornhubercats.jpg

Далее Робертс начинает расписывать алгебраические уравнения, но принцип суммирования этих рефлексов (точнее вычитания - они же противоположны, антагонистичны по действию) можно описать проще (я для этого воспользуюсь картинкой из работы Kornhuber, они, как видно, близнецы-братья):

  1. При стабильном положении тела поворот головы вызывает лабиринтную реакцию (АЛТР), которая полностью компенсируется АШТР - суммарный эффект на конечности нулевой.
  2. Однако если наклоняется все тело, вместе с головой - лабиринтная реакция (АЛТР) будет больше, чем АШТР, и суммарный рефлекторный ответ будет компенсировать отклонение.
  3. Если же тело "выскальзывает" из под стабильной головы, то АШТР будет больше, чем лабиринтная реакция (АЛТР), и суммарный рефлекторный ответ снова будет компенсировать отклонение

Суммарный эффект - получается такой, что

  • голову можно вращать как угодно (и потребно для задач зрения, например)
  • суммарная реакция на конечности получается такой, как если бы вестибулярный "сенсор" находился в туловище.

Задача преобразования координат успешно решена!

Кто ее решает? Есть основания полагать, что процесс "вычитания" осуществляется определенной подгруппой нейронов в вестибулярных ядрах. Однако аналогичные "вычитающие" нейроны найдены и в interpositus nucleus мозжечка (теми же авторами, см. Luan&Gdowski), и в черве мозжечка (см. Manzoni, Pompeano, Andre). В силу наличия прямых связей между всеми этими зонами, сложно сказать, кто из них первичен, несмотря на то, что Kornhuber утверждает, что "вычитание" от мозжечка не зависит. Более аккуратные эксперименты итальянцев в 1998г показывают, что зависит.

Эффект и "голого рефлекса" и "рефлекса с трансформацией координат", похоже, можно наблюдать как Short latency и Medium latency VSR у человека. См. там же о роли мозжечка в этих трансформациях.

Отмечу так же, (см. Manzoni, Pompeano, Andre), что для прямостоящего человека важно не только положение шеи, но и взаимная ориентация каждого из сегментов оси. Общая картина гораздо сложнее чем "АЛТР минус АШТР", но принцип работы, видимо, именно такой. См. также ниже про поясничные рефлексы.

Corollary discharge/ принцип реафферентации

Первое упоминание описанного вычитания не случайно появляется именно в Das Reafferenzprinzip. При движении головы (неважно, активном или пассивном) вестибулярный ответ является известным, предсказуемым сенсорным последствием, или Reafference которое следует вычесть из общего сенсорного потока- тогда останется только Exafference, которое будет описывать движение тела вместе с головой и шеей.

То есть неважно, как это называть - преобразованием координат или эффектом corollary discharge, это описывает одно и то же явление в данном случае.

Почему АШТР может проявляться у младенцев?

Описанные выше эксперименты выполняются на децеребрированных котах (и других животных), что делает рефлексы видимыми. Проявление АШТР же вообще считается признаком патологии, и во всяком случае ожидается, что он должны исчезнуть с возрастом. Однако даже у взрослой нормы рефлекторные цепи вполне присутствуют и активны, хотя для их выявления требуется более тонкие измерения (измерять ЭМГ или Проприоцептивные рефлексы), или же они вылезают наружу в виде движения/позы в ситуациях большой нагрузки, например в спорте.

Отсутствие видимых рефлексов в норме в данном случае почти наверняка означает, что лабиринтные и шейные рефлексы настолько хорошо синхронизированы между собой, что внешне не проявляются, компенсируя друг друга. Координатная трансформация, которую они осуществляют, однако, представляется слишком полезной))

Можно предположить, что проявление АШТР является следствием незрелости или отклонения в развитии нервной системы, когда уже созревшая нервная цепь рефлекса не получает еще необходимой регулировки от мозжечка, или же это просто этап в этой самой регулировке, когда несогласованное действие АШТР и лабиринтных рефлексов создает ненужный "моторный шум". Этот шум, вероятно, должен быть обнаружен в Inferior Olive и привести к мозжечковой регулировке силы рефлексов до их полного согласования. Или же, отсутствие шума и проблем с ним должно вести к успеху решения первых моторных задач и появлению сигнала подкрепления со стороны базальных ядер. Так или иначе, можно предположить, что наблюдение АШТР у младенцев или пациентов с ДЦП является проявлением задержки этого этапа.


В норме АШТР и лабиринтные рефлексы являются частью единой системы. Их нет смысла разделять, когда мы говорим о нормальной функции. А если ребенок проявляет ассиметричный шейно-тонический "рефлекс" - это означает, что эта система дает сбой (слабость лабиринтного рефлекса, или слабость регулирующих механизмов).

У совсем тяжелых детей ЛМ Зельдин иногда наблюдает и реакцию, противоположную по построению АШТР — иными словами Ассиметричный Лабиринтный Тонический Рефлекс - АЛТР.

Известно также, что симптомы анестезии или повреждения задних корешков шейных отделов С1-С3, нарушающих проприоцепцию шеи, приводит к нистагму, атаксии и ощущениям падения или наклона - что чрезвычайно напоминает симптомы лабирентэктомии Wilson&Peterson

Шейное Головокружение

Существует - весьма спорный - диагноз, "шейное головокружение" - cervical vertigo, спорный потому, что это диагноз исключения, и список исключений там длинный. Подробный хороший обзор на русском языке можно найти в посте laesus-de-liro , где приводится удачное определение этого состояния - «неспецифическое ощущение нарушения ориентации в пространстве и равновесия, обусловленное патологической афферентной импульсацией из области шеи».

Фактически, это нарушение того самого взаимодействия, которое обсуждается в настоящей статье.

См. также на английском Brandt & Bronstein:Cervical Vertigo 2001

Ссылки

Аппарат Робертса для котов с вращением в трех осях

TDMRobertsApparatus.jpg

Дополнение: Тонические поясничные рефлексы

Забытые работы японцев

схема tonic lumbar reflex по японцам
у четвероногих поясничные движения могут вообще не оказать влияния на центр масс
а для бипедальной стойки человека, по идее, координатная трансформация очень важна - движение центра масс противоположно движению головы

Магнус их не описывал, насколько я понимаю. Tonic Lumbar Reflex описали впервые японцы в 40-х годах и опубликовали у себя в "Журнале психиатрии и неврологии" 精神神経学会雑誌.

Довольно подробное описание можно найти в Tokizane et al: Electromyographic studies on tonic neck, lumbar and labyrintine reflexes in normal persons написанной, слава богу, по английски.

Кроме любопытного и редкого описания, наличие поясничного рефлекса ставит вопрос, существует ли аналогичная координатная трансформация и при движениях относительно поясницы. Это особенно любопытно потому, что (хотя японцы и нашли подобие здесь между людьми и кроликами но не между людьми и собаками или кошками), эта трансформация для бипедальных людей существенно важнее.

Лично мне это пока представляется несколько спорным, но внятных подтверждений я найти не могу. Статья японцев, надо сказать, довольно хлипкая по технике: всего четыре испытуемых, всего один "глухонемой" который подается как человек с билатеральной потерей вестибулярного чувства, но никаких данных подтверждающих это не дано.

Базис для "hip strategy"?

Почему этот рефлекс важен? Движения в пояснице в A-P направлении, если допустить, что они воспринимаются и взаимодействуют с вестибулярным потоком аналогичным АШТР образом, создают практически идеальный субстрат для построения тазобедренной стратегии. Cм рисунок справа.

Вычитающее взаимодействие Tonic Lumbar Reflex и Вестибулярного потока позволяет игнорировать реафферентацию от исполнения самой стратегии, компенсировать движения головы в противофазе центру масс, и получить "чистый" вестибулярный сигнал для удержания позы. Это требует не тонического вестибулярного потока, а динамического, но принцип близкий.

Очень жаль, что таких экспериментов найти не удается.

Дополнение 2: Проприоцептивный возврат от конечностей

Ниже я описываю чисто свою спекуляцию. Даже самые свежие обзоры. как например The Vestibular System. A sixth sense. p. 220, описывая многочисленные свидетельства обратного влияния соматосенсорного чувства на вестибулярные ядра, не рискуют предположить функцию этого механизма. Описание работ по этому возврату см. Соматосенсорно-вестибулярная интеграция.

Однако, если предположить, что описанная выше функция интеграции вестибулярного и шейного рефлексов верна, и действительно помогает вычесть движения шеи из движения головы, то совершенно очевидно, что потребность в таком же механизме есть и для локомоции.

Рисунок 3 из обзорной статьи McCall, Miller, Yates: Descending Influences on Vestibulospinal and Vestibulosympathetic Reflexes 2017 показывает явное наличие механизма вестибулярных ядер, отслеживающего положение лап у кота. Особенно явно видно на децеребрированном препарате

Любая локомоция приводит ко вполне предсказуемым, регулярным колебаниям головы. Эти колебания можно назвать "локомоторной инерционной реафферентацией". Этот локомоторный сигнал тоже было бы неплохо уметь вычитать из движения головы. Это позволит использовать вестибулярные сигналы во время локомоции. Возможно (особенно на это намекает разница между децеребированным и сознательным котом) именно такой механизм и наблюдается в вестибулярных ядрах.

Вторая идея, тоже имеющая право на жизнь - хорошо описанный эффект отсутствия вестибулярных рефлексов в мышцах, не играющих позной роли, также логически требует соматосенсорного возврата в вестибулярные ядра (или же такая интеграция может осуществляться в спинальных сетях).

Что из этого верно — сказать сейчас решительно невозможно.