Локомоторные генераторы и регионы

Материал из BrainstormWiki
Перейти к: навигация, поиск
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.

Спинной мозг как место локомоторных "рефлексов"

Cat1.jpg

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

Шеррингтон и цепочки рефлексов

Cat2.jpg

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.

Тем не менее, Шеррингтон показал, что спинной мозг способен организовать локомоторный ритм независимо от верхних отделов нервной системы.

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

Браун: удивительное прозрение о центральной природе локомоции

Схема "полуцентров" Брауна 1911г

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 внутренний генератор ритма, способный работать независимо от сенсорных влияний, который обеспечивает чередование флексоров и экстензоров. Иными словами, сам спинной мозг является источником, генератором ритмов, но не внешние "рефлексы" и не супраспинальные структуры.

Браун представлял гипотетический генератор ритмов спинного мозга в виде двух "полуцентров" - half-centre, один связанный с разгибателями, другой со сгибателями, взаимно тормозящими друг друга, и обладающими некоторым рефракторным периодом. 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, после DOPA резко меняется поведение изучавшихся ими сгибательных рефлексов. Их разновидность с короткой латенцией подавляется, 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


Такая фармакологическая активация способна вызвать локомоцию даже на котах, которых полностью деафферентировали, т.е. обрезали нервы — на выходах моторных нейронов всё равно удавалось получить характерные ритмические сигналы. Такие сигналы в отсутствии 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. Замечу, что ритм запускается даже на спинном мозге новорожденных крысят, т.е. эта система врожденная.

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 " - Central Pattern Generator, CPG, располагающегося в спинном мозге. Ведущие русскоговорящие ученые, занимающиеся CPG сошлись во мнении, что адекватного русского перевода слову pattern здесь не удалось найти, поэтому предлагают писать просто "центральный генератор", без "шаблона" или "паттернов". (Аршавский 2015)

Spinal.jpg

  • 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

Эволюционная сохранность и метахронные волны

Хотя почти всю историю изучения локомоции можно рассказывать на котах, первые результаты, опровергшие теорию "рефлекторных цепочек" были получены на беспозвоночных. В 1960г, почти одновременно демонстрацию центральной ритмогенерации сделали на раке (Wiersma и Hughes) и на саранче (Wilson). Почему-то именно они «сломали» рефлекторную теорию. У насекомых и членистоногих спинного мозга нет, но есть гомолог — вентральная цепочка нервных узлов.

Но у позвоночных это спинной мозг. И CPG в нем (помимо дыхания, жевания и др) способны генерировать не только чередование сгибателей и разгибателей (как при чесании), и не только чередование левых и правых конечностей при шагании (у тех позвоночных, у которых конечности есть), но и вообще колебания тела в целом - так называемые метахронные волны. Это способ локомоции древнейших рыб, например любимой нами всеми ремень-рыбы.


Сенсорные влияния на ритм CPG

Cpgafferents.png

Существование CPG - центрального спинального генератора локомоторных ритмов не означает, что Шеррингтон был совсем неправ и рефлексы не существуют. Спинальные сети, конечно же, реагируют на внешние стимулы — мы же адаптируемся к среде, огибаем препятствия и пр;

Влияние коры и зрения на локомоцию для перешагивания через препятствия хорошо изучено - но эта тема для отдельного разговора, здесь я этого трогать не буду (хотя смотри раздел про приматов и человека ниже).

Здесь интересны те реакции, которые способен организовать сам спинной мозг. Не транскортикальные сенсорные петли - а именно спинальные сети, то, что можно продемонстрировать на тех же децеребрированных котах.

Это тоже неплохо изучено, и тоже требует отдельной статьи для описания. Но здесь можно отметить следующее

Это рефлексы. По определению. И они работают одновременно и содружественно с CPG.

Но это другие рефлексы, нежели те, что можно вызвать в покое. Яркий пример этого описан выше, где для обнаружения локомотрной разновидности флексорных рефлексов потребовалось введение DOPA. Без DOPA работают одни рефлексы, с ней — другие, хотя и те и другие — сгибательные рефлексы.

То же самое верно и для миотатических и GTO рефлексов. И они не просто тормозятся или активируются вместе с "включением" локомоции, они активно модулируются вместе с циклом шага! Характер рефлексов при абсолютно одинаковом стимуле будет разным в зависимости от фазы шага. (McCrea 2004) Они могут менять свою силу (gain) или даже знак(sic!) Эффект назвается Reflexumkehr, или reflex reversal.

В силу того, что эти эффекты циклической модуляции рефлексов демонстрируются на децеребрированных и спинальных препаратах, можно говорить о том, что CPG в спинном мозге не только "рулит" конечностями, но и осуществляет модуляцию обслуживающих их рефлексов.

С точки зрения функции эти рефлексы могут изменить ритм — растянуть фазу проноса или опоры во времени или перезапустить локомоторный цикл.


Супраспинальные локомоторные центры

SLRMLR.png

Хотя наличие CPG - генератора локомоторных ритмов в спинном мозге сейчас не подвергается сомнению, кажется очевидным, что они должны управляться "сверху", из супраспинальных структур. Менее очевидно, что в этих супраспинальных структурах есть несколько "этажей" или уровней, между корой и спинным мозгом.

Еще сам Шеррингтон описывал шагание, вызываемое на его котах при электростимуляции (он говорил "фарадизации") где-то в районе границы ствола и диэнцефалона. В конце 30х появились и другие подобные опыты. Но работа Шика и коллег в Москве, опубликованная в 1966г (см. раздел про MLR) произвела огромное впечатление не только самим описанным эффектом, но и теоретическим обоснованием — они цитировали Бернштейна, "О построении движений" и концепцию уровней построения движения.

Наличие в стволе явно высокоорганизованного (контролирует аллюры и скорость) но "тупого" локомоторного узла ярко подтверждало Бернштейна. Это произвело сильный эффект на современников.

Для изучения этих уровней в продолговатом и промежуточном мозге эти структуры надо сохранять. Разрез Шеррингтона (Intercollicular), хотя и сохраняет MLR, по ряду причин для его исследования не годится. В ход пошли другие. (Подробнее о разных разрезах см.см. Децеребрация котов).

Субталамический локомоторный регион - SLR

Кажется, первым исследователем, кто описал что-то локомоторное ниже таламуса, 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]

Стимуляция же SLR вызывает локомоцию, максимально напоминающую произвольную же: кошка сначала осматривается, а потом идет, как будто бы целенаправленно.


Мезенцефальный локомоторный регион - MLR

Cat4.jpg

В 1966 году прорыва достигли в Москве Марк Шик, Григорий Орловский и Федор Северин, Лаборатория Учеников Бернштейна Они использовали котов с разрезом в районе сосцевидных тел - верхнего двухолмия (precollicular-postmamillar). Было хорошо известно, что такие коты неспособны ходить спонтанно, и у них трудно вызвать локомоцию какой-либо стимуляцией рецепторов - проприоцептивных или экстероцептивных;

Ожнако электростимуляцией в районе педункулопонтинных ядер можно очень уверенно вызвать локомоцию. Это стали называть мезенцефальным локомоторным регионом, MLR. Это тоже регион, а не конкретная анатомическая структура. Причем это "командный" регион - возбуждение MLR запускает локомоцию, но ритмогенератор находится в CPG, в спинном мозге - сверху приходит не ритм, а именно команда.


Различной по силе стимуляцией этого региона удавалось получить различные аллюры, причем чем интенсивнее стимуляция, тем быстрее бежит кошка. Аналогичные зоны найдены и у рыб и у птиц, с точно таким же эффектом — птицы при определенном уровне стимуляции начинают пытаться лететь.

Если стимулировать MLR на целом, недецеребрированном животном, то оно не медленно начинает идти (или бежать) и не может не идти. Максимум, что оно может — огибать препятствия, или запрыгивать на них, если стимуляция достаточно сильна.

Длительное время шли споры о том, что является анатомическим ядром, соответствующим MLR - педунколопонтинное или клиновидное ядро (они рядом). В последнее время принято, что оба, но с несколько разными функциями, подробнее см. в основной статье про MLR

Также надо понимать, что хотя локомоция в ответ на стимуляцию MLR — очень яркий симптом, сами эти ядра "ведают" отнюдь не только локомоцией, являясь частью ретикулярной активационной системы.

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.

Мозжечковый локомоторный регион - CLR

Японец Шигеми Мори — один из немногих представителей за пределами соцблока, кто работал в Лаборатория Учеников Бернштейна. Он впоследствии открыл мозжечковую локомоторную область на таких же мезенцефальных котах. Зоной стимуляции служит белое вещество, дугообразный пучок Рассела - средоточие трактов, связывающих ядра шатра (fastigial n.) со стволовыми структурами. Он ее назвал CLR.

Характер локомоции аналогичен MLR. Более того, удаление MLR или CLR позволяет добиться локомоции стимуляцией "оставшегося" региона. Подпороговая стимуляции MLR одновременно с CLR позволяет добиться локомоции.

В целом отдельный смысл (особенно учитывая стимуляцию проводящих трактов) этого региона неясен, но в целом он признается как "третий важный локомоторный регион". В целом было бы странно, если бы спинальная часть мозжечка не участвовала бы в локомоции.


Роль ретикулярной формации медулы

рисунок из статьи Grillner et al 2005

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.


А у приматов?

Успехи с шагающими кошками породили попытки провести такие эксперименты и на приматах. Польза в смысле реабилитации представлялась очевидной.

До самого последнего времени все эти попытки ожидал провал.

Вызвать шагание либо не получалось, либо оно крайне неубедительное. Приматы - едва ли не единственные млекопитающие, у которых это воспроизвести не удавалось. 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. Эксперименты делать нельзя, а случаи ритмогенной активности у спинальников эпизодичны, и да - неубедительны. См. ссылки ниже.

Часть ученых вообще считает всю эту историю с CPG фикцией. Но это пока что, вопрос веры. Доказательств мало.

Принято считать, что ни CPG, ни MLR-SLR-CLR никуда не делись, поскольку они присутствуют у практически всех исследованных позвоночных, и очень эволюционно сохранны. Но у человека и высших приматов есть и гораздо более активный прямой путь из коры.

Видимо, приматам надо “задушить в себе тетрапода”, чтобы высвободить руки для манипулятивных задач, высвободить от контроля “шагателя”.

Тем не менее, в пользу наличия работоспособной структуры CPG-MLR-SLR у человеков говорят

  • известные эксперименты Герасименко с электростимуляцией,
  • уже идущие клинические испытания, с таблеткой, аналогичной по смыслу "коктейлю" нейромедиаторов из фиктивной локомоции (таблетка имеет наглое название Spinalon) дают некую надежду.
  • Автоматическая ходьба младенцев

продолжение следует...


Литература - общий список