Нейроны V3 (показаны зеленым) передают сигналы от нервных клеток спинного мозга к двигательным нейронам (показаны синим), которые заставляют мышцы сокращаться (точки контакта показаны желтым). Помимо установления баланса между обеими сторонами тела, нейроны V3 обеспечивают надежный и хорошо организованный ритм шага. Предоставлено доктором.Ин Чжан, Институт биологических исследований Солка
Когда ребенок овладевает искусством ходьбы, кажется, что это происходит естественным образом на всю оставшуюся жизнь. Но ходьба и бег требуют высокой степени координации между левой и правой сторонами тела. Теперь исследователи из Института биологических исследований Солка показали, как класс нейронов спинного мозга, известный как нейроны V3, гарантирует, что одна сторона тела не опережает другую.
Результаты, опубликованные в октябре. 9 выпуск Neuron отмечает важную веху в понимании нейронных цепей, которые координируют движения при ходьбе, одного из основных препятствий в разработке новых методов лечения травм спинного мозга. Помимо установления баланса между обеими сторонами тела, они обнаружили, что нейроны V3 обеспечивают надежный и хорошо организованный шаговый ритм.
"В случае травм шейного отдела спинного мозга сеть позвоночника, которая приводит в движение ваши конечности и позволяет вам ходить, все еще существует, но больше не получает соответствующих активирующих сигналов от головного мозга." говорит Мартин Гулдинг, доктор философии.D., профессор Лаборатории молекулярной нейробиологии, который руководил исследованием. "Тот факт, что нейроны V3 важны для генерации устойчивого локомоторного ритма, делает их хорошими кандидатами для усилий, направленных на терапевтическое вмешательство после травмы спинного мозга."
Нейроны V3 – это так называемые интернейроны, которые передают сигналы от нервных клеток спинного мозга двигательным нейронам, которые заставляют мышцы сокращаться. Спинальные интернейроны образуют сложные сети – обычно называемые CPG, сокращенно от центральных генераторов паттернов – которые функционируют как локальные центры управления и управления ритмическими движениями, которые лежат в основе всех движений.
Хотя ученые знали о локомоторном CPG в течение длительного времени, они не смогли идентифицировать нервные клетки, составляющие эти цепи. Когда Гулдинг и другие начали ломать молекулярный код, который формирует эти разные типы интернейронных клеток, они могли начать распутывать проводку спинного мозга, чтобы увидеть, как это работает.
Нейроны головного и спинного мозга бывают двух видов: возбуждающие нейроны, которые передают и усиливают сигналы, и тормозящие нейроны, которые подавляют и уточняют эти сигналы. Ранее Гулдинг и его команда обнаружили, что подмножество тормозных интернейронов, нейроны V1, контролируют скорость двигательного ритма и, таким образом, задают темп, с которым животные ходят, в то время как вторая группа тормозных нейронов, называемых нейронами V0, управляет левыми. правильный чередующийся паттерн активности, который необходим для шаговых, а не прыжковых движений. В своем последнем исследовании они обратили внимание на класс возбуждающих нейронов, так называемые нейроны V3.
"Большинство моделей CPG включают в себя тормозной элемент, который отключает активность двигательных нейронов с одной стороны, чтобы инициировать следующий шаг на другой стороне тела, что позволяет вам ходить, прыгать, прыгать и бегать," говорит Гулдинг. "Нейроны V3 обеспечивают дополнительный уровень контроля, который гарантирует, что при ходьбе и беге интенсивность активности одинакова с обеих сторон тела. Если бы это было не так, мы не смогли бы идти или бегать по прямой."
В ходе исследования ученые-исследователи из лаборатории Гулдинга генетически сконструировали мышей, чтобы специально отключать их нейроны V3 и раскрывать их функции. Первый автор, Ин Чжан, доктор философии.D., затем провели электрофизиологические эксперименты на спинном мозге, изолированном от этих мышей, и обнаружили, что без функционирования нейронов V3 длина отдельных импульсов двигательных нейронов начала сильно колебаться. "Вместо стабильного чередующегося рисунка мы обнаружили нерегулярные колебания между левой и правой стороной," она говорит.
"Много исследований было сосредоточено на координации между левыми и правыми, но стало ясно, что разные уровни контроля позволяют точно настроить эти ритмические двигательные паттерны," говорит Чжан. "Это исследование позволит нам составить карту нейронов, участвующих в CPG, чтобы мы могли думать о манипулировании CPG в терапевтических целях."
Поскольку активность мотонейронов определяет, насколько мышцы сокращаются и как долго, исследователи хотели знать, как этот нерегулярный паттерн активности моторных нейронов влияет на походку мышей, прогуливающихся по дорожке. Воспользовавшись так называемой системой AlstR / AL, разработанной исследователем Salk Эдвардом М. Каллауэй, доктор философии.D., Профессор Лаборатории системной нейробиологии, исследователи временно отключили нейроны V3 у взрослых мышей и отправили их в путь по узкой дорожке из оргстекла. В то время как мыши по-прежнему чередовали шаги левой и правой задними конечностями, длина каждого шага заметно варьировалась, что затрудняло им походку с плавным ритмом.
Источник: Институт Солка