Zrozumienie ruchu kotów może pomóc w opracowaniu lepszego leczenia urazów rdzenia kręgowego u ludzi

Koty zawsze lądują na nogach, ale co sprawia, że ​​są tak ruchliwe? Ich wyjątkowy zmysł równowagi ma więcej wspólnego z ludźmi, niż mogłoby się wydawać. Naukowcy z Georgia Institute of Technology badają lokomocję kotów, aby lepiej zrozumieć, w jaki sposób działa rdzeń kręgowy, aby pomóc ludziom z częściowym uszkodzeniem rdzenia kręgowego chodzić i utrzymywać równowagę.

Wykorzystując kombinację badań eksperymentalnych i modeli obliczeniowych, naukowcy wykazali, że somatosensoryczne sprzężenie zwrotne lub sygnały nerwowe z wyspecjalizowanych czujników w ciele kota pomagają informować rdzeń kręgowy o ciągłym ruchu i koordynacji wszystkich czterech kończyn, aby zapobiegać upadkom kotów, gdy napotkają przeszkody. Badania wskazują, że za pomocą tych bodźców sensorycznych związanych z ruchem zwierzę może chodzić, nawet jeśli połączenie między rdzeniem kręgowym a mózgiem jest częściowo zerwane.

Zrozumienie mechaniki tego rodzaju kontroli równowagi jest szczególnie ważne dla osób starszych, które często mają problemy z równowagą i mogą zranić się podczas upadków. Ostatecznie naukowcy mają nadzieję, że doprowadzi to do nowego zrozumienia roli sprzężenia zwrotnego somatosensorycznego w kontrolowaniu równowagi. Może to również prowadzić do postępów w leczeniu urazów rdzenia kręgowego, ponieważ badania wskazują, że aktywacja neuronów somatosensorycznych może poprawić funkcję sieci nerwów rdzeniowych poniżej miejsca uszkodzenia rdzenia kręgowego.

Interesowały nas mechanizmy umożliwiające reaktywację uszkodzonych sieci w rdzeniu kręgowym. Z poprzednich badań wiemy, że somatosensoryczne sprzężenie zwrotne z poruszających się nóg pomaga aktywować sieci rdzeniowe, które kontrolują ruch, umożliwiając stabilną lokomocję.

Boris Prilutsky, profesor, Wydział Nauk Biologicznych

Naukowcy zaprezentowali swoje odkrycia w czasopiśmie „Zaburzenia sensoryczne wywołane efektami skórnych kończyn dolnych generują skoordynowane reakcje funkcjonalne we wszystkich czterech kończynach podczas lokomocji u zdrowych kotów”. eNeuro.

Koty koordynujące

Chociaż transgeniczne modele myszy stały się ostatnio dominujące w kontroli neuronowej w badaniach ruchu, model kota zapewnia ważną przewagę. Kiedy się poruszają, myszy pozostają przykucnięte, co oznacza, że ​​są mniej podatne na problemy z równowagą, nawet jeśli sprzężenie zwrotne somatosensoryczne zawiedzie. Z drugiej strony ludzie i koty nie mogą utrzymać równowagi, a nawet się poruszać, jeśli utracili informacje sensoryczne dotyczące ruchu kończyn. Wskazuje to, że większe gatunki, takie jak koty i ludzie, mogą mieć inną organizację rdzeniowej sieci neuronowej kontrolującej ruch w porównaniu z gryzoniami.

Georgia Tech nawiązała współpracę z naukowcami z University of Sherbrooke w Kanadzie i Drexel University w Filadelfii, aby lepiej zrozumieć, w jaki sposób sygnały z neuronów czuciowych koordynują ruchy wszystkich czterech nóg. Laboratorium Sherbrooke nauczyło koty chodzić po bieżni w tempie zgodnym z ludzkim chodem, a następnie użyło elektrod do stymulacji nerwów czuciowych.

Naukowcy skupili się na nerwie czuciowym, który przenosi zmysł dotyku z górnej części stopy do rdzenia kręgowego. Stymulując elektrycznie ten nerw, naukowcy naśladowali uderzenie w przeszkodę i obserwowali, jak koty się potykały i korygowali swój ruch w odpowiedzi. Stymulację stosowano w czterech okresach cyklu chodu: przejście z podpory środkowej, przejście z podporu do wymachu, przemieszczenie w połowie wymachu i przejście z wymachu do podporu. Z tego dowiedzieli się, że środkowy okres wymachu i przejście od podporu do wymachu były najbardziej znaczącymi okresami, ponieważ stymulacja zwiększyła aktywność mięśni zginających stawy kolanowe i biodrowe, zgięcie stawu i wysokość palców, długość kroku i krok Trwanie. impreza motywacyjna.

„Aby zachować równowagę, zwierzę musi koordynować ruch pozostałych trzech kończyn, w przeciwnym razie upadnie” – powiedział Prilutsky. „Odkryliśmy, że stymulacja tego nerwu podczas fazy kołysania wydłuża czas trwania fazy stania pozostałych kończyn i poprawia stabilność”.

W rzeczywistości, gdy kot potyka się podczas fazy kołysania, odczucie uruchamia odruchy w kręgosłupie, które zapewniają, że pozostałe trzy kończyny pozostają na ziemi i utrzymują kota w pozycji pionowej i zrównoważonej, podczas gdy kołysząca się kończyna pokonuje przeszkodę.

Koty arytmetyczne

Dzięki tym kanadyjskim eksperymentom laboratoryjnym naukowcy z Georgia Tech i Drexel University wykorzystują obserwacje do opracowania modelu obliczeniowego systemów kontroli układu mięśniowo-szkieletowego kota. Zebrane dane służą do obliczania sygnałów somatosensorycznych związanych z długością, prędkością i siłą wytwarzaną przez mięśnie, a także naciskiem na skórę wszystkich kończyn. Ta informacja tworzy wrażenie ruchu w rdzeniu kręgowym zwierzęcia i przyczynia się do koordynacji między kończynami poprzez sieci neuronowe w kręgosłupie.

„Aby pomóc w leczeniu jakiejkolwiek choroby, musimy zrozumieć, jak działa właściwy system” – powiedział Prilutsky. „Był to jeden z powodów przeprowadzenia tego badania, abyśmy mogli zrozumieć, w jaki sposób sieci kręgosłupa koordynują ruchy kończyn i opracować realistyczny model obliczeniowy do kontrolowania ruchu kręgosłupa. Pomoże nam to lepiej zrozumieć, w jaki sposób rdzeń kręgowy kontroluje ruch. „