Мы, люди, ходим ногами. Это правда, но не совсем. Ходьба как часть передвижения – это скоординированное движение всего тела, в котором задействованы как руки, так и ноги. Исследователи из Biozentrum Базельского университета и Института биомедицинских исследований имени Фридриха Мишера определили различные субпопуляции нейронов спинного мозга с длинными выступами. Результаты, опубликованные в Neuron, показывают, что эти нейроны координируют движения рук и ног и обеспечивают стабильное положение тела во время передвижения.
Локомоторный паттерн состоит из строго контролируемой последовательности мышечных сокращений, которые контролируются нейронными цепями в спинном и головном мозге. Исследовательская группа проф. Сильвия Арбер из Биоцентра Базельского университета и Института биомедицинских исследований имени Фридриха Мишера теперь показывает, что специфические длинные выступающие нейроны, пересекающие наш спинной мозг, образуют важную основу для координации передних и задних конечностей. Эти нейроны соединяют локальные сети на больших расстояниях и тем самым обеспечивают положение и ритм нашего тела во время передвижения.
Нейронные цепи спинного мозга отражают ходьбу
Несмотря на то, что в процессе эволюции люди поднялись из положения четвероногих и стали стоять на ногах, для эффективного передвижения, как и у всех других четвероногих видов, все еще необходимы схемы координации и чередования четырех конечностей. "Мы показали, что диаметральное движение передних и задних конечностей отражается в нейронных цепях спинного мозга", говорит Людвиг Рудер, первый автор исследования. Таким образом, аксоны большинства возбуждающих нейронов пересекают среднюю линию спинного мозга и контактируют с контралатеральными сетями. Напротив, тормозящие нейроны проецируются преимущественно на одну и ту же сторону тела. Диагональный и зеркальный рисунок возбуждающих нейронных связей очень интересен при наблюдении за координацией рук и ног у бегуна, как Усэйн Болт. "Во время бега движутся не только ноги, но и руки синхронно и диаметрально – в полной координации друг с другом", говорит Рудер.
Длинно выступающие нейроны контролируют параметры передвижения всего тела …
Чтобы продемонстрировать важность длинных проекционных нейронов в спинном мозге для модели ходьбы, исследователи выборочно удалили эти нейроны. "При инактивации спинномозговых длинных проекционных нейронов, соединяющих локальные сети, не только нарушается стабильность и скорость во время бега, но также нарушаются скоординированные движения передних и задних конечностей на более высоких скоростях", говорит Рудер. Интересно, что локальные модели движений в пределах одной конечности остаются неизменными. Это усиливает особую роль длинных выступающих нейронов в регуляции движений всего тела.
… и распространять информацию мозга
На следующем этапе исследовательская группа заметила, что нейроны с длинными выступами передают свои сигналы по спинному мозгу и получают обширный входной сигнал из различных областей мозга. Такая организация длинных проекционных нейронов и их соединений ставит их на важное пересечение между интеграцией информации из головного мозга и ее распределением в спинном мозге.
До сих пор исследователи изучали в основном локальные сети позвоночника и их роль в движении. Напротив, нейроны с длинными выступами изучены не так уж и много. "Однако результаты нашего нового исследования показывают, что длинные выступающие нейроны в спинном мозге играют очень важную роль в координации локомоторного паттерна", объясняет Сильвия Арбер. "В дальнейшем мы планируем исследовать, как мозг по-разному взаимодействует с локальными и длинными выступающими спинномозговыми нейронами, чтобы контролировать их конкретно." В долгосрочной перспективе эти результаты могут быть важны для восстановления функциональности после травм спинного мозга.