W jaki sposób ciała zwierząt, w tym nasze, stały się tak precyzyjnie dostrojonymi maszynami do poruszania się? Sposób, w jaki kręgowce koordynują odwieczne przeciąganie liny między mimowolnymi odruchami a płynnymi, dobrowolnymi ruchami, pozostaje tajemnicą, którą laboratorium Francisco Valero-Cuevasa na Wydziale Inżynierii Biomedycznej Uniwersytetu im. Alfreda E. Manna na USC postanowiło zrozumieć. Najnowsza praca obliczeniowa Laboratorium opublikowana w czasopiśmie Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) dodaje do wiodącej pozycji w myśleniu o przetwarzaniu informacji sensorycznych i kontroli odruchów podczas ruchów dobrowolnych – z konsekwencjami tego, w jaki sposób zakłócenie tego może powodować zaburzenia motoryczne w stanach neurologicznych, takich jak udar, porażenie mózgowe i choroba Parkinsona.
Czy pamiętasz, jak pediatra stukał Cię w kolano, żeby sprawdzić, czy wystąpiła u Ciebie silna, mimowolna reakcja odruchowa? Miało to na celu przetestowanie odruchów rozciągania w rdzeniu kręgowym, które są odporne na rozciąganie mięśni i zapewniają napięcie mięśniowe, które pozwala utrzymać ciało wbrew grawitacji, na przykład podczas szybkiej korekty po potknięciu. Zatem to, w jaki sposób dokładnie te odruchy są modulowane lub hamowane, aby umożliwić płynny, dobrowolny ruch, było przedmiotem dyskusji od czasu podstawowej pracy Charlesa Scotta Sherringtona w latach osiemdziesiątych XIX wieku (tak, w latach osiemdziesiątych XIX wieku!). Ta nowa praca wkracza bezpośrednio w krytyczne debaty na temat interakcji starożytnego rdzenia kręgowego i stosunkowo nowego ludzkiego mózgu, aby wywołać płynne ruchy oraz tego, jak niektóre schorzenia neurologiczne zakłócają tę delikatną równowagę i powodują powolne, niedokładne, gwałtowne itp. ruchy w schorzeniach neurologicznych.
Badanie prowadzone przez doktorantkę inżynierii biomedycznej Grace Niyo rzuca światło na możliwy nieodkryty system lub obwody działające w rdzeniu kręgowym, które, jeśli działają prawidłowo, „modulują” odruchy podczas dobrowolnych ruchów. Badanie, jak mówi Niyo, proponuje „teoretycznie nowy mechanizm modulowania odruchów rdzeniowych na tym samym poziomie rdzenia kręgowego, co odruchy rozciągania”.
Valero-Cuevas, profesor inżynierii biomedycznej, lotnictwa i inżynierii mechanicznej, inżynierii elektrycznej i komputerowej, informatyki oraz biokinezjologii i fizykoterapii na Uniwersytecie Kalifornijskim, jest autorem korespondencyjnym artykułu „A computational study of how α- to γ-moneuron dodatkowy może łagodzić zależne od prędkości odruchy rozciągania podczas dobrowolnego ruchu.
Mówi: „Odruchy to wyrafinowane i starożytne mechanizmy wymiany informacji niskiego poziomu, które ewoluowały i przystosowały się do późniejszych osiągnięć, takich jak ludzki mózg… zrozumienie ich współpracy z mózgiem ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia ruchu w zdrowiu i chorobie”.
Valero-Cuevas mówi: „Nieustannie czerpiemy korzyści z odruchów rozciągania i je modulujemy, niezależnie od tego, czy zdajemy sobie z tego sprawę, czy nie, gdy stoimy, poruszamy się i działamy”.
Laboratorium profesora Valero-Cuevasa zajmuje się zrozumieniem kontroli nerwowo-mięśniowej u zwierząt i robotów, co ma wpływ na rehabilitację kliniczną w zakresie mobilności człowieka.
Wyjaśnia: „Chociaż nasz mózg jest bardzo wyrafinowany, musimy rozpoznać wartość i moc starożytnego rdzenia kręgowego, który umożliwiał wszystkim kręgowcom rozwój przez miliony lat, zanim w ogóle pojawiły się duże mózgi. Chcielibyśmy zrozumieć, w jaki sposób rdzeń kręgowy jest w stanie regulować płynne ruchy, nawet przy minimalnej kontroli mózgu, jak wiemy, dzieje się to u płazów i gadów. Ta perspektywa może mieć ważne implikacje dla zrozumienia i ewentualnie leczenia zaburzeń ruchowych w schorzeniach neurologicznych wpływających na mózg i rdzeń kręgowy lub jedno i drugie, a także do tworzenia inspirowanych biologią protez lub robotów, które poruszają się płynnie przy użyciu symulowanych rdzeni kręgowych”.
Eksperyment symulacyjny: Aby sprawdzić, czy i w jaki sposób obwód kręgosłupa może umożliwiać dobrowolne ruchy poprzez modulowanie lub hamowanie zaburzeń ruchowych wynikających z odruchów rozciągania, zespół kierowany przez Niyo stworzył biomechaniczny model ramienia makaka w symulatorze fizyki oprogramowanie o nazwie MuJoCo, generujące ponad tysiąc ruchów sięgających. Prosta zasada odruchu rozciągania jest taka, że rozciągane mięśnie będą miały tendencję do przeciwstawiania się rozciąganiu, podczas gdy mięśnie, które się skracają, nie wykazują odruchów rozciągania. Najpierw wykazali, że niemodulowane odruchy rozciągania rzeczywiście powodują samozaburzenie, które zakłóca dobrowolne ruchy ramion. Następnie zaimplementowali prosty obwód kręgowy, w którym te same neurony w rdzeniu kręgowym, które kontrolują siłę mięśni (zwane neuronami ruchowymi alfa), również skalują (tj. modulują) odruch rozciągania proporcjonalnie do poziomu pobudzenia mięśni. Oznacza to, że bardzo pobudzone mięśnie będą miały silny odruch rozciągania w przypadku rozciągnięcia i odwrotnie. Odkryli, że ta prosta zasada – że jest to fizjologicznie możliwe, biorąc pod uwagę znane projekcje neuronów ruchowych alfa (zwanych także zabezpieczeniami) do obwodów odruchowych – sama w sobie może w dużym stopniu skorygować zaburzenia własne wynikające z odruchów rozciągania, zapewniając płynne i dokładne dobrowolne ruchy.
Z perspektywy współczesnej inżynierii można to porównać do „przetwarzania brzegowego” – mówi Valero-Cuevas, zgodnie z którym przetwarzanie informacji odbywa się u źródła (czujniki kończyn i rdzeń kręgowy), a nie wyłącznie w centralnym centrum dowodzenia ( mózg) – podobnie jak niektóre aplikacje w telefonie, które wstępnie przetwarzają informacje, które mają zostać przesłane do serwera w chmurze. Valero-Cuevas dokonuje mechanicznej analogii do połączeń niskiego poziomu z obwodami odruchowymi, które przypominają „koła treningowe w rowerze, które pozwalają ci się dobrze bawić i złapać cię, jeśli popełnisz błąd podczas nauki jazdy na rowerze”. rower.”
Obwody te mogą pomóc w wytwarzaniu nowych, dobrowolnych ruchów przy minimalnych zakłóceniach, ale pozostawiają otwartą możliwość mózgu i móżdżku również udoskonalenia i nauczenia się kontrolowania odruchów, w miarę dojrzewania układu nerwowego lub zdobywania wystarczającego doświadczenia.
Implikacje: Niyo twierdzi, że poza lepszym zrozumieniem zaburzeń ruchowych wiedza ta może stanowić punkt wyjścia dla eksperymentatorów do rozpoczęcia poszukiwań i testowania takich obwodów kręgosłupa. „Ta praca może również zainspirować i ukierunkować nowe terapie na odpowiednim poziomie układu nerwowego w leczeniu zaburzeń ruchowych, takich jak udar i porażenie mózgowe” – mówią Niyo i Valero-Cuevas.
Dodatkowymi współautorami badania są Lama I. Almofeez, doktorant na Wydziale Inżynierii Biomedycznej USC Alfred E Man oraz Andrew Erwin, który w czasie badania był stażystą podoktorskim w Wydziale Biokinezjologii i Fizyki USC Terapia.
