Международная команда учёных из России и Швеции впервые детально изучила активность нейронов в спинном мозге во время реальной ходьбы.
Управление движением — одна из самых сложных задач, которые решает наша нервная система. Каждый шаг, каждый взмах рукой требует слаженной работы тысяч нейронов. Учёные давно знают, что основной «шаблон» ходьбы формируется не в головном мозге, а в спинном мозге, в особой сети нейронов, называемой спинной локомоторной сетью. Эта сеть способна генерировать ритмичные команды для мышц, даже если связь с мозгом временно нарушена. Однако до сих пор оставалось неясным, как именно устроена эта сеть, как нейроны внутри неё взаимодействуют и как они координируют сложные движения, такие как ходьба вперёд.
Большая часть данных о работе спинного мозга была получена в экспериментах на животных, где движение происходило без реальной нагрузки — например, когда животное словно бы шагало в воздухе или в условиях, когда сенсорная обратная связь от ног была нарушена. Такие исследования полезны, но не отражают полностью, как работает сеть при реальной ходьбе, когда мозг получает постоянный поток информации от мышц, суставов и кожи о положении тела и сопротивлении поверхности.
Международная команда учёных из Научно-технологического университета «Сириус», Санкт-Петербургского государственного университета, Федерального центра мозга и нейротехнологий и Каролинского института в Стокгольме решила эту проблему. В новом исследовании нейрофизиологи впервые детально изучили активность нейронов в спинном мозге во время настоящей ходьбы на беговой дорожке. Для этого животным стимулировали особую зону в мозге — мезэнцефалический локомоторный центр, который запускает движение, а затем записывали электрическую активность отдельных нейронов в сегментах спинного мозга, отвечающих за работу задних лап.
Учёные проанализировали работу сотен нейронов и разработали новый метод исследования, который учитывает стабильность их активности в течение многих шагов. Оказалось, что большинство нейронов включаются и выключаются не случайно, а в четырёх ключевых фазах шага: перед тем как лапа отрывается от земли, при самом отрыве, при переходе от сгибания к разгибанию в полёте и при касании лапой поверхности. Эти моменты — ключевые точки во всём процессе организации движения. С их помощью учёные теперь знают, когда спинной мозг активирует разные группы нейронов, чтобы управлять каждым этапом шага: от отталкивания до приземления.
Кроме того, специалистам удалось узнать, что нейроны группируются по функциям. Одни нервные клетки участвуют в управлении вертикальным компонентом шага — подъёмом и опусканием тела. Другие — в горизонтальном, отвечающем за продвижение вперёд. Такая функциональная организация помогает понять, как спинной мозг разбивает сложное движение на более простые блоки, которые легче контролировать. Результаты исследования опубликованы в журнале European Journal of Neuroscience.
Изучение особенностей функционирования нейронных сетей спинного мозга является одной из актуальных задач для учёных на протяжении нескольких десятилетий.
«Понимание механизмов работы нейронных сетей спинного мозга является одной из актуальных задач для учёных на протяжении многих десятков лет. Нам удалось в многолетних исследованиях, используя сложные нейрофизиологические регистрации и нетривиальный анализ, выделить конкретные группы спинальных интернейронов, ответственных за контроль различных фаз локомоторной активности, с учётом этого сделать принципиальные выводы о функциональной организации локомоторной нейронной сети спинного мозга. Это важно не только с фундаментальной точки зрения, но может способствовать созданию новых подходов лечения, в частности, более тонких биомиметических алгоритмов нейромодуляции для восстановления утраченных функций больных с травмами и заболеваниями спинного мозга», — рассказывает доктор медицинских наук, профессор, научный руководитель направления нейробиологии Научно-технологического университета «Сириус», заведующий лабораторией нейропротезов СПбГУ, PI группы нейрореабилитационных технологий Центра LIFT Павел Мусиенко.
Полученные данные могут стать эталоном для создания компьютерных моделей спинного мозга, чтобы разрабатывать более эффективные методы реабилитации после травм позвоночника, а также совершенствовать нейропротезы и экзоскелеты, которые должны работать в интеграции с естественными ритмами тела. Работа открывает путь к более точному пониманию того, как мы ходим и как восстановить эту способность, если она утрачена.
Управление движением — одна из самых сложных задач, которые решает наша нервная система. Каждый шаг, каждый взмах рукой требует слаженной работы тысяч нейронов. Учёные давно знают, что основной «шаблон» ходьбы формируется не в головном мозге, а в спинном мозге, в особой сети нейронов, называемой спинной локомоторной сетью. Эта сеть способна генерировать ритмичные команды для мышц, даже если связь с мозгом временно нарушена. Однако до сих пор оставалось неясным, как именно устроена эта сеть, как нейроны внутри неё взаимодействуют и как они координируют сложные движения, такие как ходьба вперёд.
Большая часть данных о работе спинного мозга была получена в экспериментах на животных, где движение происходило без реальной нагрузки — например, когда животное словно бы шагало в воздухе или в условиях, когда сенсорная обратная связь от ног была нарушена. Такие исследования полезны, но не отражают полностью, как работает сеть при реальной ходьбе, когда мозг получает постоянный поток информации от мышц, суставов и кожи о положении тела и сопротивлении поверхности.
Международная команда учёных из Научно-технологического университета «Сириус», Санкт-Петербургского государственного университета, Федерального центра мозга и нейротехнологий и Каролинского института в Стокгольме решила эту проблему. В новом исследовании нейрофизиологи впервые детально изучили активность нейронов в спинном мозге во время настоящей ходьбы на беговой дорожке. Для этого животным стимулировали особую зону в мозге — мезэнцефалический локомоторный центр, который запускает движение, а затем записывали электрическую активность отдельных нейронов в сегментах спинного мозга, отвечающих за работу задних лап.
Учёные проанализировали работу сотен нейронов и разработали новый метод исследования, который учитывает стабильность их активности в течение многих шагов. Оказалось, что большинство нейронов включаются и выключаются не случайно, а в четырёх ключевых фазах шага: перед тем как лапа отрывается от земли, при самом отрыве, при переходе от сгибания к разгибанию в полёте и при касании лапой поверхности. Эти моменты — ключевые точки во всём процессе организации движения. С их помощью учёные теперь знают, когда спинной мозг активирует разные группы нейронов, чтобы управлять каждым этапом шага: от отталкивания до приземления.
Кроме того, специалистам удалось узнать, что нейроны группируются по функциям. Одни нервные клетки участвуют в управлении вертикальным компонентом шага — подъёмом и опусканием тела. Другие — в горизонтальном, отвечающем за продвижение вперёд. Такая функциональная организация помогает понять, как спинной мозг разбивает сложное движение на более простые блоки, которые легче контролировать. Результаты исследования опубликованы в журнале European Journal of Neuroscience.
Изучение особенностей функционирования нейронных сетей спинного мозга является одной из актуальных задач для учёных на протяжении нескольких десятилетий.
«Понимание механизмов работы нейронных сетей спинного мозга является одной из актуальных задач для учёных на протяжении многих десятков лет. Нам удалось в многолетних исследованиях, используя сложные нейрофизиологические регистрации и нетривиальный анализ, выделить конкретные группы спинальных интернейронов, ответственных за контроль различных фаз локомоторной активности, с учётом этого сделать принципиальные выводы о функциональной организации локомоторной нейронной сети спинного мозга. Это важно не только с фундаментальной точки зрения, но может способствовать созданию новых подходов лечения, в частности, более тонких биомиметических алгоритмов нейромодуляции для восстановления утраченных функций больных с травмами и заболеваниями спинного мозга», — рассказывает доктор медицинских наук, профессор, научный руководитель направления нейробиологии Научно-технологического университета «Сириус», заведующий лабораторией нейропротезов СПбГУ, PI группы нейрореабилитационных технологий Центра LIFT Павел Мусиенко.
Полученные данные могут стать эталоном для создания компьютерных моделей спинного мозга, чтобы разрабатывать более эффективные методы реабилитации после травм позвоночника, а также совершенствовать нейропротезы и экзоскелеты, которые должны работать в интеграции с естественными ритмами тела. Работа открывает путь к более точному пониманию того, как мы ходим и как восстановить эту способность, если она утрачена.
