Кошки всегда приземляются на лапы, но что делает их такими проворными? Их уникальное чувство равновесия имеет больше общего с человеком, чем может показаться. Исследователи из Технологического института Джорджии изучают локомоцию кошек, чтобы лучше понять, как работает спинной мозг, помогая людям с частичным повреждением спинного мозга ходить и сохранять равновесие.

Используя сочетание экспериментальных исследований и вычислительных моделей, исследователи показали, что соматосенсорная обратная связь, или нейронные сигналы от специализированных датчиков по всему телу кошки, помогают информировать спинной мозг о текущем движении и координировать работу четырех конечностей, чтобы кошки не падали при столкновении с препятствиями. Исследования показывают, что благодаря этим сенсорным сигналам, связанным с движением, животное может ходить даже при частичном разрыве связи между спинным и головным мозгом.

Понимание механизмов этого типа контроля равновесия особенно актуально для пожилых людей, которые часто имеют проблемы с равновесием и могут травмировать себя при падениях. В конечном счете, исследователи надеются, что это может привести к новому пониманию роли соматосенсорной обратной связи в контроле равновесия. Это также может привести к прогрессу в лечении травм спинного мозга, поскольку исследование предполагает, что активация соматосенсорных нейронов может улучшить работу спинальных нейронных сетей ниже места повреждения спинного мозга.

"Нас интересовали механизмы, позволяющие реактивировать поврежденные сети в спинном мозге", - сказал профессор Школы биологических наук Борис Прилуцкий. "Из предыдущих исследований мы знаем, что соматосенсорная обратная связь от движущихся ног помогает активировать спинальные сети, контролирующие локомоцию, обеспечивая стабильное движение".

Исследователи представили свои результаты в статье "Sensory Perturbations From Hindlimb Cutaneous Afferents Generate Coordinated Functional Responses in All Four Limbs During Locomotion in Intact Cats" в журнале eNeuro.

Координированные кошки

Хотя генетически модифицированные модели мышей в последнее время стали доминировать в исследованиях нейронного контроля локомоции, модель кошки обладает важным преимуществом. При движении мыши остаются пригнутыми, что означает, что у них меньше вероятность возникновения проблем с равновесием, даже если соматосенсорная обратная связь не работает. Люди и кошки, с другой стороны, не могут сохранять равновесие или даже двигаться, если они теряют сенсорную информацию о движении конечностей. Это позволяет предположить, что у крупных видов, таких как кошки и люди, может быть иная организация спинальной нейронной сети, контролирующей локомоцию, по сравнению с грызунами.

Чтобы лучше понять, как сигналы сенсорных нейронов координируют движения четырех ног, Технологический институт Джорджии сотрудничал с исследователями из Университета Шербрука в Канаде и Университета Дрекселя в Филадельфии. В лаборатории Шербрукского университета кошек обучали ходить по беговой дорожке в темпе, соответствующем походке человека, а затем с помощью электродов стимулировали их сенсорные нервы.

Исследователи сосредоточились на сенсорном нерве, который передает ощущение прикосновения от верхней части стопы к спинному мозгу. Стимулируя этот нерв электрическим током, исследователи имитировали наезд на препятствие и наблюдали, как кошки спотыкались и корректировали свои движения в ответ. Стимуляция проводилась в четыре периода цикла ходьбы: в середине шага, при переходе от шага к шагу, в середине шага и при переходе от шага к шагу. Из этого они узнали, что наиболее значимыми периодами были середина шага и переход от шага к шагу, поскольку стимуляция увеличивала активность мышц, сгибающих коленные и тазобедренные суставы, сгибание суставов и высоту пальцев ног, длину шага и продолжительность шага стимулируемой конечности.

"Для поддержания равновесия животное должно координировать движения трех других конечностей, иначе оно упадет", - сказал Прилуцкий. "Мы обнаружили, что стимуляция этого нерва во время фазы замаха увеличивает продолжительность фазы шага других конечностей и улучшает устойчивость".

По сути, когда кошка спотыкается во время фазы замаха, это ощущение вызывает спинномозговые рефлексы, благодаря которым три другие конечности остаются на земле и удерживают кошку в вертикальном положении и равновесии, в то время как конечность замаха перешагивает через препятствие.

Вычислительные кошки

Исследователи из Технологического института Джорджии и Дрексельского университета используют результаты наблюдений для создания вычислительной модели опорно-двигательной и спинальной систем нейронного контроля кошки. Собранные данные используются для вычисления соматосенсорных сигналов, связанных с длиной, скоростью и производимым усилием мышц, а также давлением на кожу всех конечностей. Эта информация формирует ощущения движения в спинном мозге животного и способствует межконечностной координации с помощью спинальных нейронных сетей.

"Чтобы помочь в лечении любого заболевания, нам необходимо понять, как работает неповрежденная система", - сказал Прилуцкий. "Это одна из причин, по которой было проведено данное исследование, чтобы мы могли понять, как спинальные сети координируют движения конечностей, и разработать реалистичную вычислительную модель спинального контроля локомоции. Это поможет нам лучше понять, как спинной мозг контролирует локомоцию".