Кошки могут помочь в лечении травм спинного мозга человека

Исследователи из Технологического института Джорджии изучают передвижение 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 показывают, что соматосенсорная обратная связь или нейронные сигналы от специализированных датчиков по всему телу кошки помогают информировать спинной мозг о продолжающемся движении и координировать четыре конечности, чтобы кошка не упала. Исследования показывают, что с этими сенсорными сигналами, связанными с движением, животное может ходить, даже если связь между спинным и головным мозгом частично нарушена.

Понимание механизмов этого типа контроля равновесия особенно актуально для пожилых людей, у которых часто возникают проблемы с равновесием и которые могут травмироваться при падении. В конце концов, исследователи надеются, что это может дать новое понимание роли соматосенсорной обратной связи в контроле баланса. Это также может привести к прогрессу в лечении травм спинного мозга, поскольку исследования показывают, что активация соматосенсорных нейронов может улучшить функцию спинномозговых нейронных сетей ниже места повреждения спинного мозга.

Нас интересовали механизмы, которые позволяют реактивировать поврежденные сети в спинном мозге. Из предыдущих исследований мы знаем, что соматосенсорная обратная связь от движущихся ног помогает активировать спинальные сети, которые контролируют передвижение, обеспечивая стабильное движение,

сказал профессор Школы биологических наук Борис Прилуцкий.

Хотя генетически модифицированные модели мышей в последнее время стали доминировать в исследованиях нейронного контроля передвижения, модель кошек имеет важное преимущество. Когда они двигаются, мыши остаются пригнувшись, а это означает, что у них меньше шансов иметь проблемы с равновесием, даже если соматосенсорная обратная связь не работает. С другой стороны, люди и кошки не могут сохранять равновесие или даже двигаться, если теряют сенсорную информацию о движении конечностей. Это говорит о том, что более крупные виды, такие как кошки и люди, могут иметь другую организацию спинномозговой нейронной сети, контролирующей передвижение, по сравнению с грызунами.

Технологический институт Джорджии сотрудничал с исследователями из Университета Шербрука в Канаде и Университета Дрекселя в Филадельфии, чтобы лучше понять, как сигналы от сенсорных нейронов координируют движения четырех ног. Лаборатория в Шербруке обучала кошек ходить по беговой дорожке в темпе, соответствующем человеческой походке, а затем использовала электроды для стимуляции их чувствительных нервов.

Исследователи сосредоточились на сенсорном нерве, который передает ощущение прикосновения от верхней части стопы к спинному мозгу. Электрически стимулируя этот нерв, исследователи имитировали столкновение с препятствием и видели, как кошки спотыкались и корректировали свои движения в ответ. Стимуляции применялись в четыре периода цикла ходьбы: середина стойки, переход от опоры к маху, середина маха и переход от маха к стойке. Из этого они узнали, что середина маха и переход от стойки к маху были наиболее важными периодами, потому что стимуляция увеличивала активность мышц, сгибающих коленные и тазобедренные суставы, сгибание суставов и высоту носка, длину шага и продолжительность шага. стимулируемая конечность.

Чтобы сохранить равновесие, животное должно координировать движения трех других конечностей, иначе оно упадет. Мы обнаружили, что стимуляция этого нерва во время фазы переноса увеличивает продолжительность фазы опоры других конечностей и улучшает стабильность,

сказал Прилуцкий. 

По сути, когда кошка спотыкается во время фазы маха, это ощущение запускает спинальные рефлексы, которые гарантируют, что три другие конечности остаются на земле и удерживают кошку в вертикальном положении и равновесии, в то время как маховая конечность перешагивает через препятствие.

С помощью этих лабораторных экспериментов исследователи из Технологического института Джорджии и Университета Дрекселя используют наблюдения для разработки компьютерной модели скелетно-мышечной и нервной системы управления позвоночником кошки. Собранные данные используются для вычисления соматосенсорных сигналов, связанных с длиной, скоростью и производимой силой мышц, а также с давлением на кожу во всех конечностях. Эта информация формирует ощущения движения в спинном мозге животного и способствует межконечностной координации нейронными сетями позвоночника.

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

сказал Прилуцкий.