Спинальные механизмы локомоции

Еще в самом начале XX в. Г.Браун (Graham Brown) обнаружил, что кошка, спинной мозг которой отделен от головного, может идти по движущейся ленте тредбана даже после перерезки дорсальных корешков, т.е. в отсутствии каких-либо сенсорных сигналов, поступающих в спинной мозг. Браун справедливо предположил, что в спинном мозге заключена моторная программа, обеспечивающая движения конечностей. Согласно его гипотезе, эта программа состоит из двух полуцентров, тормозящих друг друга, один из которых связан со сгибателями конечности, а другой – с разгибателями. Идея автономного генератора последовательностей движений полностью противоречила доминировавшим в то время рефлекторным представлениям, согласно которым ритмические координированные движения осуществляются как цепочка рефлексов, в которой сенсорные ощущения от предыдущего движения запускают следующее. Как следствие этой и некоторых других причин (в том числе методических), полноценных физиологических исследований спинальных механизмов локомоции не производилось еще в течение достаточно длительного времени.

Центральные генераторы ритмических движений. В настоящее время уже не вызывает никаких сомнений, что в спинном мозге и стволе головного мозга имеются так называемые центральные генераторы двигательных паттернов, обеспечивающие относительно автономное и автоматизированное выполнение таких ритмических движений, как дыхание, жевание, чесание, ходьба и прочие виды локомоции. Координация последовательности активации мышц и временных параметров движений осуществляется цепями интернейронов, которые имеют выход на соответствующие мотонейроны.

Изучение центрального генератора локомоции (центрального генератора локомоторного паттерна) в спинном мозге традиционно производили на децеребрированном животном с помощью установки, показанной на (рис. [238]). Однако по причине сложности его нейронного устройства у млекопитающих, выяснить точную схему межнейронных связей пока не удалось. Реального успеха удалось добиться лишь на более простом препарате - при изучении плавания миноги (рис. [239]). Это животное лишено конечностей и перемещается, производя в воде волнообразные движения всем своим телом. Каждый сегмент спинного мозга миноги с каждой стороны содержит полуцентр, состоящий из нескольких типов интернейронов, и взаимно тормозящий его противоположный полуцентр, располагающийся на другой стороне тела. Каждый сегмент обладает собственной осцилляторной активностью, хотя ритм осцилляций может модулироваться сенсорными воздействиями или по другим входам. Полуцентры последовательных сегментов связаны друг с другом, благодаря чему осуществляется продвижение волны сокращения вдоль тела животного с заданной фазовой задержкой. Еще в 90-х были успешно разработаны компьютерные модели спинальных генераторов локомоции миноги, учитывающие детализированную нейронную структуру этой системы. В настоящее время ряд исследований в данной области проводятся на изолированном спинном мозге новорожденных крыс.

"Залповые генераторы" и генераторы ритма. Современные представления о работе спинального генератора локомоции четвероногих животных основаны той же идее полуцентров, причем считается, что своя отдельная пара полуцентров, или "залповых генераторов", имеется для каждого сустава. Согласно гипотеза С.Гриллнера (1985), каждый из этих залповых генераторов имеет тенденцию к ритмической активности, причем антагонистические полуцентры связаны двусторонними тормозными проекциями. Движение целостной конечности, состоящей из нескольких суставов, управляется некоторой сложной мозаикой из таких пар полуцентров, имеющих гибкие и перенастраиваемые связи друг с другом (Grillner, 1985) (рис. [240]). При смене паттерна шагательных движений, т.е. аллюра (например, с шага на бег), происходит перенастройка связей в этой мозаике на новую координацию движений. Вероятно также, что элементы генератора локомоции могут входить и в состав других генераторов двигательных паттернов: например, видимо, часть интернейронов спинного мозга, которая обеспечивает чередование сгибательных и разгибательных движений, работает как при шагательных, так и при чесательных движениях. Одновременное функционирование этих двух генераторов невозможно: запуск одного из них требует остановки другого. Мотонейроны сами по себе не вносят значительного вклада в генерацию локомоторного паттерна и лишь передают команды на мышцы.

Описанная выше модель взаимосвязанных залповых генераторов хорошо объясняет экспериментальные данные, полученные на кошках, крысах и людях, однако в ней не рассматривается внутренняя структура составляющих ее залповых генераторов. Картирование активности нейронов спинного мозга во время шагательных движений при локомоции (в том числе при различных внешних воздействиях, влияющих на движения), привели к гипотезе, согласно которой в спинном мозге отдельно расположены генератор ритма и группы залповых интернейронов, управляющих амплитудой сокращения флексоров и экстензоров. Такое разделение генератора локомоции на блок генерации ритма и блок залпового управления мышцами лучше объясняет, как происходят последовательные перестройки паттернов шагательных движений в соответствии с характером поверхности субстрата, по которому перемещается животное. В вентромедиальной области серого вещества спинного мозга были найдены нейроны, ритмически разряжающиеся во время локомоции и способные к генерации ритма in vitro в присутствии НМДА (агониста глутаматных рецепторов).

Интерсегментная организация центрального генератора локомоции. Центральный генератор локомоции распределен по значительному числу сегментов спинного мозга, иннервирующих конечности, при этом ведущими в отношении ритма шагов являются верхние и средние поясничные сегменты, которые управляют задними конечностями. Стимуляцией верхней части поясничного отдела можно запустить генерацию локомоторных движений, которые распространяются и на передние конечности. Аналогично при достаточно длительном раздражении подошвенной поверхности задних лап на спинальном препарате можно получить локомоторные движения не только задними, а всеми четырьмя конечностями. Крестцовый отдел, видимо, имеет свой собственный генератор, управляющий ритмическими движениями хвоста.

Инициация работы центрального генератора локомоции. Отдельный вопрос состоит в том, как запускается работа генератора локомоции в норме. Показано, что НМДА может инициировать осцилляции генератора локомоции в изолированном спинном мозге новорожденных крыс. ДОФА, введенная внутривенно, также активирует локомоторную активность изолированного спинного мозга. Вероятно, это связано с тем, что ДОФА активирует НМДА-рецепторы и понижает чувствительность тормозных глициновых рецепторов. Мезенцефалическая кошка (при удалении всех областей мозга выше среднего мозга) может совершать шагательные движения, если ее лапы поставить на движущуюся ленту тредбана. Стимуляция подошвенной поверхности лап также запускает локомоцию при отсутствии высших отделов ЦНС.

Очевидно, однако, что ведущую роль в инициации локомоции должен играть головной мозг. В головном мозге было обнаружено несколько взаимосвязанных и частично перекрывающихся областей, стимуляция которых вызывает локомоторные движения – это гипоталамическая локомоторная область, мезенцефалическая локомоторная область и локомоторная полоска. Возникающие при этом шагательные движения называют "управляемой локомоцией".

Гипоталамическая локомоторная область расположена билатерально над маммиллярными телами и не имеет четких анатомических границ. Проекции от этой области направляются (ипсилатерально) к голубому пятну и медиальной ретикулярной формации. Вероятно, именно благодаря этой области декортицированные животные способны самостоятельно подходить к пище и воде при возникновении у них голода и жажды соответственно.

Электрическая стимуляция мезенцефалической локомоторной области (=локомоторной области среднего мозга) у децеребрированных животных вызывает шагательные движения, которые длятся еще некоторое время после прекращения стимуляции. Эта область была впервые описана Шиком с соавторами (1966). При ее разрушении утрачивается способность к бегу и резко нарушается ходьба. Нейроны из мезенцефалической локомоторной области проецируются в ядра ретикулярной формации моста и продолговатого мозга, откуда начинается ретикулоспинальный тракт, и именно ему отводится главная роль в инициации локомоции. Разрушение вентролатеральной области белого вещества спинного мозга (в которой проходят ретикулоспинальные волокна) нарушает возможность начинать или поддерживать локомоторные движения.

Локомоторная полоска также впервые была описана Шиком с соавторами (1977). Рострально она совпадает с каудальной частью мезенцефалической локомоторной области и проходит через мост, продолговатый мозг и спускается в спинной мозг, и по ней происходит полисинаптическое распространение возбуждения в каудальном направлении.

Помимо упомянутого выше ретикулоспинального тракта, некоторой способностью активировать генератор локомоции обладают кортикоспинальный и руброспинальный тракты, идущие дорсолатеральном канатике. У человека локомоция при поражении корковых отделов остается невозможной, что связано с большей сложностью локомоторных движений человека и их тесной связью с поддержанием вертикальной позы.

Роль сенсорной обратной связи в работе центрального генератора локомоции. Как уже говорилось выше, спинальный генератор локомоции способен функционировать автономно при отсутствии сенсорной обратной связи, однако в норме при локомоции используются сигналы от всех доступных органов чувств, и поступающая информация используется для подстраивания шагательных движений к конкретным условиям передвижения на всех уровнях ЦНС – от самого спинного мозга до высших кортикальных областей. Например, как видно на рисунке, стимуляция афферентов группы I в одной из фаз шагательных движений увеличивает длительность этой фазы у спинального препарата кошки (рис. [241]). При кортикальных поражениях для четвероногих животных становится практически невозможным перемещение по скользкому субстрату и в других ситуациях, в которых спинальной координации оказывается недостаточно.

Формирование центрального генератора локомоции в онтогенезе. В заключение раздела хочется заметить, что, несмотря на очевидную сложность генератора локомоции, его структура формируется в онтогенезе за счет генетически обусловленных процессов созревания нервных структур. Про ребенка обычно говорят, что он "учится" ходить, однако на самом деле примерно к возрасту в 12 месяцев у него просто завершается формирование соответствующих нервных образований и связей (хотя полностью отрицать элементы обучения ребенка, в особенности связанные с его когнитивным развитием, тоже, разумеется, нельзя). В это трудно поверить, наблюдая за постепенным и неуверенным освоением ходьбы человеческим ребенком, однако, например, у некоторых копытных, теленок способен стоять и даже бежать за матерью уже через 10 минут после появления на свет. Очевидно, все необходимые нервные структуры, требующиеся для собственно локомоции, поддержания равновесия и ориентации в пространстве, у таких зрелорождающихся животных оказываются полностью сформированными к моменту появления на свет, а для полноценного выполнения необходимых двигательных функций им требуется лишь незначительная калибровка.