Автопарк (нейробиология)

Найдите информацию о автопарке в Викисловаре, бесплатном словаре.

Моторный пул состоит из всех отдельных моторных нейронов , которые иннервируют одну мышцу . Каждое отдельное мышечное волокно иннервируется только одним моторным нейроном, но один моторный нейрон может иннервировать несколько мышечных волокон. Это различие имеет физиологическое значение, поскольку размер данного моторного пула определяет активность мышцы, которую он иннервирует: например, мышцы, отвечающие за более тонкие движения, иннервируются моторными пулами, состоящими из большего количества отдельных моторных нейронов. Моторные пулы также различаются по различным классам моторных нейронов, которые они содержат. Размер, состав и анатомическое расположение каждого моторного пула строго контролируются сложными путями развития. ^[1]

Отдельные скелетные мышцы контролируются группами отдельных двигательных единиц . Такие двигательные единицы состоят из одного двигательного нейрона и мышечных волокон, которые он иннервирует. Тела клеток двигательных нейронов расположены в вентральном роге спинного мозга и стволе мозга . Эти нейроны иннервируют скелетные мышечные волокна посредством распространения потенциалов действия по их аксонам (через вентральные корешки и черепные нервы ), и они стимулируют скелетные мышечные волокна в нервно-мышечных соединениях , где они синапсируют с двигательными концевыми пластинками мышечных волокон. У людей эти аксоны могут достигать длины одного метра. Сами двигательные нейроны делятся на три основных класса: альфа-мотонейроны контролируют экстрафузальные мышечные волокна , что означает, что они иннервируют скелетные мышцы, приводя к движению; гамма-мотонейроны иннервируют интрафузальные мышечные волокна , контролируя чувствительность мышечных веретен к растяжению; Бета-моторные нейроны способны к синапсам на любом типе мышечного волокна. Альфа-моторные нейроны можно далее разделить на три отдельных подкласса, различающихся в соответствии с сократительными свойствами двигательных единиц, которые они формируют: быстро сокращающиеся утомляемые (FF), быстро сокращающиеся утомляемые (FR) и медленно сокращающиеся утомляемые (S). Состав двигательного пула может состоять из нескольких классов и подклассов двигательных нейронов. ^[1]

Моторные пулы в спинном мозге сгруппированы в отдельные колонки двигательных нейронов, простирающиеся на несколько сегментов спинного мозга; хотя, есть значительное перекрытие. Моторные пулы, которые контролируют проксимальные мышцы, как правило, расположены медиально к вентральному рогу , в то время как те, которые контролируют дистальные мышцы, расположены латерально. Моторные пулы, которые контролируют сгибательные мышцы , расположены дорсально к вентральному рогу, в то время как те, которые контролируют разгибательные мышцы, расположены вентрально. ^[1]

Количество двигательных нейронов в индивидуальном моторном пуле сильно варьируется и, как правило, может быть предсказано по уровню тонкого контроля, который требуется конкретной мышце. Например, некоторые мышцы имеют относительно небольшое количество двигательных единиц в своих соответствующих моторных пулах, в то время как другие, с очень тонким контролем (например, мышцы человеческой руки ), имеют более высокую плотность двигательных единиц. ^[1]

Моторные пулы в первую очередь функционируют для интеграции синаптических входов из высших центров ЦНС в точные и последовательные схемы сокращения. Отдельные моторные нейроны в пределах данного моторного пула активируются в соответствии с тем, что известно как « принцип размера ». Принцип размера был предложен Элвудом Хеннеманом и его группой в 1960-х годах в качестве объяснения характерной схемы, с которой активируются отдельные моторные нейроны в моторном пуле. Принцип размера предусматривает, что когда активируются моторные нейроны моторного пула, что приводит к сокращению конечного мышечного волокна, моторные единицы, содержащие самые маленькие моторные нейроны, активируются первыми. По мере усиления возбуждающей сигнализации впоследствии рекрутируются более крупные моторные нейроны , и сила сокращения увеличивается. Кроме того, этот дифференциальный рекрутинг моторных нейронов происходит как в случаях увеличения, так и уменьшения силы сокращения. По мере увеличения силы сокращения самые маленькие моторные единицы активируются первыми и также последними прекращают активацию по мере уменьшения силы сокращения. ^[2]

Принцип размера имеет важные функциональные преимущества. В первую очередь, эта система освобождает высшие центры ЦНС от необходимости сигнализировать о конкретных моделях сокращения для различных уровней сокращения мышц. Уровень синаптического входа, который высшие центры предоставляют данному моторному пулу, должен определять силу сокращения, и это упрощает процесс модуляции силы сокращения. Эта система позволяет очень точно и последовательно модулировать силу сокращения просто за счет увеличения или уменьшения уровней синаптического входа: с дополнительными двигательными единицами увеличивающегося размера будет наблюдаться последовательное и точное воздействие на силу сокращения. Еще одно ключевое преимущество, вытекающее из принципа размера, заключается в том, что более мелкие нейроны будут активироваться более регулярно и в течение более длительного периода времени по сравнению с более крупными нейронами. Эти более мелкие двигательные единицы более устойчивы к усталости и, как таковые, лучше подходят для этой роли. ^{[2] [3]}

Существует несколько уровней дифференциации и специализации, позволяющих учитывать сложное развитие автопарков.

Альфа-мотонейроны и гамма-мотонейроны не просто отличаются по своим постсинаптическим мишеням. Физиологические различия между этими двумя классами значительны. Диаметр аксона гамма-мотонейронов составляет половину диаметра альфа-мотонейронов, что приводит к более высокому цитоплазматическому сопротивлению и, следовательно, к более медленной скорости распространения сигнала. Кроме того, гамма-мотонейроны демонстрируют гораздо более простые схемы ветвления, чем их альфа-аналоги. Дифференциация на эти два класса регулируется сложными взаимодействиями между несколькими нейротрофическими факторами , и все эти взаимодействия еще не до конца изучены. Было обнаружено, что нейротрофический фактор, полученный из глиальной клеточной линии ( GDNF ), играет особенно важную роль во всех слоях развития моторного пула. В случае альфа- и гамма-дифференциации было показано, что гамма-мотонейроны экспрессируют значительно более высокие уровни определенных субъединиц рецептора GDNF . ^[4]

Альфа-мотонейроны также группируются в подклассы на основе типов мышечных волокон, на которые они нацелены, что также определяет их функциональные характеристики. Моторные нейроны, нацеленные на быстро сокращающиеся, утомляемые (FF) мышечные волокна, являются самыми большими (и, следовательно, самыми быстрыми в распространении сигналов); те, которые нацелены на быстро сокращающиеся, устойчивые к утомлению (FR) волокна, имеют промежуточный размер; а те, которые нацелены на медленно сокращающиеся, устойчивые к утомлению (S) волокна, являются самыми маленькими. Помимо скорости передачи сигналов, диапазон размеров в этих подклассах также формирует физиологическую основу принципа размера. Из-за их относительно небольшого диаметра аксонов нейроны, нацеленные на волокна типа S, требуют меньшего входного тока для достижения порогового потенциала . И наоборот, самые большие нейроны, нацеленные на волокна типа FF, требуют большего входного тока для достижения порога. Таким образом, диаметр аксонов трех подклассов альфа-мотонейронов четко определяет закономерности набора двигательных единиц, предсказанные принципом размера. Конкретные регуляторные механизмы, определяющие размер этих трех подклассов альфа-мотонейронов, не очень хорошо известны. ^[4]

На более высоком уровне специализации определенные комбинации классов и подклассов двигательных нейронов группируются пространственно в кластеры, известные как двигательные колонны по всему спинному мозгу . Эти двигательные колонны являются двигательными пулами, и каждый из них имеет свою собственную уникальную идентичность: каждый нейрон в пуле (независимо от его класса) выражает уникальный профиль факторов транскрипции , белков клеточной поверхности (таких как рецепторы аксонального наведения и молекулы адгезии ) и рецепторов нейротрансмиттеров . Эти специфичные для пула биохимические маркеры обеспечивают основу развития для мышечно-специфического синапса. ^[4] Среди этой специфичной для пула комбинации факторов транскрипции Hox -факторы играют особенно важную роль. Hox-факторы транскрипции играют центральную роль в пространственной ориентации двигательного пула в позвоночнике и в сайт-специфическом синапсе двигательного пула на его нижестоящих мышечных волокнах . ^[5]

Количество двигательных нейронов в определенном двигательном пуле является важнейшим этапом развития. Опять же, мало что известно о точных механизмах и молекулах, участвующих в этом процессе специализации. Однако известно, что механизм включает начальную генерацию большого количества двигательных нейронов, за которой следует процесс обрезки, опосредованный механизмами клеточной смерти и факторами выживания. Некоторые исследователи предположили, что количество нейронов в данном пуле определяется конкурентными взаимодействиями между различными генами Hox . ^{[4] [5]}

Мышцы, отвечающие за более тонкие, более нюансированные движения, иннервируются моторными пулами, состоящими из большего числа отдельных моторных нейронов. Этот принцип подчеркивается при изучении эволюции моторных пулов человеческого языка и руки .

Высокоточные и скоординированные движения языка отвечают за сложность человеческой речи . Эволюционный анализ предсказал бы ненормально большой моторный пул, иннервирующий мышцу человеческого языка, по сравнению с другими млекопитающими. Такой большой моторный пул обеспечил бы региональную иннервацию мышц языка, моторные нейроны со специфичностью к задачам, специализации моторных нейронов, которые обеспечивают быстрые движения, и различные другие моторные нюансы, необходимые для создания сложной речи. Анатомический анализ подтвердил это эволюционное предсказание: у среднего взрослого человека моторный пул языка содержит от 7093 до 8817 моторных нейронов. Эта плотность нейронов намного превышает измеренную у других млекопитающих и даже превышает размер моторного пула для многих мышц в организме человека: например, двуглавая мышца плеча иннервируется моторным пулом, который в среднем составляет 441,5 моторных нейронов. ^[6]

Эволюционный анализ также предсказывает большие моторные пулы, иннервирующие мышцы человеческой руки. Человеческие инновации в изготовлении инструментов, метательных движениях и ударах дубинками требовали беспрецедентной ловкости рук, которая стала возможной только благодаря обширным сетям больших моторных пулов, иннервирующих человеческую руку. Как объясняет Ричард Янг:

Было высказано предположение, что родословная гоминидов началась, когда группа обезьян, похожих на шимпанзе, начала бросать камни и размахивать дубинками в противников, и что это поведение давало репродуктивные преимущества на протяжении миллионов лет, стимулируя естественный отбор для улучшения метательного и дубиночного мастерства. Это утверждение приводит к предсказанию, что человеческая рука должна быть приспособлена для метания и дубиночного удара… тем самым предоставляя эволюционное объяснение двум уникальным захватам и обширной анатомической перестройке руки, которая сделала их возможными. ^[7]

Точный нейромышечный контроль позволяет использовать субмиллисекундные времена высвобождения, необходимые для броска. Эффективный удар дубинкой требует привлечения нескольких двигательных единиц для создания надежного захвата при ударе. Эти эволюционные предсказания были подтверждены сравнительными анатомическими исследованиями: двигательные пулы, иннервирующие человеческую руку, значительно больше, чем те, которые иннервируют родственные руки приматов. ^[7]

Боковой амиотрофический склероз (БАС) — это нейродегенеративное заболевание , которое по-разному поражает определенные моторные пулы и классы моторных нейронов. Например, было показано, что БАС, смоделированный на мышах, сначала приводит к быстрой потере моторных нейронов FF, а затем к отсроченной потере нейронов FR, оставляя нейроны типа S в значительной степени нетронутыми на поздних стадиях заболевания. Кроме того, у пациентов с БАС на поздней стадии гибель моторных нейронов является пулоспецифичной. Гибель моторных нейронов по всему спинному мозгу приводит к почти полной потере произвольных движений; однако глазной контроль и произвольный контроль выделительных функций остаются в основном незатронутыми. Эти движения регулируются моторными пулами в среднем мозге и в ядре Онуфа в пояснично-крестцовом отделе спинного мозга соответственно. В настоящее время проводятся исследования этих моторных пулов, устойчивых к БАС, и их пул-специфичные молекулярные идентичности изучаются на предмет потенциальных нейропротекторных качеств. ^[4]

Спинальная мышечная атрофия (СМА) и возрастная двигательная дегенерация имеют четкие параллели с БАС в моделях и специфике потери двигательных нейронов. Хотя это полностью отличается от БАС по своему патогенезу , СМА приводит к аналогичной быстрой гибели двигательных нейронов FF, при этом нейроны типа S, как правило, сохраняются. Кроме того, двигательные пулы, контролирующие лицевые мышцы (включая мышцы глаз ) и произвольные экскреторные мышцы, сохраняются. ^[4] Дегенерация двигательных нейронов, вызванная старением, аналогичным образом влияет на типы FF, но не на типы S; старение также, по-видимому, сохраняет глазные двигательные пулы. ^[8] Эти схожие модели нейродегенерации при трех различных заболеваниях заставили исследователей предположить, что медленно сокращающиеся двигательные нейроны, наряду с двигательными пулами глаз и экскреторных мышц, обладают внутренними нейропротекторными свойствами, которые не являются специфическими для данного заболевания. В настоящее время проводятся исследования с целью обнаружения возможной молекулярной основы для нейропротекции в этих типах клеток. ^[4]

• Двигательный блок
• Двигательный нейрон