Система управления движением: Иерархия и параллельные процессы - с точки зрения нейрофизиологи

а) Исследование: Нейропротезирование. Большинство людей с легкостью управляют примерно 650 мышцами, обеспечивающими движения человеческого тела. Однако, если мотонейроны, контролирующие мышцы, больше не иннервируют их, как это происходит при боковом амиотрофическом склерозе (БАС, или болезнь Лу Герига), движение становится невозможным, что в конечном итоге может привести к остановке дыхания.

Именно это произошло со Скоттом Маклером (Scott Mackler) — нейробиологом и марафонцем, у которого ближе к 40 годам развился БАС. У неспособного дышать без аппарата искусственной вентиляции легких Маклера развился синдром запертого человека — он практически утратил способность общаться.

БАС неизлечим; летальный исход наступает обычно в течение 5 лет после постановки диагноза. Однако Скотту Маклеру удалось совершить невозможное — он прожил 17 лет и умер в 2013 г. в возрасте 55 лет. Маклеру также удалось победить синдром запертого человека, научившись трансформировать психическую активность в движение. Он вернулся к работе в Пенсильванском университете, общался с семьей и друзьями и в 2008 г. даже дал интервью программе «60 минут» на канале CBS.

Маклер стал первым пользователем однонаправленного интерфейса мозг-компьютер (ИМК). ИМК использует электрические сигналы мозга для управления компьютеризированным устройством. Нейропротезирование — это отрасль, которая специализируется на разработке компьютеризированных устройств, таких как ИМК, позволяющих восстановить утраченную биологическую функцию.

Двунаправленные интерфейсы мозг-компьютер, такие как представленная на фото роботизированная рука, позволяют мозгу управлять роботизированным устройством с сенсорной обратной связью

Однонаправленный интерфейс компьютер-мозг (ИКМ) использует электрические сигналы компьютера для передачи инструкций в мозг. Одним из примеров такого интерфейса является кохлеарный имплантат, которые передает во внутреннее ухо связанные со звуками сигналы, давая человеку возможность слышать.

В 2008 г. используемому Маклером ИМК требовалось 20 с, чтобы выполнить одну команду. Достижения в области компьютерных технологий обещают в будущем сделать общение более легким и свободным (Lazarou et al., 2018).

Двунаправленный интерфейс мозг-компьютер передает роботизированной руке команду схватить предмет, а тактильные датчики руки передают тактильную и иную сенсорную информацию в мозг пользователя. Сейчас ИМК применяют для управления экзоскелетами, которые позволяют управлять верхними конечностями и ходить, а также для получения тактильной информации и необходимой для управления движением информации о положении тела в пространстве и равновесии.

По сути, ИМК используют изменения активности ЦНС для производства сигналов, позволяющих взаимодействовать с роботизированной системой.

б) Иерархия и параллельные процессы в управлении движением. Способность двигаться является отличительной особенностью животных. В этой и последующих статья на сайте мы расскажем, как нервная система генерирует движение. Соматосенсорная система, которая отвечает за чувствительность к прикосновению, давлению и температуре, а также за равновесие, более тесно связана с движением, чем другие сенсорные системы организма. Именно поэтому в статьях на сайте мы рассмотрим соматосенсорную чувствительность (соматические ощущения).

На уровне спинного мозга соматосенсорная информация участвует в формировании двигательных рефлексов. На уровне ствола мозга соматосенсорная система отвечает за согласованность движений и управление движениями. На уровне большого мозга соматосенсорная система участвует в производстве сложных произвольных движений. Очевидно, что реализация многих функций требует участия в производстве движения не только соматосенсорной системы, но и других сенсорных систем.

Если считать, что двигательная система — это автомобиль, а соматосенсорная система — водитель, то другие сенсорные системы можно сравнить с водителями на заднем сиденье. Краткий обзор взаимодействий между двигательной и соматосенсорной системами представлен ниже в разд. «Основы: Взаимодействие между соматосенсорной и двигательной системами».

Переход от принятия решения к движению задействует большую часть нашей нервной системы. На рисунке 1 представлена поэтапная схема процессов в ЦНС, необходимых для производства такого на первый взгляд простого движения, как вытягивание руки, чтобы взять чашку. Приняв решение взять чашку, вы используете зрение и определяете, за какую часть чашки нужно взяться. Зрительная кора передает эту информацию через соматосенсорные области коры в моторные области, которые отвечают за планирование и инициацию движения.

Рисунок 1. Последовательность этапов движения

Только после этого головной мозг передает команды в сегменты спинного мозга, управляющие мышцами кисти и предплечья. Роль головного мозга в этом процессе наглядно демонстрирует работа нейропротезов, описанных выше в разд. «Исследование: Нейропротезирование».

Когда вы берете чашку за ручку, информация от сенсорных рецепторов на ваших пальцах помогает обеспечить оптимальный захват. Информация передается обратно через спинной мозг в соматосенсорную кору, а оттуда в двигательную кору -это подтверждение того, что вы держите чашку. Другие области мозга также задействованы в контроле движения. Подкорковые базальные ядра регулируют силу захвата, а расположенный рядом со стволом мозга мозжечок регулирует согласованность и точность движений.

Очевидно, что в формировании необходимого движения для того, чтобы взять чашку, задействованы самые разные области ЦНС. Эти области имеют иерархическую организацию. Области переднего мозга, задействованные в принятии решения взять чашку, должны действовать через стоящие ниже в иерархии функциональные области — ствол мозга и спинной мозг. В мозге также должны присутствовать системы с параллельной организацией — вы можете брать чашку и одновременно делать другие вещи, например разговаривать или петь.

И наконец, функции этих областей мозга должны обладать определенной независимостью. После того как вы принимаете решение взять чашку, большая часть движений реализуется на бессознательном уровне. Лишь немногие из нас в состоянии описать последовательность действий или точно воспроизвести движения, совершаемые для взятия чашки, несмотря на то, что все это мы делали тысячи раз (Kuntz et al., 2018). Чтобы понять, как эти области ЦНС работают вместе, обеспечивая принятие решений и производство движений, нам следует рассмотреть основные элементы двигательной системы, начиная с переднего мозга.

Принцип 4. Процессы в ЦНС носят многоуровневый характер.

б) Основы. Взаимодействие между соматосенсорной и двигательной системами. Тесные взаимоотношения между двигательной и соматосенсорной системами обусловлены их анатомической взаимосвязью. Афферентная соматосенсорная информация поступает в мозг от разных частей тела через соматическую нервную систему. Двигательная информация передается из центральной нервной системы через параллельную эфферентную двигательную систему.

Как показано на рисунке «Передача информации», если вы наступите на гвоздь, то сенсорные сигналы, переданные СНС через спинной мозг в головной, будут афферентными. Исходящие из ЦНС эфферентные сигналы запустят двигательный ответ — вы поднимете ногу.

Передача информации Спинномозговые нервы

Спинной мозг обеспечивает связь между соматосенсорной и двигательной системами во всей ЦНС. На приведенном ниже рисунке «Спинномозговые нервы» представлен спинной мозг в поперечном разрезе. В наружном слое, состоящем из белого вещества, расположенные сзади тракты являются сенсорными, а расположенные спереди — двигательными (есть исключения). Внутренняя часть спинного мозга, которая на поперечном разрезе напоминает бабочку, состоит из серого вещества, образованного телами нейронов.

Относящиеся к СНС нервы подходят к спинному мозгу сзади и несут информацию от сенсорных рецепторов. Они объединяются вместе и входят в спинной мозг, образуя его задний корешок. Волокна, обеспечивающие передачу информации от спинного мозга к мышцам, отходят от передней части спинного мозга, образуя передний корешок. (Пучки нервных волокон, лежащие в пределах ЦНС, называют трактами, а пучки, лежащие за пределами ЦНС, — нервами.)

Спинной мозг расположен внутри последовательно соединенных костей — позвонков, формирующих пять отделов, представленных на рис. «Сегменты спинного мозга и дерматомы». Сегменты спинного мозга соответствуют сегментам тела, называемым дерматомами (в переводе с греческого означает «отрезок кожи»). Сверху вниз: шейный, грудной, поясничный, крестцовый и копчиковый сегменты идентифицируют по номерам сегментов спинного мозга, например, С5 (шейный позвонок 5) соответствует основанию шеи, a L2 (поясничный позвонок 2) соответствует нижней части спины.

Сегменты спинного мозга и дерматомы Слои неокортекса

Сегментированность тела и нервной системы имеет долгую эволюционную историю — она присутствует как у беспозвоночных (червей), так и у позвоночных. В состав шейного и поясничного дерматомов входят передние и задние конечности человека. Такую организацию проще понять, представив себя стоящим на четвереньках.

Схема «Слои неокортекса» позволяет проникнуть в глубины первичной моторной коры (обозначена синим) и соседних сенсорных (обозначены красным) зон коры. Исследование под микроскопом показывает, что шесть слоев коры различаются по структуре, характеристикам и функциям. Слой IV бывает относительно толстым в сенсорных зонах коры и относительно тонким в двигательных зонах коры. Слой V, напротив, относительно толстый в двигательных областях и тонкий в сенсорных областях коры.

Слой IV является афферентным, а слой V эфферентным. Очевидно, что сенсорная область содержит толстый слой, обеспечивающий прием сигналов, а моторная область — такой же слой, обеспечивающий передачу команд.

Видео физиология движений (тонус, поза, произвольные движения) - профессор, д.м.н. П.Е. Умрюхин

- Читать далее "Передний мозг в инициации движения - с точки зрения нейрофизиологии"

Редактор: Искандер Милевски. Дата публикации: 25.9.2023