2023-01-09 ジョージア工科大学
研究者らは、実験的研究と計算機モデルを組み合わせて、体性感覚フィードバック、すなわち猫の体全体にある特殊なセンサーからの神経信号が、進行中の運動について脊髄に知らせ、猫が障害物に遭遇したときに転ばないように四肢を調整するのに役立つことを明らかにした。研究によれば、脊髄と脳の接続部分が部分的に骨折していても、そうした運動に関連した感覚信号があれば、動物は歩くことができるそうです。
このようなバランス制御のメカニズムを理解することは、バランスに問題があり、転倒して怪我をすることがよくある高齢者に特に関係があります。最終的には、バランス制御における体性感覚フィードバックの役割に新たな理解をもたらすことができればと、研究者らは考えている。また、体性感覚ニューロンの活性化により、脊髄損傷部位より下の脊髄神経ネットワークの機能を改善できることが示唆されたため、脊髄損傷治療の進歩につながる可能性もある。
研究者達は、この研究成果をジャーナルeNeuroに発表しています。
ジョージア工科大学は、カナダのシェルブルック大学およびフィラデルフィアのドレクセル大学の研究者と共同で、感覚ニューロンからの信号が四肢の動きをどのように調整するのかをより深く理解するために研究を行った。シャーブルック大学の研究室では、トレッドミルの上で人間の歩行と同じペースで歩くように猫を訓練し、電極を使って猫の感覚神経を刺激した。
研究者らは、足の甲から脊髄に触覚を伝える感覚神経に注目した。この神経を電気的に刺激することで、障害物にぶつかったように見せ、猫がどのようにつまずき、それに応じて動きを修正するかを観察した。刺激は、歩行周期のうち、立脚中期、立脚から遊脚への移行期、遊脚中期、遊脚から立脚への移行期の4つの時期に与えた。その結果、ミッドスウィングとスタンスからスウィングへの移行期が最も重要であり、刺激によって刺激された肢の膝関節と股関節を曲げる筋肉の活動、関節の屈曲とつま先の高さ、歩幅、歩容が増加することが分かった。
「バランスを保つために、動物は他の3つの手足の動きを調整しなければならず、そうしなければ倒れてしまいます」とPrilutskyは述べています。”我々は、遊脚相の間にこの神経を刺激すると、他の四肢の立脚相の持続時間が長くなり、安定性が向上することを発見しました。”
事実上、猫が遊脚相の間につまずくと、その感覚が脊髄反射を引き起こして、他の3本の手足が地面にとどまり、猫を直立させてバランスを保ち、遊脚が障害物を踏み越えるようにするのです。
ジョージア工科大学とドレクセル大学の研究者たちは、こうしたカナダの実験室での観察結果をもとに、猫の筋骨格系と脊髄神経制御系の計算モデルを構築している。集められたデータは、筋肉の長さ、速度、生み出す力、四肢の皮膚にかかる圧力に関連する体性感覚信号を計算するために使用される。この情報は、動物の脊髄で運動感覚を形成し、脊髄神経ネットワークによる四肢間の協調に寄与する。
<関連情報>
- https://research.gatech.edu/cat-locomotion-could-unlock-better-human-spinal-cord-injury-treatment
- https://www.eneuro.org/content/9/6/ENEURO.0178-22.2022
無傷のネコの後肢皮膚求心性神経による運動時の四肢の協調的な機能的反応 Sensory Perturbations from Hindlimb Cutaneous Afferents Generate Coordinated Functional Responses in All Four Limbs during Locomotion in Intact Cats
Angèle N. Merlet, Pierre Jéhannin, Stephen Mari, Charly G. Lecomte, Johannie Audet, Jonathan Harnie, Ilya A. Rybak, Boris I. Prilutsky and Alain Frigon
eNeuro Published:5 December 2022
DOI: https://doi.org/10.1523/ENEURO.0178-22.2022
Abstract
Coordinating the four limbs is an important feature of terrestrial mammalian locomotion. When the foot dorsum contacts an obstacle, cutaneous mechanoreceptors send afferent signals to the spinal cord to elicit coordinated reflex responses in the four limbs to ensure dynamic balance and forward progression. To determine how the locomotor pattern of all four limbs changes in response to a sensory perturbation evoked by activating cutaneous afferents from one hindlimb, we electrically stimulated the superficial peroneal (SP) nerve with a relatively long train at four different phases (mid-stance, stance-to-swing transition, mid-swing, and swing-to-stance transition) of the hindlimb cycle in seven adult cats. The largest functional effects of the stimulation were found at mid-swing and at the stance-to-swing transition with several changes in the ipsilateral hindlimb, such as increased activity in muscles that flex the knee and hip joints, increased joint flexion and toe height, increased stride/step lengths and increased swing duration. We also observed several changes in support periods to shift support from the stimulated hindlimb to the other three limbs. The same stimulation applied at mid-stance and the swing-to-stance transition produced more subtle changes in the pattern. We observed no changes in stride and step lengths in the ipsilateral hindlimb with stimulation in these phases. We did observe some slightly greater flexions at the knee and ankle joints with stimulation at mid-stance and a reduction in double support periods and increase in triple support. Our results show that correcting or preventing stumbling involves functional contributions from all four limbs.
