Wprowadzenie do sterowania silnikiem

Kontrola zachowań motorycznych, czyli to, jak myśli w naszych mózgach przekładają się na działania naszego ciała, jest jednym z najważniejszych pytań, jakie mogą zadać sobie behawioryści. Fundamentalne znaczenie naukowe ma zrozumienie, w jaki sposób nasz układ nerwowy może odbierać i integrować informacje sensoryczne oraz wywoływać reakcję za pośrednictwem naszego układu mięśniowo-szkieletowego. Jednocześnie lepsze zrozumienie kontroli motorycznej pomoże nam zbudować lepsze narzędzia, które pomogą pacjentom z zaburzeniami motorycznymi.

W tym filmie dowiesz się o neurobiologicznych podstawach kontroli motorycznej, podstawowych pytaniach w tej dziedzinie, niektórych z ważnych technik eksperymentalnych oraz kilku konkretnych zastosowaniach tych technik do badania zachowań motorycznych.

Na początek przyjrzyjmy się, co naukowcy wiedzą obecnie o neurobiologii kontroli motorycznej.

Wydaje się, że różne części naszego układu nerwowego funkcjonują hierarchicznie, aby kontrolować zachowania motoryczne. Na szczycie hierarchii neuroanatomicznej znajduje się kora ruchowa, składająca się z przedruchowego i pierwotnego obszaru motorycznego. Przekrój koronalny przez korę ruchową ujawnia, że pierwotny obszar motoryczny projektuje "górne neurony ruchowe" w dół rdzenia kręgowego, aby kontrolować ruchy różnych części. Neurony, które kontrolują określone części ciała, są zlokalizowane w tych samych regionach obszaru motorycznego, tak że "mapa motoryczna" ciała może być z grubsza zidentyfikowana i przedstawiona w postaci "homunkulusa korowego".

Przed pierwotnym obszarem motorycznym znajduje się obszar przedruchowy, który ma być zaangażowany w kontrolę złożonych ruchów specyficznych dla danego zadania. Oprócz bezpośredniej kontroli ruchu, sugeruje się również, że obszar przedmotoryczny odgrywa ważną rolę w planowaniu motorycznym i uczeniu się.

Dwa inne obszary mózgu mogą odgrywać ważną rolę integracyjną w kontroli motorycznej: móżdżek i zwoje podstawy. Móżdżek wykorzystuje informacje z różnych systemów sensorycznych do precyzyjnego dostrojenia aspektów lokomocji, takich jak rytm, chód, równowaga i postawa. Sugeruje się również, że odgrywa rolę w planowaniu motorycznym i uczeniu się. Uważa się, że zwoje podstawy, które są bogate w połączenia z korą mózgową i innymi częściami mózgu, biorą udział w wyborze jednego ruchu z wielu do wykonania. Główne choroby motoryczne, takie jak choroba Parkinsona i Huntingtona, przypisuje się zmianom w zwojach podstawy.

Dalej w hierarchii motorycznej znajduje się pień mózgu i rdzeń kręgowy. Górne neurony ruchowe z kory ruchowej przemieszczają się w dół jako drogi piramidowe, które łączą się z dolnymi neuronami ruchowymi, które bezpośrednio kontrolują ruch. Z drugiej strony, drogi pozapiramidowe otrzymujące dane wejściowe z innych obszarów mózgu są przede wszystkim odpowiedzialne za modulowanie aspektów ruchu, takich jak równowaga, postawa i koordynacja.

Oprócz otrzymywania instrukcji z wyższych poziomów, neurony ruchowe wychodzące z rdzenia kręgowego są również odpowiedzialne za wykonywanie mimowolnych odruchów rdzeniowych, takich jak odruch odruchowy, w którym informacje sensoryczne bezpośrednio dyktują reakcję motoryczną.

Teraz, gdy dokonaliśmy przeglądu neuronalnych korelatów kontroli motorycznej, przyjrzyjmy się niektórym z głównych pytań w dziedzinie zachowań motorycznych.

Chociaż istnieją przybliżone wyobrażenia na temat roli różnych regionów mózgu w kontroli motorycznej, naukowcy wciąż próbują dowiedzieć się, co dzieje się z tymi systemami w zaburzeniach ruchowych. Konkretne badane czynności motoryczne obejmują równowagę i koordynację, a także zręczność. Dzięki ulepszonym narzędziom eksperymentalnym niektórzy naukowcy próbują określić lokalizację zdarzeń patologicznych stojących za tymi zaburzeniami.

Innym ważnym pytaniem w tej dziedzinie jest: w jaki sposób nasze percepcje zmysłowe wpływają na nasze ruchy? Na przykład naukowcy próbują zrozumieć, w jaki sposób iluzje wizualne lub cele o różnych perspektywach mogą wpływać na ruchy dobrowolne i mimowolne. Badają również, w jaki sposób dostosowywana jest postawa, gdy badanemu prezentowane są różne sygnały wizualne i ruchowe.

Wreszcie, naukowcy są również zainteresowani badaniem, w jaki sposób nabywa się umiejętności motoryczne. Może to pociągać za sobą próbę zrozumienia czasu i rodzaju informacji zwrotnej, która jest wymagana do nauczenia się umiejętności motorycznej oraz tego, jak trwała jest wyuczona umiejętność.

Po zapoznaniu się z niektórymi z głównych pytań w tej dziedzinie, przyjrzyjmy się narzędziom eksperymentalnym używanym do udzielenia odpowiedzi na te pytania.

Gryzonie, takie jak myszy i szczury, są powszechnie używane do wykonywania testów oceniających zachowanie motoryczne. Na przykład podstawowe funkcje lokomotoryczne można ocenić za pomocą ćwiczeń na bieżni lub zajęć na otwartym polu, podczas gdy ćwiczenia gryzoni na zestawach, takich jak równoważnia i rotarod, pozwalają na przetestowanie równowagi motorycznej i koordynacji.

Alternatywnie, uczenie motoryczne można badać u gryzoni za pomocą paradygmatów obejmujących sięganie po nagrodę w postaci jedzenia. Zadania związane z obchodzeniem się z żywnością są również przydatne do oceny zręczności kończyn przednich zwierzęcia. Te testy behawioralne mogą być połączone z interwencjami, takimi jak podawanie leków lub operacja, w celu powiązania aktywności motorycznej z określoną podstawą neurologiczną.

Wreszcie, aby zaobserwować zmiany neurologiczne, które zachodzą podczas czynności motorycznych, można zastosować techniki obrazowania i pomiarów elektrycznych. Techniki takie jak obrazowanie żywych komórek, elektroencefalografia lub EEG oraz elektromiografia lub EMG mogą być wykorzystywane do pomiaru aktywności neuronów i mięśni, gdy pacjent wykonuje zadanie motoryczne.

Po zapoznaniu się z niektórymi powszechnymi metodami stosowanymi w badaniu kontroli motorycznej, omówmy kilka zastosowań tych technik.

Jak wspomniano, testy behawioralne można łączyć z urazami wywołanymi chirurgicznie, aby zbadać związek między określonymi zmianami neuronalnymi a zachowaniem motorycznym. W tym badaniu naukowcy wywołali uraz po jednej stronie rdzenia kręgowego szyjnego u szczurów, a następnie przetestowali wpływ na wykorzystanie kończyn przez zwierzęta w zadaniach związanych z lokomocją. Eksperymenty te pomagają naukowcom zrozumieć rolę określonych obwodów neuronalnych w aktywności motorycznej kończyn.

Aby zbadać rolę, jaką informacje sensoryczne odgrywają w kontroli motorycznej, naukowcy mogą przeprowadzać eksperymenty, w których prezentują badanym określone sygnały sensoryczne i obserwują ich wpływ na ruch. W tym badaniu uczestnik został umieszczony w środowisku, w którym otoczenie wizualne i powierzchnia podparcia zostały zaprogramowane tak, aby się poruszały lub kołysały. Następnie oceniono zdolność badanego do dostosowania swojej postawy i utrzymania równowagi.

Wreszcie, niektórzy naukowcy opracowują protokoły, w których wiele trybów zbierania danych jest używanych jednocześnie, aby uzyskać pełniejszy obraz kontroli motorycznej. W tym badaniu naukowcy połączyli protokoły EEG, EMG i przechwytywania ruchu, aby zbadać aktywność neuronalną u uczestników wykonujących rzeczywiste zadania motoryczne.

Właśnie obejrzałeś film JoVE na temat kontroli zachowań motorycznych. W tym filmie dokonano przeglądu obecnego neurobiologicznego rozumienia kontroli motorycznej, kluczowych pytań i wybitnych metod w tej dziedzinie, a także kilku zastosowań metod do badania zachowań motorycznych. Jak zawsze, dziękujemy za oglądanie!