Введение в управление двигателем

Контроль двигательного поведения, или то, как мысли в нашем мозгу преобразуются в действия нашего тела, является одним из самых важных вопросов, которые могут быть заданы учеными-бихевиористами. Фундаментальный научный интерес представляет понимание того, как наша нервная система может воспринимать и интегрировать сенсорную информацию и вызывать реакцию через опорно-двигательный аппарат. В то же время, более глубокое понимание моторного контроля поможет нам создать более совершенные инструменты для помощи пациентам с двигательными нарушениями.

В этом видео вы узнаете о нейробиологических основах моторного контроля, фундаментальных вопросах в этой области, некоторых важных экспериментальных методах и некоторых конкретных применениях этих методов для изучения двигательного поведения.

Для начала давайте посмотрим, что ученые в настоящее время знают о нейробиологии моторного контроля.

Различные части нашей нервной системы, по-видимому, функционируют иерархически, чтобы контролировать двигательное поведение. На вершине нейроанатомической иерархии находится моторная кора, состоящая из премоторной и первичной моторной областей. Корональный срез через моторную кору показывает, что первичная моторная область проецирует «верхние моторные нейроны» вниз по спинному мозгу для контроля движений различных частей. Нейроны, которые контролируют определенные части тела, локализованы в одних и тех же областях в моторной области, так что «моторная карта» тела может быть грубо идентифицирована и представлена в виде «кортикального гомункулуса».

Перед первичной моторной областью находится премоторная область, которую предполагается вовлекать в управление сложными движениями, специфичными для выполнения задачи. Предполагается, что в дополнение к непосредственному управлению движением, премоторная область также играет важную роль в моторном планировании и обучении.

Две другие области мозга могут играть важную интегративную роль в контроле моторики: мозжечок и базальные ганглии. Мозжечок использует информацию от различных сенсорных систем для тонкой настройки аспектов локомоции, таких как ритм, походка, равновесие и осанка. Также было высказано предположение, что он играет роль в моторном планировании и обучении. Считается, что базальные ганглии, которые богаты связями с корой и другими частями мозга, участвуют в выборе одного движения из многих для выполнения. Основные двигательные заболевания, такие как болезнь Паркинсона и Хантингтона, были связаны с поражениями базальных ганглий.

Далее по моторной иерархии находятся ствол головного мозга и спинной мозг. Верхние моторные нейроны из моторной коры движутся вниз в виде пирамидальных путей, которые соединяются с нижними моторными нейронами, непосредственно контролирующими движение. С другой стороны, экстрапирамидные тракты, получающие входные данные из других областей мозга, в первую очередь отвечают за модулирующие аспекты движения, такие как равновесие, осанка и координация.

В дополнение к получению инструкций с более высоких уровней, двигательные нейроны, выходящие из спинного мозга, также отвечают за выполнение непроизвольных спинномозговых рефлексов, таких как рефлекс коленного рефлекса, когда сенсорная информация напрямую диктует двигательную реакцию.

Теперь, когда мы рассмотрели нейронные корреляты управления моторикой, давайте рассмотрим некоторые из основных вопросов в области моторного поведения.

Несмотря на то, что существуют приблизительные представления о роли различных областей мозга в управлении моторикой, ученые все еще пытаются выяснить, что происходит с этими системами при двигательных расстройствах. Конкретные двигательные активности, которые исследуются, включают равновесие и координацию, а также ловкость. С помощью усовершенствованных экспериментальных инструментов некоторые ученые пытаются точно определить локализацию патологических событий, стоящих за этими расстройствами.

Еще один важный вопрос в этой области: как наше сенсорное восприятие влияет на наши движения? Например, ученые пытаются понять, как зрительные иллюзии или мишени с разными перспективами могут влиять на произвольные и непроизвольные движения. Они также исследуют, как корректируется поза, когда объекту предъявляются различные визуальные и двигательные сигналы.

Наконец, ученых также интересует изучение того, как приобретаются моторные навыки. Это может повлечь за собой попытку понять, сколько времени и какая обратная связь требуется для освоения двигательного навыка, а также насколько постоянным является приобретенный навык.

Рассмотрев некоторые из основных вопросов в этой области, давайте посмотрим на экспериментальные инструменты, используемые для ответа на эти вопросы.

Грызуны, такие как мыши и крысы, обычно используются для проведения тестов по оценке двигательного поведения. Например, базовую локомоторную функцию можно оценить с помощью упражнений на беговой дорожке или занятий на открытом поле, в то время как упражнения грызунов на установках, таких как бревно и ротарод, позволяют проверить двигательный баланс и координацию.

В качестве альтернативы моторное обучение может быть исследовано на грызунах с использованием парадигм, включающих стремление к пищевому вознаграждению. Задания по обработке пищи также полезны для оценки ловкости передних конечностей животного. Эти поведенческие тесты могут сочетаться с такими вмешательствами, как введение лекарств или хирургическое вмешательство, чтобы связать двигательную активность конкретно с определенной неврологической основой.

Наконец, для наблюдения за неврологическими изменениями, происходящими во время двигательной активности, могут быть применены методы визуализации и электрических измерений. Такие методы, как визуализация живых клеток, электроэнцефалография или ЭЭГ, а также электромиография или ЭМГ, могут быть использованы для измерения нейронной и мышечной активности, когда субъект выполняет двигательную задачу.

Рассмотрев некоторые распространенные методы, используемые в исследовании управления моторикой, давайте обсудим несколько применений этих методов.

Как уже упоминалось, поведенческие тесты можно сочетать с хирургически индуцированными травмами для изучения связи между конкретными нейронными поражениями и двигательным поведением. В этом исследовании ученые индуцировали травму одной стороны шейного отдела спинного мозга у крыс, а затем проверили влияние на использование конечностей животными при передвижении и обработке пищи. Эти эксперименты помогают ученым понять роль конкретных нейронных цепей в двигательной активности конечностей.

Чтобы изучить роль, которую сенсорная информация играет в управлении моторикой, исследователи могут проводить эксперименты, в которых они представляют испытуемым конкретные сенсорные сигналы и наблюдают за их влиянием на движение. В этом исследовании участник был помещен в среду, где визуальные эффекты окружают, а опорная поверхность была запрограммирована на движение или раскачивание. Затем оценивалась способность испытуемого корректировать свою позу и сохранять равновесие.

Наконец, некоторые ученые разрабатывают протоколы, в которых одновременно используются несколько режимов сбора данных, чтобы получить более полную картину управления моторикой. В этом исследовании ученые объединили протоколы ЭЭГ, ЭМГ и захвата движения, чтобы изучить нейронную активность у участников, выполняющих реальные двигательные задачи.

Вы только что посмотрели видео JoVE о контроле двигательного поведения. В этом видео рассматриваются современные нейробиологические представления о контроле моторики, ключевые вопросы и основные методы в этой области, а также некоторые варианты применения методов для изучения двигательного поведения. Как всегда, спасибо за просмотр!