Автопарк состоит из всех отдельных двигательных нейронов , иннервирующих один мускул . Каждое отдельное мышечное волокно иннервируется только одним двигательным нейроном, но один двигательный нейрон может иннервировать несколько мышечных волокон. Это различие является физиологически значимым, потому что размер данного моторного пула определяет активность мышцы, которую он иннервирует: например, мышцы, отвечающие за более тонкие движения, иннервируются моторным пулом, состоящим из большего числа отдельных мотонейронов. 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]
Анатомия
Определенные скелетные мышцы контролируются группами отдельных двигательных единиц . Такие двигательные единицы состоят из одного двигательного нейрона и мышечных волокон, которые он иннервирует. Двигательные нейроны расположены в вентральном роге части спинного мозга и ствола головного мозга . Эти нейроны иннервируют волокна скелетных мышц за счет распространения потенциалов действия вниз по их аксонам (через вентральные корешки и черепные нервы ), и они стимулируют волокна скелетных мышц в нервно-мышечных соединениях, где они синапсируют с моторными концевыми пластинами мышечных волокон. У людей длина аксонов может достигать одного метра. Сами мотонейроны делятся на три основных класса: альфа-моторные нейроны 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-мотонейроны способны синапсировать с любым типом мышечных волокон. Альфа-моторные нейроны можно далее разделить на три отдельных подкласса, различающихся в зависимости от сократительных свойств моторных единиц, которые они образуют: быстро сокращающиеся утомляемые (FF), быстро сокращающиеся, устойчивые к утомлению (FR) и медленно сокращающиеся утомляемость. -устойчивый (S). Состав моторного пула может состоять из нескольких классов и подклассов моторных нейронов. [1]
Моторные пулы в спинном мозге сгруппированы в отдельные столбцы моторных нейронов, простирающихся на несколько сегментов спинного мозга; хотя есть и значительное совпадение. Моторные бассейны, которые контролируют проксимальные мышцы, обычно расположены медиальнее брюшного рога , тогда как те, которые контролируют дистальные мышцы, расположены латерально. Моторные бассейны, которые контролируют мышцы-сгибатели , расположены дорсально от вентрального рога, а те, что контролируют мышцы-разгибатели , расположены вентрально. [1]
Количество моторных нейронов в индивидуальном двигательном пуле сильно варьируется и, как правило, может быть предсказано уровнем тонкого контроля, который требуется конкретной мышце. Например, некоторые мышцы имеют относительно низкое количество моторных единиц в соответствующих моторных пулах, в то время как другие с очень тонким контролем (например, мышцы руки человека ) имеют более высокую плотность моторных единиц. [1]
Функция
Моторные пулы функционируют в первую очередь для интеграции синаптических сигналов от высших центров ЦНС в точные и последовательные паттерны сокращений. Отдельные моторные нейроны в пределах данного моторного пула срабатывают в соответствии с так называемым « принципом размера ». Принцип размера был предложен Элвудом Хеннеманом и его группой в 1960-х годах для объяснения характерного паттерна, с помощью которого срабатывают отдельные мотонейроны в моторном пуле. Принцип размера предусматривает, что, когда моторные нейроны моторного пула срабатывают, что приводит к сокращению конечного мышечного волокна, моторные единицы, содержащие самые маленькие моторные нейроны, срабатывают первыми. В возбуждающей увеличивается сигнализация, более крупные двигательные нейроны впоследствии набраны и увеличивается прочность сжатия. Кроме того, это дифференциальное рекрутирование мотонейронов происходит как при увеличении, так и при уменьшении силы сокращения. По мере увеличения силы сжатия самые маленькие двигательные единицы срабатывают первыми и также прекращают работу последними, поскольку сила сжатия уменьшается. [2]
Принцип размера имеет важные функциональные преимущества. В первую очередь, эта система освобождает высшие центры ЦНС от необходимости сигнализировать о конкретных паттернах сокращения для различных уровней сокращения мышц. Уровень синаптического входа, который более высокие центры предоставляют данному двигательному пулу, должен определять силу сокращения, и это упрощает процесс модуляции силы сокращения. Эта система обеспечивает очень точную и последовательную модуляцию силы сокращения от только увеличенного или уменьшенного уровня синаптического входа: с дополнительными двигательными единицами увеличивающегося размера будет последовательный и точный эффект на силу сокращения. Еще одно ключевое преимущество, вытекающее из принципа размера, заключается в том, что меньшие нейроны будут активироваться более регулярно и в течение более длительного времени по сравнению с более крупными нейронами. Эти меньшие двигательные единицы более устойчивы к утомлению и поэтому лучше подходят для этой роли. [2] [3]
Специализация и развитие
Существует несколько уровней дифференциации и специализации, чтобы рассмотреть сложное развитие моторных бассейнов.
Дифференциация альфа- и гамма-мотонейронов
Альфа-мотонейроны и гамма-мотонейроны различаются не только по своим постсинаптическим целям. Физиологические различия между этими двумя классами значительны. Диаметр аксонов гамма-мотонейронов вдвое меньше, чем у альфа-мотонейронов, что приводит к более высокому цитоплазматическому сопротивлению и, следовательно, к более медленной скорости распространения сигнала. Кроме того, гамма-моторные нейроны демонстрируют гораздо более простые паттерны ветвления, чем их альфа-аналоги. Дифференциация этих двух классов регулируется сложными взаимодействиями между несколькими нейротрофическими факторами , и все эти взаимодействия еще недостаточно изучены. Было обнаружено, что нейротрофический фактор, производный от линии глиальных клеток ( GDNF ), играет особенно важную роль на всех уровнях развития моторного пула. В случае альфа- и гамма-дифференцировки было показано, что гамма-мотонейроны экспрессируют значительно более высокие уровни определенных субъединиц рецептора GDNF . [4]
Дифференциация подкласса альфа-моторных нейронов
Альфа-мотонейроны далее дифференцируются на подклассы, которые демонстрируют различные физиологические характеристики. Быстро сокращающиеся, утомляемые (FF) мотонейроны являются самыми большими (и, следовательно, самыми быстрыми в распространении сигналов) из альфа-мотонейронов; FR (быстросокращающиеся, устойчивые к утомлению) нейроны имеют средний размер, а медленные, устойчивые к утомлению (S) нейроны являются самым маленьким подклассом. Эти различия в размерах не только сигнализируют о скорости, но и составляют физиологическую основу размерного принципа. Из-за относительно небольшого диаметра аксонов нейроны S-типа, которые иннервируют более мелкие мышечные волокна, требуют меньшего входного потенциала для достижения порога . И наоборот, нейроны типа FF, которые иннервируют самые крупные мышечные волокна, требуют большего входного потенциала для достижения порога. Следовательно, диаметр аксонов трех подклассов альфа-мотонейронов четко определяет паттерны набора моторных единиц, предсказываемые принципом размера. Конкретные регуляторные механизмы, которые определяют размер этих трех подклассов альфа-моторных нейронов, хорошо не известны. [4]
Специфика бассейна и пространственная ориентация
На следующем уровне специализации конкретные комбинации классов и подклассов моторных нейронов пространственно сгруппированы в кластеры, известные как моторные колонны по всему спинному мозгу . Эти моторные колонки представляют собой моторные пулы, и каждый из них имеет свою уникальную идентичность: каждый нейрон в пуле (независимо от его класса) экспрессирует уникальный профиль факторов транскрипции , белков клеточной поверхности (таких как рецепторы, управляющие аксонами и молекулы адгезии ), и рецепторы нейротрансмиттеров . Эти биохимические маркеры, специфичные для пула, обеспечивают основу для развития мышечного синапса. [4] Среди этой специфической для пула комбинации факторов транскрипции Hox- факторы играют особенно важную роль. Факторы транскрипции Hox играют центральную роль в пространственной ориентации моторного пула в позвоночнике и в сайт-специфическом синапсировании моторного пула с его нижележащими мышечными волокнами . [5]
Размер бассейна
Количество моторных нейронов в определенном моторном пуле является решающим шагом в развитии. Опять же, мало что известно о точных механизмах и молекулах, участвующих в этом процессе специализации. Однако известно, что этот механизм включает начальное поколение большого количества двигательных нейронов, за которым следует процесс отсечения, который опосредуется механизмами гибели клеток и факторами выживания. Некоторые исследователи предположили, что количество нейронов в данном пуле определяется конкурентными взаимодействиями между различными Hox-генами . [4] [5]
Эволюция
Мышцы, отвечающие за более тонкие и тонкие движения, иннервируются моторными пулами, состоящими из большего количества отдельных мотонейронов. Этот принцип подчеркивается при изучении эволюции моторных бассейнов человеческого языка и рук .
Человеческий язык
Отточенные и скоординированные движения языка ответственны за сложность человеческой речи . Эволюционный анализ мог бы предсказать аномально большой моторный пул, иннервирующий мышцы человеческого языка, по сравнению с таковыми у других млекопитающих. Такой большой моторный пул позволил бы иннервацию мышцы языка, специфичных для региона, моторных нейронов со спецификой задачи, специализации моторных нейронов, которые учитывают быстрые движения, и различных других моторных нюансов, необходимых для создания сложной речи. Анатомический анализ подтвердил это эволюционное предсказание: у среднего взрослого человека моторный пул языка содержит от 7 093 до 8 817 мотонейронов. Эта плотность нейронов намного превышает измеренную у других млекопитающих и даже превышает размер моторного пула для многих мышц человеческого тела: например, двуглавая мышца плеча иннервируется моторным пулом, который в среднем имеет размер 441,5 мотонейрона. [6]
Человеческая рука
Эволюционный анализ также предсказывает наличие больших моторных бассейнов, иннервирующих мышцы руки человека. Человеческие инновации в изготовлении инструментов, метательных движениях и движениях дубинкой требовали беспрецедентной ловкости рук, что стало возможным только благодаря разветвленной сети больших моторных бассейнов, иннервирующих человеческую руку. Как объясняет Ричард Янг:
Было высказано предположение, что родословная гоминидов началась, когда группа обезьян, похожих на шимпанзе, начала бросать камни и клюшки в противников, и что такое поведение давало репродуктивные преимущества в течение миллионов лет, стимулируя естественный отбор для улучшения метательного и дубинчатого мастерства. Это утверждение приводит к предсказанию, что человеческая рука должна быть адаптирована для метания и ударов дубинкой… тем самым обеспечивая эволюционное объяснение двух уникальных захватов и обширной анатомической реконструкции руки, сделавшей их возможными. [7]
Точный нервно-мышечный контроль обеспечивает время высвобождения менее миллисекунды, необходимое для броска. Эффективная дубинка требует задействования нескольких двигательных единиц для обеспечения надежного захвата при ударе. Эти эволюционные прогнозы были подтверждены сравнительными анатомическими исследованиями: двигательные бассейны, иннервирующие человеческую руку, значительно больше, чем те, что иннервируют родственные руки приматов. [7]
Связь с заболеванием
ALS
Боковой амиотрофический склероз (БАС) - это нейродегенеративное заболевание, которое по-разному влияет на определенные моторные пулы и классы моторных нейронов. Например, было показано, что БАС, смоделированный на мышах, сначала приводит к быстрой потере двигательных нейронов FF с последующей отсроченной потерей нейронов FR, оставляя нейроны S-типа в значительной степени нетронутыми на поздних стадиях заболевания. Кроме того, у пациентов с поздней стадией БАС гибель мотонейронов зависит от пула. Гибель двигательных нейронов по всему спинному мозгу приводит к почти полной потере произвольных движений; тем не менее, глазной контроль и произвольный контроль выделительных функций в основном не затрагиваются. Эти движения управляются моторными пулами в среднем мозге и ядром Онуфа в пояснично-крестцовом отделе спинного мозга, соответственно. В настоящее время проводятся исследования этих устойчивых к БАС моторных пулов, и их специфические для пула молекулярные идентичности изучаются на предмет потенциальных нейрозащитных качеств. [4]
Параллели в SMA и старении
Спинальная мышечная атрофия (СМА) и связанная со старением двигательная дегенерация имеют явные параллели с БАС в паттернах и специфичности потери двигательных нейронов. Хотя он полностью отличается от БАС по своему патогенезу , СМА приводит к такой же быстрой гибели моторных нейронов FF, при этом нейроны S-типа обычно сохраняются. Кроме того, моторные пулы, контролирующие мимические мышцы (включая мышцы глаза ) и произвольные выделительные мышцы, сохраняются. [4] Дегенерация двигательных нейронов, вызванная старением, аналогичным образом влияет на типы FF, но не на S-типы; старение также, кажется, щадит моторные бассейны глаза. [8] Эти сходные паттерны нейродегенерации при трех различных заболеваниях привели исследователей к предположению, что медленно сокращающиеся двигательные нейроны, наряду с моторными пулами глаз и выделительными мышцами, обладают внутренними нейрозащитными свойствами, которые не являются специфическими для болезни. В настоящее время проводятся исследования для обнаружения возможной молекулярной основы нейропротекции в этих типах клеток. [4]
Рекомендации
- ^ a b c d Карп, JS и Wolpaw, JR 2010. Двигательные нейроны и спинной контроль движения. eLS DOI: 10.1002 / 9780470015902.a0000156.pub2
- ^ a b Henneman E и Mendell LM (1981) Функциональная организация пула мотонейронов и входов. В: BrooksVB (ed.), Handbook of Physiology, sect. I: Нервная система, т. II: Управление двигателем, часть I, стр. 423–507. Балтимор: Уильямс и Уилкинс.
- ^ Burke RE (1981) Двигательные единицы: анатомия, физиология и функциональная организация. В: Брукс В.Б. (ред.) Справочник по физиологии, разд. I: Нервная система, т. II: Управление двигателем, часть I, стр. 345–422. Балтимор: Уильямс и Уилкинс.
- ^ Б с д е е г Kanning, Kevin C., Артем Каплан, и Кристофера Э. Хендерсон. «Разнообразие моторных нейронов в развитии и болезни». Ежегодный обзор нейробиологии 33.1 (2010): 409-40. Распечатать.
- ^ a b Сон, Ми-Рён и Сэмюэл Л. Пфафф. «Hox Genes: инструкторы, работающие в автомобильных бассейнах». Cell 123.3 (2005): 363-65. Распечатать.
- ^ Бейкер, Тодд Адам. Биомеханическая модель человеческого языка для понимания производства речи и другого языкового поведения. Анн-Арбор, Мичиган: UMI, 2008. 41-46. Распечатать.
- ^ a b Янг, Ричард В. «Эволюция человеческой руки: роль метания и ударов дубинкой». Анатомический журнал 202.1 (2003): 165-74. Распечатать.
- ^ Enoka, R. "Механизмы, которые способствуют различиям в двигательных характеристиках молодых и старых взрослых". Журнал электромиографии и кинезиологии 13.1 (2003): 1-12. Распечатать.
Смотрите также
- Моторный блок
- Моторный нейрон