Модель предполагает, что после травмы спинного мозга кинестетическое чувство помогает восстановить движение.
В течение почти 50 лет бесчелюстная рыба, называемая миногой, интересовала ученых из-за ее замечательной способности восстанавливаться после травм спинного мозга. Новое исследование показывает возможную технику, которую миноги могут использовать, чтобы снова плавать, несмотря на скудную регенерацию нейронов.
Кристина Гамлет из Университета Бакнелла и ее сотрудники, в том числе Дженнифер Р. Морган из Морской биологической лаборатории (MBL), использовали математическую модель , чтобы продемонстрировать, как миноги могут использовать обратную связь от органов чувств для восстановления способности плавать после травмы позвоночника . Исследование может вдохновить на новые терапевтические подходы к людям или алгоритмы передвижения мягких роботов. Статья опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences.
«Кульминация статьи заключается в том, что даже при отсутствии нисходящей команды через это [спинное] поражение вы можете усилить сенсорную обратную связь и восстановить двигательную активность», — сказал Морган, старший научный сотрудник MBL и директор Центра регенеративной биологии Юджина Белла MBL.
В отличие от человека и других млекопитающих, миноги быстро и почти полностью восстанавливаются даже после тяжелых повреждений верхних отделов спинного мозга. Морган ранее обнаружил, что, хотя регенерация нейронов действительно помогает восстановлению у миног, она не раскрывает всей истории. Только небольшой процент нейронов и нейронных связей восстанавливается после травмы позвоночника, поэтому они должны использовать другой механизм.
«У меня были все эти вопросы о том, как это могло бы работать. Как вы могли бы получить функционирующую нервную систему с несколькими небольшими разреженными соединениями?» — спросил Морган.
Ученые выдвинули гипотезу, что миноги могут использовать обратную связь по телесным ощущениям (называемую проприоцепцией или кинестезией) для управления своими движениями в дополнение к нисходящим нервным связям в спинном мозге. Морган связалась с ее старым другом из MBL Эриком Тайтеллом, адъюнкт-профессором биологии Университета Тафтса и бывшим исследователем MBL Whitman Center. Эрик уже сотрудничал с Лизой Фаучи, профессором математики в Тулейнском университете, и Кристиной Гамлет, которая была со-наставником постдока в Тулейне.
Тителл, Фаучи и Гамлет использовали математические модели для имитации движения миног. Они объединились, чтобы «посмотреть, сможем ли мы смоделировать некоторые эффекты сенсорной обратной связи на плавательное поведение миног», — сказал Гамлет, который в настоящее время является доцентом кафедры математики в Университете Бакнелла.
Команда начала играть с различными сценариями травм позвоночника у миног, включая как биологически правдоподобные, так и неправдоподобные, — все из которых предполагали отсутствие регенерации нейронов в поврежденном спинном мозге. В этом польза моделирования, сказал Гамлет: «Мы можем сломать то, что вы не можете сломать в биологии». Модель учитывала изгибы и растяжения тела над очагом поражения и отправляла эту информацию остальным частям тела через мышцы, а не через спинной мозг.
Даже при умеренной сенсорной обратной связи модели показали удивительное восстановление моделей плавания в биологически правдоподобных моделях. Более сильная сенсорная обратная связь привела к еще большему улучшению.
Поскольку у миног действительно отрастают некоторые из их нейронов после повреждения и, следовательно, они получают нисходящую команду от мозга для управления движением, им может потребоваться даже меньше сенсорной обратной связи, чем модели. Команда надеется добавить в модель регенерацию нейронов и проверить, как это влияет на движение и взаимодействует с сенсорной обратной связью.
«Если у вас есть хорошая вычислительная модель, вы можете выполнить намного больше сценариев манипуляций, чем это практически возможно при экспериментировании», — сказал Морган.
Команда надеется, что это исследование и будущие исследования будут способствовать разработке методов лечения людей с травмами позвоночника и заболеваниями, влияющими на движение. Интерфейсы «мозг-машина» и устройства-стимуляторы начинают включать обратную связь с датчиками тела, чтобы создавать более плавные движения после травмы, и это исследование может дать информацию о количестве и типе обратной связи, которая нужна людям.
«Являетесь ли вы животным, таким как минога, которая [выздоравливает] спонтанно, или человеком, которому нужно дать лекарство или электростимулятор, дойдите до того, что у вас есть несколько вещей в нужном месте, а затем повторно используйте то, что уже должно быть что-то более достижимое, чем попытка воспроизвести идентичный исходный паттерн синаптических связей и роста», — сказал Морган.
