Изследвания на гръбначния мозък разкриха революционни прозрения за неговите възможности, демонстрирайки потенциала му за независимо двигателно обучение и памет.

Специалистите от Центъра за науки за мозъка (CBS - Center for Brain Science) към японския изследователски институт RIKEN са идентифицирали две ключови групи неврони в гръбначния мозък: едната е от съществено значение за придобиването на нови двигателни умения, а другата е за припомняне на тези научени умения.

Възможности на гръбначния стълб

Традиционно се смяташе, че ролята на гръбначния мозък в моторния контрол е просто реакционна, зависима от командите на главния мозък. Но доказателства от природата, като насекоми без глава, които все още могат да адаптират движенията на краката си, намекват за по-автономна функция.

Досега механизмите зад подобни явления оставаха загадка.

"Получаването на представа за основния механизъм е от съществено значение, ако искаме да разберем основите на автоматичността на движението при здрави хора и да използваме това знание, за да подобрим възстановяването след нараняване на гръбначния мозък", обяснява Ая Такеока (Aya Takeoka), ръководител на изследването.

Мишките учат движенията на краката чрез гръбначния си мозък

За да проучи тази автономна способност, екипът на Такеока създава иновативен експеримент с мишки. Те създават условия, при които гръбначният мозък на мишка може да научи и да си спомни движенията на краката без намеса на главния мозък.

В тяхната настройка мишките са подложени на електрическа стимулация въз основа на позицията на задните им крака. Трябва да се отбележи, че ако кракът на мишка увисне, това предизвиква стимулация, симулираща нежелано събитие, което животното естествено би искало да избегне.

Трайно обучение на гръбначния мозък

Резултатите са поразителни. Само след десет минути работа на установката на експеримента и мишките коригират позициите на краката си, за да избегнат стимулацията с токови удари. Това поведение демонстрира ясен пример за двигателно обучение, което се случва директно на ниво гръбначен стълб.

Освен това обучението не е мимолетно. Ден по-късно същите мишки запазват коригираните си позиции на краката, дори когато ролите им са разменени с контролните мишки.

В това проучване гръбначните мозъци, които свързват позицията на крайника с неприятно преживяване, се научават да променят позицията на крайника само след 10 минути обучение и запазват спомена на следващия ден. Кредит: RIKEN

Картографиране на паметта и обучението

По-нататъшното изследване на невронните вериги, отговорни за тези способности, използва трансгенни мишки с деактивирани специфични групи гръбначни невронни.

Така екипът прави важно откритие: дезактивирането на неврони в горната част на гръбначния мозък, особено тези, експресиращи гена Ptf1a, възпрепятства способността на мишките да адаптират движенията си. В резултат на това мишките не могат ефективно да избегнат токовите удари.

Обратно, невроните в долната, вентрална част на гръбначния мозък, които експресират гена En1, се оказват решаващи за този процес на обучение.

Заглушаването на тези неврони един ден след първоначалната адаптация има значителен ефект. Това прави гръбначния мозък неспособен да си спомни наученото, ефективно изтривайки "паметта".

Съществено откритие е, че стимулирането на тези En1-експресиращи неврони по време на фазата на припомняне има драматичен ефект. Стимулацията не само връща наученото поведение, но и повишава скоростта на реакция с 80%. Това показва усилена способност за припомняне.

Промяна на парадигмата в двигателното обучение

Тези новаторски открития оспорват традиционното мнение, че двигателното обучение и паметта са изключително в главния мозък.

"Тези резултати не само оспорват преобладаващото схващане, че двигателното обучение и паметта са ограничени единствено до мозъчните вериги, но ние показахме, че можем да манипулираме двигателното припомняне на гръбначния мозък, което има последици за терапиите, предназначени да подобрят възстановяването след увреждане на гръбначния мозък", разказва Такеока.

Проучването променя нашето разбиране за ролята на гръбначния мозък в двигателната функция. Освен това, то отваря нови пътища за рехабилитационни стратегии след наранявания на гръбначния стълб, предлагайки надежда за подобрено възстановяване и автономност на засегнатите индивиди.

Потенциални приложения на гръбначния мозък в двигателното обучение

Използването на гръбначния мозък за обучение, особено в контекста на двигателните функции, е вълнуваща област от неврологията, която може да има значителни последици за рехабилитацията и подобряването на двигателните способности. Ето как можем да използваме способностите за учене на гръбначния мозък:

Рехабилитация след наранявания на гръбначния стълб

Разбирането, че гръбначният мозък може самостоятелно да учи и запомня двигателни задачи, отваря иновативни подходи за рехабилитация след наранявания на гръбначния мозък.

Специализирани програми за рехабилитация, които включват гръбначно-моторно обучение, могат да помогнат на пациентите да си възвърнат двигателните функции. Те могат да включват повтарящи се упражнения, специфични за задачата, които стимулират гръбначния мозък да "научава отново" движения, дори ако някои пътища от главния мозък до гръбначния мозък са увредени.

Подобряване на невралната пластичност

Леченията могат да се съсредоточат върху подобряване на невралната пластичност в гръбначния мозък. Това може да включва фармакологични подходи, които стимулират растежа и укрепването на невронни връзки или невротрофични фактори, които поддържат здравето и растежа на невроните.

Електростимулационни терапии, като транскутанна електрическа нервна стимулация (TENS - transcutaneous electrical nerve stimulation) или стимулация на гръбначния мозък (SCS - spinal cord stimulation), също могат да се използват за улесняване на този процес на обучение.

Протетична интеграция

Могат да бъдат разработени усъвършенствани протези, които да се интегрират директно с невронните вериги на гръбначния мозък, което позволява на потребителите да контролират тези устройства чрез присъщите способности за учене на гръбначния мозък.

Този подход би могъл да осигури по-интуитивен контрол на протезите, тъй като гръбначният мозък може потенциално да се научи и да се адаптира към протезата, сякаш е естествена част от тялото.

Адаптивно спортно обучение

За спортисти, особено такива, които се адаптират към промени в мобилността си или такива, които използват помощни устройства, програмите за обучение могат да бъдат проектирани така, че да увеличат максимално възможностите за двигателно обучение на гръбначния мозък.

Подобно обучение би оптимизирало способността на гръбначния мозък да координира сложни движения, които са специфични за различни спортове, подобрявайки представянето и ефективността на движението.

Неврофийдбек и биофийдбек

Техники, които предоставят обратна връзка в реално време за дейността на гръбначния мозък, могат да се използват за обучение на индивиди да променят реакциите си на гръбначния мозък за по-добър двигателен контрол.

Това може да бъде особено полезно при преподаване на нови локомоторни умения или при сценарии за възстановяване, където традиционните методи, фокусирани върху главния мозък, са по-малко ефективни.

Изследвания, включващи гръбначния мозък и двигателното обучение

Продължаването на изследването на способностите за учене на гръбначния мозък може да доведе до нови модели на двигателна функция и нарушения. Тези модели могат допълнително да прецизират нашето разбиране и лечение на различни състояния, засягащи двигателния контрол, от парализа до мускулна дистрофия.

Като се използва способността на гръбначния мозък да се учи и адаптира независимо от главния мозък, можем да разработим по-ефективни терапевтични стратегии и технологии, които подобряват мобилността, подобряват представянето и предлагат нова надежда на хората с двигателни увреждания.

Справка: Simon Lavaud et al. , Two inhibitory neuronal classes govern acquisition and recall of spinal sensorimotor adaptation. Science 384, 194-201(2024). DOI: 10.1126/science.adf6801

Източник: The spinal cord can learn and remember independently of the brain, Earth.com

Още по темата

19/01/2024

Медицина

Докосване на нерв в борбата срещу хроничната болка и заболяванията

27/09/2023

Медицина

Облекчаване на парализата с нови технологии за разчитане на мозъка

23/01/2023

Медицина

Може ли нервната стимулация да възстанови движението при травма на гръбначния мозък? (видео)

09/01/2023

Медицина

Стимулирането на имунните клетки подобрява изчистването на отпадъците от мозъка