Кіріспе
Ритмикалық кіріс болмаған кезде ритмикалық шығыстарды тудыратын биологиялық нейрондық тізбек. Орталық үлгілер генераторлары (CPG) – бұл ритмикалық кіріссіз ритмикалық шығыстарды өзінен-өзі ұйымдастыратын биологиялық нейрондық тізбектер. Олар жүйке қызметінің өте байланысқан үлгілерінің көзі болып табылады, олар жүру, жүзу, тыныс алу немесе шайнау сияқты ритмикалық және стереотиптік моторлық мінез-құлықтарды қозғайды. Жоғары ми облыстарынан кіріссіз жұмыс істеу қабілеті әлі де модуляциялық кірістерді талап етеді, ал олардың шығыстары өзгермейтін емес. Сенсорлық кірістерге жауап берудегі икемділік – CPG басқаратын мінез-құлықтың маңызды қасиеті.
Central pattern generators (CPGs) are self organizing biological neural circuits that produce rhythmic outputs in the absence of rhythmic input. They are the source of the tightly coupled patterns of neural activity that drive rhythmic and stereotyped motor behaviors like walking, swimming, breathing, or chewing. The ability to function without input from higher brain areas still requires modulatory inputs, and their outputs are not fixed. Flexibility in response to sensory input is a fundamental quality of CPG driven behavior.
CPG нейрондары
[[Файл:CPG нейрондарының ішкі қасиеттері.svg|thumb|440x440px|CPG нейрондарының ішкі қасиеттері. Мардер мен Бухердің (2001) еңбегінен алынған. Кейбір нейрондар өздігінен немесе нейромодуляторлардың әсерімен әрекет потенциалының сериясын (жарылысын) шығарады. Басқа нейрондар екі тұрақты күйге ие және деполяризациялық ток импульсімен қоздырылатын, ал гиперполяризациялық ток импульсімен тоқтатылатын плато потенциалдарын жасайды. Көптеген CPG нейрондары тежелуден босатылғаннан кейін (тежелуден кейінгі кері реакция) оянады. CPG нейрондарының тағы бір жалпы қасиеті – тұрақты деполяризация кезінде оқу жиілігінің төмендеуі (оқу жиілігіне бейімделу).
Тыныс алу
Үш фазалы модель – тыныс алу орталық үлгісінің (CPG) классикалық көрінісі болып табылады. Тыныс алу орталық үлгісінің (CPG) фазалары келесілердің ритмикалық белсенділігімен сипатталады: (1) дем алу кезінде френикалық жүйке; (2) дем шығарудың соңғы сатысында тиреоартитеноид бұлшықетін иннервациялайтын қайталанатын көмекейлік жүйке тармақтары; (3) дем шығарудың екінші сатысында триангулярис стерни бұлшықетін иннервациялайтын ішкі қабырғааралық жүйке тармақтары. Бұл жүйкелердің ырғақтылығы бір ырғақ генераторынан туындайды деп классикалық түрде қарастырылады. Бұл модельде фазалар тізбектеп белсенді интернейрондар тобының өзара синапты тежелуі арқылы құрылады. Дегенмен, белгілі бір тәжірибелік деректермен нығайтылған балама модель ұсынылды. Бұл модельге сәйкес, тыныс алу ырғағы екі анатомиялық жағынан ерекше ырғақ генераторымен жасалады, біреуі пре-Бётцингер кешенінде, екіншісі ретротрапезоид ядросы / парафациалды тыныс алу тобында орналасқан. Одан әрі жүргізілген зерттеулер желілердің бірі дем алу ырғағына, ал екіншісі дем шығару ырғағына жауапты деген гипотезаны растады. Сондықтан, дем алу және дем шығару – ерекше функциялар және бірі екіншісін тудырмайды, керісінше, қалыптанған сенімге сәйкес, екеуінің бірі жылдам ырғақ жасау арқылы мінез-құлыққа басымдық етеді.
Ішу
Жұту – ауыз қуысы, көмей және қабырға ішегіндегі 25 жұптан астам бұлшық еттердің үйлесімді жиырылуын қамтиды, олар ауыз-көмейлік фазада белсенді болып, содан кейін қабырға ішегінің бастапқы перистальтикасы жүзеге асырылады. Жұту деглютиция орталығына, мидың ұзыншақ жасушасында орналасқан CPG-ге тәуелді, ол бірнеше ми сабағының қозғалтқыш ядроларын және интернейрондардың екі негізгі тобын қамтиды: ядролық жолдың солярийіндегі дорсальды жұту тобы (DSG) және ядролық тұрақсыздықтан жоғары вентролатеральды мида орналасқан вентральды жұту тобы (VSG). DSG нейрондары жұту үлгісін құруға жауапты, ал VSG нейрондары әртүрлі мотонейрондар жиынтығына командаларды жібереді. Басқа CPG-лердегідей, орталық желінің жұмысын шеткі және орталық сигналдар арқылы өзгертуге болады, сондықтан жұту үлгісі болустың көлеміне бейімделеді. Бұл желіде орталық тежеуші байланыстар маңызды рөл атқарады, жұту жолының рострокаудальды анатомиясына сәйкес рострокаудальды тежеуді тудырады. Осылайша, жолдың алдыңғы бөлігін басқаратын нейрондар белсенді болғанда, артқы бөлігін басқаратын нейрондар тежеледі. Нейрондар арасындағы байланыс түрінен басқа, нейрондардың ішкі қасиеттері, әсіресе NTS нейрондары, жұту үлгісінің қалыптасуына және уақытына да әсер етеді. Жұту CPG – икемді CPG. Бұл кем дегенде кейбір жұту нейрондары көп функциялы болуы мүмкін және бірнеше CPG-ге ортақ нейрондар жиынтығына жатуы мүмкін дегенді білдіреді. Мұндай CPG-лердің бірі – тыныс алу CPG, ол жұту CPG-мен өзара әрекеттеседі.
Ритм генераторлары
Орталық үлгі генераторлары омыртқалы жануарлардың басқа функциялары үшін ырғақ генерациясында да маңызды рөл атқара алады. Мысалы, егешкінің вибрисса жүйесі қозғалыс үшін дәстүрлі емес CPG-ны пайдаланады. "Басқа CPG-лер сияқты, вибрисса генераторы кортикальдік кіріс немесе сенсорлық кері байланыссыз жұмыс істей алады. Дегенмен, басқа CPG-лерден өзгеше, вибрисса мотонейрондары ритмогенезге белсенді қатысып, тоникалық серотонергиялық кірістерді вибриссалардың қозғалысына жауапты, үлгілі моторлық шығысқа айналдырады". Тыныс алу – орталық үлгі генераторларының тағы бір қозғалысқа қатыспайтын функциясы. Мысалы, қосмекенділердің дернәсілдері газ алмасуды көбінесе жабындардың ырғақты желдетуі арқылы жүзеге асырады. Бір зерттеу көрсеткендей, ересек егешкінің ми сабасындағы өкпе желдетуі кардиостимуляторға ұқсас механизммен басқарылуы мүмкін, ал тыныс алу CPG ересек бұқа бақада жетілуімен бірге бейімделеді. Осылайша, CPG омыртқалы жануарларда кең ауқымды функцияларды атқарады және жасқа, ортаға және мінез-құлыққа байланысты кеңінен бейімделеді және өзгеріп отырады.
Механизм
Ритмикалық реакциялар уақытқа тәуелді жасушалық қасиеттерден, мысалы бейімделу, кешіктірілген қозу және пост-ингибиторлық қайта шағылыстан (PIR) туындауы мүмкін. PIR – гиперполяризациялық тітіркендіргіш тоқтағаннан кейін мембрананы деполяризациялау арқылы ырғақты электрлік белсенділікті тудыратын ішкі қасиет. Ол бірнеше механизмдер арқылы өндірілуі мүмкін, соның ішінде гиперполяризациялық белсенді катиондық ток (Ih), төмен вольттылық белсенді кальций тогы немесе деполяризацияланған ішкі токтардың деактивациясы. Ингибиция тоқтағаннан кейін, PIR кезеңін нейрондық қозғыштықтың жоғарылау уақыты ретінде түсіндіруге болады. Бұл көптеген орталық жүйке жүйесі нейрондарының қасиеті, кейде ингибиторлық синаптық кірістен кейін дереу пайда болатын әрекет потенциалының "жарылыстары" түрінде көрінеді. "Осы себепті, PIR жүйке желілеріндегі тербелістік белсенділікті сақтауға көмектеседі деп ұсынылған, әсіресе өзара тежегіш байланыстармен сипатталатындарда, мысалы, қозғалысқа қатысты жүйке желілері. Сонымен қатар, PIR жиі өзара тежелуді қамтитын нейрондық желілердің есептеу моделдеріне элемент ретінде қосылады". Мысалы, "Шұбаршабақ (crayfish) созу рецепторларындағы PIR ингибиторлық гиперполяризация кезінде бейімделуден қалпына келу нәтижесінде пайда болады. Бұл жүйенің ерекшелігі – PIR тек гиперполяризация созудан туындаған қозу фонында ғана пайда болады. Сондай-ақ, олар PIR-ді созу рецепторларында ток импульстарын гиперполяризациялау арқылы тудыруға болатынын анықтады. Бұл маңызды жаңалық болды, себебі ол PIR постсинаптикалық нейронның ішкі қасиеті екенін көрсетті, бұл ингибициямен байланысты мембраналық потенциалдың өзгеруімен байланысты, бірақ трансмиттер рецепторларына немесе пресинаптикалық қасиеттерге тәуелсіз. Бұл соңғы тұжырым уақыт сынағынан өтті, PIR-ді орталық жүйке жүйесі нейрондарының көптеген жағдайлардағы берік қасиеті ретінде бекітіп берді". Бұл жасушалық қасиетті ең оңай шапақ балық (Lamprey) нейрондық тізбегінде байқауға болады. Жүзу қозғалысы дененің сол және оң жақтары арасындағы кезектесетін жүйке белсенділігі нәтижесінде туындайды, бұл оның алға-артқа иілуіне және тербелістік қозғалыстарға әкеледі. Шапақ балық сол жаққа иілген кезде, оң жағында өзара тежеу болады, бұл гиперполяризациядан кейін оның босаңсуына себеп болады. Осы гиперполяризациялық тітіркендіргіштен кейін интернейрондар бірден оң жақтағы белсенділікті бастау үшін пост-ингибиторлық қайта шағылысты пайдаланады. Мембрананың деполяризациялануы оның жирылуына себеп болады, ал өзара тежеу енді сол жаққа қолданылады.
Омыртқасыз жануарлардағы функциялары
CPG-лер омыртқасыз жануарларда да мінез-құлқын үйлестіруде маңызды рөл атқарады. Аз сандағы нейрондармен омыртқасыз жануарлардың CPG-лерін зерттеу CPG-лердің жалпы принциптерін және олардың жүйке жүйесіндегі ұйымдастырылуын анықтауға көмектесті. CPG-лерді зерттеу үшін қолданылатын модельдік схеманың бір мысалы – крабтар мен лобстерлердегі стоматогастральды ганглий. Бұл схемаға шамамен 30 нейрон кіреді және ол тамақты шайнау мен қорыту үшін ырғақты моторлық шығысты қамтамасыз ететін екі CPG-ден тұрады. CPG-лердің осы мінез-құлықты қалай басқаратынына қатысты жүргізілген зерттеулер, әртүрлі уақыт өлшемдерінде ырғақты мінез-құлықты басқару үшін ішкі-ішкі CPG архитектурасын көрсетті. Омыртқасыз жануарлардағы CPG-лердің басқа мысалдарына Тритония моллюскісінде рефлекстік кері тартылу, қашу үшін жүзу және қозғалу, сондай-ақ пиявдалардың жүрек соғуын бақылау кіреді. Орталық үлгі генераторлары барлық жануарларда кең таралған рөл атқарады және көп жағдайда таңғажайып өзгергіштік пен бейімделу қабілетін көрсетеді.
Альтернативті түсіндірмелер
Ритмикалық қозғалыс кезінде сезімдік кері байланыстың рөлін түсіндіретін бір теория – орталық үлгі жасаушы генераторларды (CPG) ритм тудырғыштар емес, "күйді бағалаушылар" ретінде қарастыру. Осы көзқарас бойынша, CPG – бұл кемшіліктері бар сезімдік кері байланысты түзететін және осы оңтайландырылған перифериялық сигналдарға сәйкес орталық сигналды бейімдейтін омыртқаның ішкі процессорлары. Осы қағидаға негізделген модельдер, тәуелсіз ритм генераторларын қолданбай, ырғақты мінез-құлықты және жорамал қозғалысты іске асыра алады.