Введение
Биологическая нейронная цепь, которая генерирует ритмические сигналы при отсутствии ритмического входного сигнала.
Центральные генераторы паттернов (ЦГП) – это самоорганизующиеся биологические нейронные цепи, которые генерируют ритмические сигналы при отсутствии ритмического входного сигнала. Они являются источником тесно скоординированных паттернов нейронной активности, управляющих ритмичным и стереотипным двигательным поведением, таким как ходьба, плавание, дыхание или жевание. Способность функционировать без импульсов от высших отделов мозга все же требует модуляторных сигналов, и их выходные данные не являются фиксированными. Гибкость в ответ на сенсорные стимулы – фундаментальное свойство поведения, определяемого ЦГП.
Нейроны CPG
[[Файл:Внутренние свойства нейронов CPG.svg|thumb|440x440px|Внутренние свойства нейронов CPG. Адаптировано по Мардеру и Бучеру (2001). Некоторые нейроны генерируют серии потенциалов действия, либо спонтанно, либо в присутствии нейромодуляторов. Другие нейроны бистабильны и генерируют плато-потенциалы, которые могут быть инициированы деполяризующим импульсом тока и прекращены гиперполяризующим импульсом тока. Многие нейроны CPG активируются после снятия торможения (постингибиторная возбуждаемость). Распространенной особенностью нейронов CPG также является снижение частоты возбуждения при постоянной деполяризации (адаптация частоты спайков).
Дыхание
Трехфазная модель – классическое представление о респираторном ЦПГ. Фазы респираторного ЦПГ характеризуются ритмической активностью: (1) диафрагмального нерва во время вдоха; (2) ветвей возвратного гортанного нерва, иннервирующих щитовидно-черпаховидную мышцу на последней стадии выдоха; (3) ветвей внутреннего межреберного нерва, иннервирующих грудино-ключичную мышцу на второй стадии выдоха. Ритмичность этих нервов традиционно рассматривается как исходящая из единого генератора ритма. В этой модели фазирование обеспечивается взаимным синаптическим торможением между группами последовательно активных интернейронов. Однако была предложена альтернативная модель, подтвержденная определенными экспериментальными данными. Согласно этой модели, дыхательный ритм генерируется двумя соединенными анатомически различными генераторами ритма – одним в пре-Бётцингеровском комплексе, а другим в ретротрапециевидном ядре / парафациальной дыхательной группе. Дальнейшие исследования предоставили доказательства гипотезы о том, что одна из сетей отвечает за ритм вдоха, а другая – за ритм выдоха. Таким образом, вдох и выдох – это отдельные функции, и одна не индуцирует другую, как общепринято считать, а одна из двух доминирует в поведении, генерируя более быстрый ритм.
Поглощение
Проглатывание включает скоординированное сокращение более 25 пар мышц в ротоглотке, гортани и пищеводе, которые активны во время орофарингеальной фазы, за которой следует первичная перистальтика пищевода. Проглатывание зависит от центра деглютиции – ЦНС (генератора центральных паттернов), расположенного в продолговатом мозге, который включает несколько двигательных ядер ствола мозга и две основные группы интернейронов: дорсальную группу глотания (DSG) в ядре одиночного тракта и вентральную группу глотания (VSG), расположенную в вентролатеральном продолговатом мозге над ядром двусмысленного нерва. Нейроны DSG отвечают за генерацию паттерна проглатывания, в то время как нейроны VSG распределяют команды к различным пулам мотонейронов. Как и в других ЦНС, функционирование центральной сети может модулироваться периферическими и центральными сигналами, так что паттерн проглатывания адаптируется к размеру пищевого болюса. В этой сети центральные тормозные связи играют важную роль, вызывая рострокаудальное торможение, которое соответствует рострокаудальной анатомии глотательного тракта. Таким образом, когда активны нейроны, контролирующие проксимальные отделы тракта, нейроны, управляющие более дистальными отделами, подавляются. Помимо типа связи между нейронами, внутренние свойства нейронов, особенно нейронов ядра одиночного тракта, вероятно, также способствуют формированию и временной организации паттерна проглатывания. ЦНС проглатывания является гибкой структурой. Это означает, что по крайней мере некоторые нейроны, участвующие в проглатывании, могут быть многофункциональными и принадлежать к пулам нейронов, общим для нескольких ЦНС. Одной из таких ЦНС является респираторная, которая, как было замечено, взаимодействует с ЦНС проглатывания.
генераторы ритма
Центральные генераторы ритмов также могут играть роль в генерации ритма для других функций у позвоночных. Например, система вибрисс у крысы использует нетрадиционный ЦГР для движений ощупывания. "Как и другие ЦГР, генератор движений вибрисс может функционировать без коркового входа или сенсорной обратной связи. Однако, в отличие от других ЦГР, мотонейроны вибрисс активно участвуют в ритмогенезе, преобразуя тонические серотонинергические сигналы в организованный моторный выход, ответственный за движение вибрисс". Дыхание – это еще одна нелокомоторная функция центральных генераторов ритмов. Например, личинки амфибий осуществляют газообмен преимущественно посредством ритмической вентиляции жабр. Исследование показало, что вентиляция легких в стволе мозга головастика может управляться механизмом, подобным пейсмейкеру, в то время как дыхательный ЦГР адаптируется у взрослой жабы по мере взросления. Таким образом, ЦГР выполняют широкий спектр функций у позвоночных животных и широко адаптируются и изменяются в зависимости от возраста, окружающей среды и поведения.
Механизм
Ритмичность в ЦПГ также может быть результатом клеточных свойств, зависящих от времени, таких как адаптация, задержка возбуждения и пост-ингибиторный отскок (PIR). PIR – это внутреннее свойство, которое вызывает ритмическую электрическую активность путем деполяризации мембраны после прекращения гиперполяризующего стимула. Оно может быть обусловлено несколькими механизмами, включая гиперполяризационно-активированный катионный ток (Ih), кальциевый ток с низкой пороговой активацией или дезактивацию деполяризационно-активированных входящих токов. Период PIR после прекращения ингибирования можно объяснить как время повышенной нейронной возбудимости. Это свойство многих нейронов ЦНС, которое иногда приводит к возникновению "всплесков" потенциалов действия сразу после ингибирующего синаптического воздействия. "В связи с этим было предположено, что PIR может способствовать поддержанию колебательной активности в нейронных сетях, характеризующихся взаимными ингибирующими связями, таких как те, что участвуют в локомоторном поведении. Кроме того, PIR часто включается в качестве элемента в вычислительных моделях нейронных сетей с взаимным ингибированием". Например, "PIR в растяжных рецепторах рака вызван восстановлением от адаптации во время ингибиторной гиперполяризации. Особенностью этой системы является то, что PIR возникает только при наложении гиперполяризации на фон возбуждения, вызванного в данном случае растяжением. Они также обнаружили, что PIR можно вызвать в рецепторе растяжения с помощью гиперполяризующих импульсов тока. Это было важным открытием, поскольку оно показало, что PIR является внутренним свойством постсинаптического нейрона, связанным с изменением мембранного потенциала, обусловленным ингибированием, но независимым от рецепторов нейромедиатора или пресинаптических свойств. Последнее заключение выдержало проверку временем, подтвердив PIR как устойчивое свойство нейронов ЦНС в различных контекстах". Это клеточное свойство наиболее отчетливо проявляется в нейронной цепи миноги. Движение при плавании обеспечивается чередующейся нервной активностью между левой и правой сторонами тела, что вызывает их изгиб вперед и назад, создавая колебательные движения. Когда минога согнута влево, на правой стороне возникает взаимное торможение, вызывающее ее расслабление из-за гиперполяризации. Сразу после этого гиперполяризующего стимула интернейроны используют пост-ингибиторный отскок для инициирования активности на правой стороне. Деполяризация мембраны вызывает ее сокращение, в то время как взаимное ингибирование теперь применяется к левой стороне.
Функции у беспозвоночных
CPG играют сходно критическую роль в координации поведения у беспозвоночных, а изучение CPG у беспозвоночных, состоящих из меньшего числа нейронов, позволило установить общие принципы работы CPG и их организации в нервной системе. Одним из модельных нейронных контуров для изучения CPG является брюшногастральный ганглий у крабов и лобстеров – схема примерно из 30 нейронов, содержащая два CPG, которые генерируют ритмическую моторную активность для жевания и переваривания пищи. Дальнейшие исследования механизмов контроля этих поведенческих реакций CPG выявили вложенную архитектуру CPG, обеспечивающую контроль ритмических движений в различных временных масштабах. Другие примеры CPG у беспозвоночных животных включают CPG, модулирующий рефлекторное отведение, плавание и передвижение у моллюска Tritonia, а также CPG, контролирующий сердцебиение пиявок. Центральные генераторы ритма играют важную роль у всех животных и демонстрируют удивительное разнообразие и адаптивность в большинстве случаев.
Альтернативные интерпретации
Одна из теорий, примиряющих роль сенсорной обратной связи при ритмической локомоции, заключается в переопределении ЦПГ как "оценщиков состояния", а не генераторов ритма. С этой точки зрения, ЦПГ представляют собой внутренний спинномозговой процессор, который корректирует неточную сенсорную обратную связь и адаптирует центральный вход к этому оптимизированному периферическому сигналу. Модели, использующие эту концепцию, способны воспроизводить ритмическое поведение, а также фиктивную локомоцию, не прибегая к независимым генераторам ритма.