Anatomie a fyziologie CPG
Ačkoli anatomické detaily CPG jsou konkrétně známy pouze v několika případech, bylo prokázáno, že pocházejí z mích různých obratlovců a jsou závislé na relativně malých a autonomních neuronových sítích (spíše než na celém nervovém systému), které generují rytmické vzory. Neurální rytmičnost může vznikat dvěma způsoby: „prostřednictvím interakcí mezi neurony (síťová rytmičnost) nebo prostřednictvím interakcí mezi proudy v jednotlivých neuronech (endogenní oscilační neurony).“ Klíčem k pochopení generování rytmu je koncept polocentrického oscilátoru (HCO). „Polocentrický oscilátor se skládá ze dvou neuronů, které jednotlivě nemají žádnou rytmickou schopnost, ale které při vzájemném spojení produkují rytmické výstupy.“ Polocentrické oscilátory mohou fungovat různými způsoby. Za prvé, oba neurony nemusí nutně pálit v antifázi a mohou pálit v jakémkoliv relativním fázování, dokonce synchronním, v závislosti na synaptickém uvolnění. Za druhé, polocentra mohou také fungovat v režimu „úniku“ nebo „uvolnění“. Únik a uvolnění odkazuje na způsob, jakým se off-neuron zapíná; únikem nebo uvolněním z inhibice. Polocentrické oscilátory mohou být také měněny vnitřními a síťovými vlastnostmi a mohou mít dramaticky odlišnou funkčnost na základě změn synaptických vlastností. Podrobnější popis nervových obvodů, které jsou základem generátoru srdečního rytmu pijavky a pylorické sítě desetinožkových korýšů, najdete v Hooperově recenzi centrálních vzorových generátorů.
Organismy musí přizpůsobit své chování potřebám svého vnitřního a vnějšího prostředí. Centrální vzorové generátory, jako součást nervových obvodů organismu, mohou být modulovány tak, aby se přizpůsobily potřebám a okolí organismu. Pro CPG obvody byly nalezeny tři role modulace:
Například plavecké CPG Tritonia diomedea může vyvolat reflexivní stažení v reakci na slabý smyslový vstup, únikové plavání v reakci na silný smyslový vstup a plazení po únikovém plavání ustalo. Hřbetní plavecké interneurony (DSI) plaveckých CPG způsobují nejen rytmické únikové plavání, ale také se napojují na řasinky aktivující efektní neurony. Experimentální důkazy potvrzují, že obě chování jsou zprostředkována DSI. „Vzhledem k extrémním rozdílům mezi těmito chováními – rytmické versus tonické, svalové versus řasinkové a krátké versus dlouhotrvající – tyto nálezy odhalují nápadnou všestrannost pro malou multifunkční síť.“ „Část této flexibility je způsobena uvolněním serotoninu z DSI, což způsobuje, že mozková buňka 2 (C2) uvolňuje více vysílače a posiluje své síťové synapse. Aplikace serotonergních antagonistů brání síti produkovat plavecký vzor, a proto se tato vnitrosíťová modulace jeví jako nezbytná pro oscilaci sítě.“
Údaje z experimentů Harrise-Warricka z roku 1991 a Hoopera a Mardera z roku 1987 naznačují, že funkčním cílem modulace je celá síť CPG. Tato myšlenka byla poprvé pozorována pomocí experimentů s neuromodulátorem v humrovi. Účinek proktolitinu nemohl být pochopen při pohledu pouze na neurony, které přímo ovlivňoval. „Místo toho neurony, které nejsou přímo ovlivňovány, mění odezvu přímo ovlivněných neuronů a pomáhají přenášet změny v aktivitě těchto neuronů po celé síti,“ což umožňuje, aby se celá síť měnila konzistentním a synchronizovaným způsobem. Harris-Warrick a jeho kolegové provedli během let mnoho studií o účincích neuromodulátorů na neuronové sítě CPG. Například studie z roku 1998 ukázala distribuovanou povahu neuromodulace a to, že neuromodulátory mohou rekonfigurovat motorickou síť tak, aby umožňovala rodinu příbuzných pohybů. Konkrétně bylo prokázáno, že dopamin ovlivňuje jak jednotlivé neurony, tak synapse mezi neurony. Dopamin posiluje některé synapse a jiné oslabuje tím, že působí pre- a postsynapticky v celém stomatogastrickém ganglionu korýšů. Tyto reakce, stejně jako další účinky dopaminu, mohou být v různých místech ve znamení opačné, což ukazuje, že součet účinků je celkový síťový účinek a může způsobit, že CPG produkuje příbuzné rodiny různých motorických výstupů.
Jednotlivá neuronální síť, například centrální generátor vzorců, může být modulována z okamžiku na okamžik tak, aby vytvářela několik různých fyzických činností v závislosti na potřebách zvířete. Tyto sítě byly poprvé vytvořeny „polymorfními sítěmi“ Gettingem a Dekinem v roce 1985. Příkladem jednoho takového polymorfního centrálního generátoru vzorců je multifunkční síť měkkýše Tritonia diomedea. Jak popsal Hooper, slabý smyslový vstup do plavajícího CPG vyvolává reflexivní stažení, zatímco silný vstup vyvolává plavání. Hřbetní plavecké interneurony (DSI) okruhu uvolňují serotonin, aby se přeměnily na „plavecký režim“, zatímco aplikace serotonergních antagonistů brání plaveckému vzoru. Navíc bylo zjištěno, že stejná jediná interneuronální síť produkuje nejen „rytmické, svalové únikové plavání“, ale také „nerytmické, ciliemi zprostředkované plazení“. Důkazy také naznačují, že ačkoli CPG kontroluje související, ale oddělené funkce, může dojít k neuromodulaci jedné funkce, aniž by byla ovlivněna druhá. Například plavecký režim může být senzibilizován serotoninem, aniž by byl ovlivněn režim plazení. Obvod CPG tak může řídit mnoho oddělených funkcí s příslušnou neuromodulací.
Ačkoli teorie centrálního generování vzorů volá po centrálně generované základní rytmicitě a vzorování, CPG mohou reagovat na smyslovou zpětnou vazbu a měnit vzorování behaviorálně vhodnými způsoby. Změna vzoru je obtížná, protože zpětná vazba obdržená pouze během jedné fáze může vyžadovat změněný pohyb v ostatních částech vzorovaného cyklu, aby byly zachovány určité koordinační vztahy. Například chůze s kamínkem v pravé botě změní celou chůzi, i když podnět je přítomen pouze při stání na pravé noze. Dokonce i v době, kdy je levé chodidlo dole a smyslová zpětná vazba je neaktivní, se podniká opatření k prodloužení houpání pravé nohy a prodloužení času na levé noze, což vede ke kulhání. Tento účinek může být způsoben rozšířenými a dlouhotrvajícími účinky smyslové zpětné vazby na CPG nebo krátkodobými účinky na několik neuronů, které následně modulují blízké neurony a šíří zpětnou vazbu celým CPG tímto způsobem. Určitý stupeň modulace je nutný k tomu, aby jedna CPG mohla v reakci na zpětnou vazbu předpokládat více stavů.
Účinek smyslového vstupu se navíc bude lišit v závislosti na fázi obrazce, ve které se vyskytuje. Například během chůze způsobí odpor k horní části kyvné nohy (tj. pomocí vodorovné hole) zvednutí chodidla výše, aby se posunulo přes hůl. Stejný vstup stojícímu chodidlu však nemůže způsobit zvednutí chodidla, jinak by osoba zkolabovala. V závislosti na fázi tedy stejný smyslový vstup může způsobit zvednutí chodidla výše nebo jeho pevnější přidržení k zemi. „Tato změna motorické odezvy jako funkce motorické fáze obrazce se nazývá reflexní obrácení a byla pozorována u bezobratlých (DiCaprio a Clarac, 1981) a obratlovců (Forssberg a kol., 1977). Jak tento proces probíhá, není dobře známo, ale opět existují dvě možnosti. První je, že smyslový vstup je vhodně směrován k různým CPG neuronům jako funkce motorické fáze obrazce. Druhá je, že vstup dosahuje stejných neuronů ve všech fázích, ale že v důsledku toho, jak síť transformuje vstup, se síťová odezva přiměřeně mění jako funkce motorické fáze.“
Nedávná studie Gottschalla a Nicholse zkoumala zadní končetinu decerebrátové kočky při chůzi (funkce řízená CPG) v reakci na změny v náklonu hlavy. Tato studie popisuje rozdíly v chůzi a poloze těla koček při chůzi do kopce, z kopce a na rovných površích. Propriocepční (Golgiho šlachové orgány a svalová vřetena) a exterorecepční (optické, vestibulární a kožní) receptory pracují samostatně nebo v kombinaci s cílem přizpůsobit CPG senzorické zpětné vazbě. Studie zkoumala účinky proprioceptorů v oblasti krku (poskytujících informace o relativním umístění hlavy a těla) a vestibulárních receptorů (poskytujících informace o orientaci hlavy ve vztahu k gravitaci). Decerebrátní kočky byly nuceny chodit po rovném povrchu s hlavou ve výši, nakloněnou nahoru nebo dolů. Porovnáním decerebrátových koček s normálními kočkami se ukázaly podobné EMG vzory během level walking a EMG vzory, které odrážely chůzi z kopce s hlavou nakloněnou nahoru a chůzi do kopce s hlavou nakloněnou dolů. Tato studie prokázala, že krční proprioceptory a vestibulární receptory přispívají senzorickou zpětnou vazbou, která mění chůzi zvířete. Tyto informace mohou být užitečné pro léčbu poruch chůze.
Funkce generátorů centrálních vzorů
Centrální generátory vzorů mohou sloužit mnoha funkcím u obratlovců. CPG mohou hrát roli v pohybu, dýchání, generování rytmu a dalších oscilačních funkcích. Níže uvedené oddíly se zaměří na konkrétní příklady generování pohybu a rytmu, dvou klíčových funkcí CPG.
První moderní důkaz o centrálním generátoru obrazců byl získán izolací nervového systému sarančat a prokázáním, že by mohl produkovat rytmický výstup v izolaci připomínající výstup sarančat za letu. To objevil Wilson v roce 1961. Od té doby se objevily důkazy o přítomnosti centrálních generátorů obrazců u obratlovců. Tato část se bude zabývat úlohou centrálního generátoru obrazců v lokomoci pro mihule a lidi.
Mihule byla použita jako model pro CPG obratlovců, protože zatímco její nervový systém má organizaci obratlovců, sdílí mnoho pozitivních vlastností s bezobratlými. Když je odstraněna z mihule, neporušená mícha může přežít dny in vitro. Má také velmi málo neuronů a může být snadno stimulována k vytvoření fiktivního plaveckého pohybu indikujícího centrální generátor vzorců. Již v roce 1983 Ayers, Carpenter, Currie a Kinch navrhli, že existuje bazální CPG zodpovědné za většinu vlnivých pohybů mihule včetně plavání dopředu a dozadu, hrabání se v bahně a plazení se po pevném povrchu. Zjistilo se, že různé pohyby jsou měněny neuromodulátory, včetně serotoninu ve studii Harrise-Warricka a Cohena v roce 1985 a tachykininu ve studii Pereze, CT et. al. v roce 2007. Mihulový model CPG pro lokomoci byl velmi důležitý pro studium CPG a nyní je používán při vytváření umělých CPG. Například Ijspeert a Kodjabachian použili Ekebergův model pro mihuli k vytvoření umělých CPG a simulaci plavání v substrátu podobném mihuli pomocí regulátorů založených na kódování SGOCE. V podstatě jsou to první kroky k použití CPG pro kódování lokomoce u robotů.
Centrální generátory vzorců také přispívají k pohyblivosti u vyšších živočichů a lidí. V roce 1994 Calancie, et. al. tvrdil, že byl svědkem „prvního dobře definovaného příkladu centrálního generátoru rytmu pro šlapání u dospělého člověka“. Subjektem byl 37letý muž, který před 17 lety utrpěl zranění krční míchy. Po počátečním úplném ochrnutí pod krkem subjekt nakonec znovu získal určitý pohyb paží a prstů a omezený pohyb v dolních končetinách. Nezotavil se dostatečně, aby unesl vlastní váhu. Po 17 letech subjekt zjistil, že když ležel na zádech a protahoval kyčle, jeho dolní končetiny procházely krokovitými pohyby po celou dobu, kdy zůstal ležet. „Pohyby i) zahrnovaly střídavou ohebnost a protahování kyčlí, kolen a kotníků, ii) byly hladké a rytmické, iii) byly natolik rázné, že subjekt se brzy stal nepohodlným kvůli nadměrnému „napnutí“ svalů a zvýšené tělesné teplotě, a iv) nemohly být zastaveny dobrovolným úsilím.“ Po rozsáhlém studiu subjektu experimentátoři dospěli k závěru, že „tyto údaje představují dosud nejjasnější důkaz, že taková [CPG] síť u člověka existuje“. Jak je popsáno v Neuromodulaci, lidská lokomotiva CPG je velmi přizpůsobivá a může reagovat na smyslové vstupy. Přijímá vstupy z mozkového kmene i z prostředí, aby udržela síť regulovanou. Novější studie nejen potvrdily přítomnost CPG pro lidskou lokomoci, ale také potvrdily jeho robustnost a přizpůsobivost. Například Choi a Bastian ukázali, že sítě odpovědné za lidskou chůzi jsou přizpůsobivé v krátkých i dlouhých časových měřítcích. Ukázali přizpůsobení různým vzorcům chůze a různým podmínkám chůze. Ukázali také, že různé motorické vzorce se mohou přizpůsobovat nezávisle. Dospělí mohli dokonce chodit na běžeckých pásech jdoucích pro každou nohu jiným směrem. Tato studie ukázala, že nezávislé sítě kontrolují chůzi vpřed a vzad a že sítě kontrolující každou nohu se mohou přizpůsobovat nezávisle a být trénovány k samostatné chůzi. Lidé tak také disponují centrálním generátorem vzorců pro lokomoci, který je schopen nejen generování rytmických vzorců, ale také pozoruhodné přizpůsobení a užitečnosti v široké škále situací.
Centrální generátory vzorů mohou také hrát roli při generování rytmu pro další funkce u obratlovců. Například systém vibrissa u potkanů používá pro šlehání nekonvenční CPG. „Stejně jako ostatní CPG může šlehací generátor pracovat bez kortikálních vstupů nebo smyslové zpětné vazby. Na rozdíl od ostatních CPG se však vibrissa motoneurons aktivně účastní rytmické ogeneze tím, že přeměňuje tonické serotonergní vstupy na vzorovaný motorický výstup zodpovědný za pohyb vibrissy.“ Dýchání je další nealokomotivní funkcí centrálních generátorů vzorů. Například larvální obojživelníci dosahují výměny plynů převážně prostřednictvím rytmické ventilace žáber. Studie Brocha, et. al. ukázala, že plicní ventilace v mozkovém kmeni pulce pulce může být řízena mechanismem podobným kardiostimulátoru, zatímco respirační CPG se přizpůsobuje u dospělého skokana. CPG tedy mají u obratlovců širokou škálu funkcí a jsou široce přizpůsobivé a proměnlivé s věkem, prostředím a chováním.
Funkce u bezobratlých
Jak bylo popsáno dříve, CPG mohou také fungovat různými způsoby u bezobratlých živočichů. U měkkýšů Tritonia moduluje CPG reflexivní stažení, únikové plavání a plazení. CPG se také používají při letu u kobylek a pro dýchací systémy u jiného hmyzu. Centrální generátory vzorů hrají širokou roli u všech živočichů a téměř ve všech případech vykazují úžasnou variabilitu a přizpůsobivost.
Carew J.T. (2000) Behavioral Neurobiology. Sinauer Associates, Inc. Sunderland, MA: 155-163