ЖУРНАЛ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ, 2015, том 65, № 2, с. 156-187
= ОБЗОРЫ, ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СТАТЬИ
УДК 591.1,612
ЦЕНТРАЛЬНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ: МЕХАНИЗМ РАБОТЫ И ИХ РОЛЬ В УПРАВЛЕНИИ АВТОМАТИЗИРОВАННЫМИ ДВИЖЕНИЯМИ
© 2015 г. Ю. И. Аршавский1, Т. Г. Делягина2, Г. Н. Орловский2
1Калифорнийский университет, Сан Диего, США, 2Каролинский институт, Стокгольм, Швеция e-mail: yarshavs@ucsd.edu
Центральным генератором называют совокупность взаимосвязанных нейронов, способных генерировать основную картину моторного выхода, лежащего в основе автоматизированных движений (дыхание, локомоция, жевание, глотание и т.п.), в отсутствии афферентных сигналов от исполнительного двигательного аппарата. Они делятся на истинные генераторы, активные на протяжении всей жизни (респираторный генератор), и условные, контролирующие эпизодические движения (локомоция, жевание, глотание и др.). Поскольку моторный выход генераторов определяется их внутренней организацией, активность условных генераторов инициируется простой командой, приходящей из высших центров. Описаны структурно-функциональная организация локомоторных генераторов морского моллюска клиона, миноги, эмбриона лягушки и лабораторных млекопитающих (кошка, мышь и крыса), генераторов, контролирующих респираторные и глотательные движения млекопитающих, и генератора разрядов электрического органа гимнотиформных рыб. Показано, что во всех случаях генерация ритмического моторного выхода базируется как на эндогенной (пейсмекерной) активности специфических групп интернейронов, так и на межнейронном взаимодействии. Эти два взаимосвязанных механизма дополняют друг друга, обеспечивая надежную работу генераторов. Обсуждается вопрос, как опыт, полученный при изучении центральных генераторов, может быть использован для понимания механизмов более сложных функций мозга, включая его когнитивные функции.
Ключевые слова: центральный генератор, истинные и условные генераторы, командная область, пейсмекерный интернейрон, межнейронное взаимодействие, локомоция, дыхание, глотание, электрический орган.
Central Pattern Generators: Mechanisms of the Activity and Their Role in the Control of "Automatic" Movements
Y. I. Arshavsky1, T. G. Deliagina2, G. N. Orlovsky2
1University of California, San Diego, USA, 2Karolinska Institutet, Stockholm, Sweden e-mail: yarshavs@ucsd.edu
Central pattern generators (CPGs) are a set of interconnected neurons capable of generating a basic pattern of motor output underlying "automatic" movements (breathing, locomotion, chewing, swallowing, and so on) in the absence of afferent signals from the executive motor apparatus. They can be divided into the constitutive CPGs active throughout the entire lifetime (respiratory CPGs) and conditional CPGs controlling episodic movements (locomotion, chewing, swallowing, and others). Since a motor output of CPGs is determined by their internal organization, the activities of the conditional CPGs are initiated by simple commands coming from higher centers. W describe the structural and functional organization of the locomotor CPGs in the marine mollusk Clione limacina, lamprey, frog embryo, and laboratory mammals (cat, mouse, and rat), CPGs controlling the respiratory and swallowing movements in mammals, and CPGs controlling discharges of the electric organ in the gymnotiform fish. It is shown that in all these cases, the generation of rhythmic motor output is based both on the endogenous (pacemaker) activity of specific groups of interneurons and on interneural interactions. These two interrelated mechanisms complement each other, ensuring the high reliability of CPG functionality. W discuss how the experience obtained in studying CPGs can be used to understand mechanisms of more complex functions of the brain, including its cognitive functions.
Keywords: central pattern generator, constitutive and conditional generators, pacemaker interneuron, interneural interaction, locomotion, respiration, swallowing, electric organ.
DOI: 10.7868/S0044467715020033
ВВЕДЕНИЕ
Настоящая статья в значительной мере инспирирована публикацией материалов Круглого стола "Центральные генераторы паттерна" [Балабан и др., 2013]. Не имея возможности принять личное участие в работе в работе Круглого стола, мы в данной статье хотим откликнуться на прошедшую дискуссию с целью отразить свои представления о механизме работы центральных генераторов и их роли в управлении движениями. При этом мы будем главным образом базироваться на данных, полученных при изучении позвоночных животных. Исключение будет сделано для морского крылоногого моллюска клиона, который в течение многих лет был объектом наших исследований.
Моторный репертуар животных включает ряд достаточно стереотипных, "автоматических" движений, таких как дыхание, разные виды локомоции (ходьба, плавание, полет и др.), жевание, глотание и т.п. Вопрос о роли рефлекторных и центральных механизмов в управлении такого рода движениями восходит к классическим работам Шеррингтона и Брауна, исследовавшим механизм генерации шагательных движений задних конечностей у спинальной кошки. Согласно первоначальным представлениям Шеррингтона, шагание представляет собой сложный цепной рефлекс, где каждая следующая фаза шага инициируется афферентными сигналами, приходящими от пропориоцепторв, активируемых в предшествующую фазу [Sherrington, 1910]. Эта чисто рефлекторная концепция была поколеблена работавшим в лаборатории Шер-рингтона Брауном, показавшим, что шага-тельные движения могут быть вызваны у спи-нальной кошки с перерезанными задними корешками [Brown, 1911]. Оценивая значение работы Брауна, Шеррингтон писал: "Indeed, from the observations of Professor Brown, an intrinsic automatic activity of spinal centres seems the essential nervous mechanism responsible for inconscient stepping, a central activity comparable with that of the respiratory centre in the bulb, and like the latter, highly regulated by reflex action" [Sherrington, 1924].
С развитием электрофизиологических методов исследования феномен, описанный Брауном, был подтвержден в многочисленных экспериментах, выполненных на изолированной центральной нервной системе (ЦНС) беспозвоночных и низших позвоночных живот-
ных, а также на млекопитающих, обездвиженных курареподобными веществами. Было обнаружено, что в этих условиях нервные центры сохраняют способность генерировать моторный выход, лежащий в основе большинства, если не всех, автоматизированных движений. На основании этих данных было сформулировано понятие "центральные генераторы автоматизированных движений" — central pattern generators (CPG) в англоязычной литературе [Arshavsky et al., 1997; 1998; Grillner, 2003, 2006; Marder, Calabrese, 1996; Orlovsky etal., 1999; Selverston, 2010 ]. Как отмечали участники Круглого стола, слово pattern не имеет адекватного перевода. Поэтому термин "central pattern generator" мы будем использовать в латинской транскрипции или просто писать центральный генератор. Термин был сформулирован в рамках физиологии управления движениями. Попытки использовать этот термин в других областях нейрофизиологии представляются нам достаточно искусственными. Такие попытки едва-ли могут что-либо дать для понимания других, особенно когнитивных, функций мозга, но лишь размывают смысл термина.
CPG определяют как совокупность взаимосвязанных нейронов, способных генерировать основную картину моторного выхода, лежащего в основе данного движения, в отсутствие афферентных сигналов от исполнительного двигательного аппарата. Сам моторный выход, не сопровождающийся реальными движениями, получил название "фиктивных движений" (фиктивная локомоция, фиктивное чесание, фиктивное жевание, и т.п.). Приведенное определение центрального генератора весьма относительно, поскольку из него не следует, какое содержание скрывается за словами "совокупность взаимосвязанных нейронов". Существует лишь очень ограниченное число генераторов, исследованных на уровне активности одиночных идентифицированных нейронов. У беспозвоночных это генераторы сердечного ритма у ракообразных [Cooke, 2002] и пиявки [Kristan et al., 2005], расположенные в стоматогастральном ганглии ракообразных, пилорический и гастральный генераторы, управляющие ритмическими сокращениями желудка [Marder, Calabrese, 1996; Selverston, 2005; 2010]; локомоторные генераторы у брюхоногих моллюсков клиона [Ar-shavsky et al., 1998; 1993], тритонии [Getting, 1989] и у пиявки [Kristan et al., 2005]; генераторы пищевого ритма у нескольких видов брю-
хоногих моллюсков [Arshavsky et al., 1988; Elliot, Susswein, 2002; Murphy, 2001]. У позвоночных это генераторы локомоторного ритма у миноги [Grillner, 2003, 2006; Grillner et al., 1995] и эмбриона шпорцевой лягушки Xeno-pus laevis [Arshavsky et al., 1993; Li, 2011; Roberts et al., 2008]. К этому списку можно также добавить хорошо исследованную группу нейронов, расположенную в продолговатом мозге так называемых слабо-электрических рыб [Heiligenberg, 1991]. Эти нейроны контролируют непрерывные разряды электрического органа, используемого главным образом для электролокации. Поскольку электрический орган является дериватом мышечных волокон и ин-нервируется мотонейронами (МН), совокупность клеток, контролирующих его разряды, может рассматриваться как центральный генератор. Предлагаемые для этих объектов модели структурно-функциональной организации CPG базируются на достаточно полном знании об образующих их нейронах и межнейронных связях.
К сожалению, этого нельзя сказать про большинство других исследуемых CPG, особенно у млекопитающих животных. Несмотря на большие успехи в этой области, знания о нейронах, образующих центральные генераторы автоматических движений, и межнейронных связях явно недостаточны. Поэтому предлагаемые модели не показывают, как действительно организованы CPG, а скорее пытаются ответить на вопрос, какими свойствами должны обладать CPG, чтобы объяснить всю совокупность наблюдаемых физиологических фактов.
Существование CPG не отрицает значения рефлекторных механизмов в управлении автоматическими движениями. В
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.