貓總是站起來，但是什么讓它們?nèi)绱嗣艚?它們獨(dú)特的平衡感與人類的共同點(diǎn)比看起來要多。

佐治亞理工學(xué)院的研究人員正在研究貓的運(yùn)動(dòng)，以更好地了解脊髓如何幫助部分脊髓損傷的人類行走和保持平衡。

研究人員通過實(shí)驗(yàn)研究和計(jì)算模型的混合，表明體感反饋或來自貓全身專用傳感器的神經(jīng)信號(hào)有助于告知脊髓正在進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)，并協(xié)調(diào)四肢以防止貓?jiān)谟龅秸系K物時(shí)跌倒。

研究表明，有了這些與運(yùn)動(dòng)相關(guān)的感覺信號(hào)，即使脊髓和大腦之間的連接部分?jǐn)嗔?，?dòng)物也可以行走。

了解這種平衡控制的機(jī)制與經(jīng)常有平衡問題并可能在跌倒時(shí)受傷的老年人特別相關(guān)。最終，研究人員希望這可以為體感反饋在平衡控制中的作用帶來新的理解。

這也可能導(dǎo)致脊髓損傷治療的進(jìn)展，因?yàn)檠芯勘砻鳎w感神經(jīng)元的激活可以改善脊髓損傷部位以下的脊髓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能。

“我們一直對(duì)重新激活脊髓中受傷網(wǎng)絡(luò)的機(jī)制感興趣，”生物科學(xué)學(xué)院教授Boris Prilutsky說。“我們從以前的研究中知道，來自移動(dòng)腿的體感反饋有助于激活控制運(yùn)動(dòng)的脊柱網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)。

研究人員在eNeuro雜志上的“來自后肢皮膚傳入的感覺擾動(dòng)在完整貓運(yùn)動(dòng)期間在所有四個(gè)肢體中產(chǎn)生協(xié)調(diào)的功能反應(yīng)”中介紹了他們的發(fā)現(xiàn)。

協(xié)調(diào)貓

盡管轉(zhuǎn)基因小鼠模型最近在運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)控制研究中占主導(dǎo)地位，但貓模型提供了一個(gè)重要的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)它們移動(dòng)時(shí)，小鼠保持蹲伏狀態(tài)，這意味著即使體感反饋失敗，它們也不太可能出現(xiàn)平衡問題。

另一方面，如果人類和貓失去了有關(guān)肢體運(yùn)動(dòng)的感官信息，它們就無法保持平衡甚至移動(dòng)。這表明，與嚙齒動(dòng)物相比，較大的物種，如貓和人類，可能具有不同的脊髓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組織來控制運(yùn)動(dòng)。

佐治亞理工學(xué)院與加拿大舍布魯克大學(xué)和費(fèi)城德雷塞爾大學(xué)的研究人員合作，以更好地了解來自感覺神經(jīng)元的信號(hào)如何協(xié)調(diào)四條腿的運(yùn)動(dòng)。舍布魯克實(shí)驗(yàn)室訓(xùn)練貓以與人類步態(tài)一致的速度在跑步機(jī)上行走，然后使用電極刺激它們的感覺神經(jīng)。

研究人員專注于將觸覺從腳頂傳遞到脊髓的感覺神經(jīng)。通過電刺激這種神經(jīng)，研究人員模仿撞到障礙物，觀察貓是如何絆倒的，并糾正它們的運(yùn)動(dòng)作為回應(yīng)。

在步行周期的四個(gè)時(shí)期施加刺激：中間站姿、站姿到擺動(dòng)過渡、中擺動(dòng)和擺動(dòng)到站位過渡。從中，他們了解到中擺動(dòng)和站姿到擺動(dòng)的過渡是最重要的時(shí)期，因?yàn)榇碳ぴ黾恿藦澢リP(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)的肌肉的活動(dòng)，關(guān)節(jié)屈曲和腳趾高度，步長(zhǎng)和受刺激肢體的步長(zhǎng)和步長(zhǎng)。

“為了保持平衡，動(dòng)物必須協(xié)調(diào)其他三個(gè)肢體的運(yùn)動(dòng)，否則它會(huì)掉下來，”Prilutsky說。“我們發(fā)現(xiàn)，在擺動(dòng)階段刺激這條神經(jīng)會(huì)增加其他肢體站立階段的持續(xù)時(shí)間并提高穩(wěn)定性。

當(dāng)貓?jiān)跀[動(dòng)階段絆倒時(shí)，這種感覺會(huì)觸發(fā)脊椎反射，確保其他三個(gè)肢體留在地面上并保持貓直立和平衡，而擺動(dòng)肢體則跨過障礙物。

計(jì)算貓

通過這些加拿大實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，佐治亞理工學(xué)院和德雷塞爾大學(xué)的研究人員正在利用觀察來開發(fā)貓的肌肉骨骼和脊柱神經(jīng)控制系統(tǒng)的計(jì)算模型。

收集的數(shù)據(jù)用于計(jì)算與肌肉長(zhǎng)度、速度和產(chǎn)生力相關(guān)的軀體感覺信號(hào)，以及所有肢體對(duì)皮膚的壓力。這些信息在動(dòng)物的脊髓中形成運(yùn)動(dòng)感覺，并有助于脊髓神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的肢間協(xié)調(diào)。

“為了幫助治療任何疾病，我們需要了解完整的系統(tǒng)是如何工作的，”Prilutsky說。“這就是進(jìn)行這項(xiàng)研究的原因之一：了解脊柱網(wǎng)絡(luò)如何協(xié)調(diào)肢體運(yùn)動(dòng)，并開發(fā)脊柱運(yùn)動(dòng)控制的現(xiàn)實(shí)計(jì)算模型。這將幫助我們更好地了解脊髓如何控制運(yùn)動(dòng)。