척수 회로의 보행 제어 작동 체제와 상위 구동 및 감각 피드백의 역할

المفاهيم الأساسية

척수 보행 회로는 속도에 따라 다른 작동 체제를 가지며, 상위 구동과 감각 피드백이 이를 조절한다.

الملخص

이 연구는 척수 보행 회로의 기능 구조, 작동 체제, 그리고 다양한 보행 행동에서 상위 구동 신호와 감각 피드백의 역할을 규명하고자 하였다.

연구진은 상위 구동과 사지 감각 피드백을 받는 척수 보행 회로의 계산 모델을 개발하였다. 이 모델은 완전 척수 절단 고양이와 온전 고양이의 동일 속도 및 다른 속도 트레드밀 보행 실험 데이터를 재현할 수 있었다.

모델 결과에 따르면, 척수 보행 회로는 속도에 따라 세 가지 다른 작동 체제를 가진다:

1. 느린 속도(< 0.4 m/s)에서는 감각 피드백이나 외부 입력이 필요한 비진동 상태 기계 체제
2. 중간 속도에서는 굴곡근 구동 진동 체제
3. 높은 속도에서는 고전적인 반-중심 진동 체제

척수 절단 후에는 회로가 오직 상태 기계 체제로만 작동할 수 있다.

이 결과는 척수 회로가 느린 탐색적 보행과 빠른 도피 보행을 위해 다른 제어 메커니즘을 활용한다는 것을 시사한다.

الإحصائيات

온전 고양이의 경우 0.3-0.4 m/s 이하의 매우 느린 속도에서는 일관된 보행을 수행할 수 없지만, 척수 절단 고양이는 0.1-0.3 m/s 속도에서도 문제없이 보행할 수 있다.
0.4-1.0 m/s 속도 범위에서 온전 고양이와 척수 절단 고양이의 보행 주기 및 단계 지속 시간 변화 양상은 정성적으로 유사하다.
온전 고양이와 척수 절단 고양이 모두 속도가 증가함에 따라 입각기 지속 시간이 감소하고 유각기 지속 시간은 상대적으로 일정하게 유지된다.

اقتباسات

"척수 보행 회로는 속도에 따라 다른 작동 체제를 가지며, 느린 속도에서는 감각 피드백이나 외부 입력이 필요한 비진동 상태 기계 체제로 작동한다."
"중간 속도에서는 굴곡근 구동 진동 체제로, 높은 속도에서는 고전적인 반-중심 진동 체제로 작동한다."
"척수 절단 후에는 회로가 오직 상태 기계 체제로만 작동할 수 있다."

الرؤى الأساسية المستخلصة من

Operation regimes of spinal circuits controlling locomotion and role of supraspinal drives and sensory feedback

by Rybak,I. A.,... في www.biorxiv.org 03-27-2024

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.03.21.586122v1

استفسارات أعمق

척수 보행 회로의 속도 의존적 작동 체제 전환 메커니즘은 무엇일까

척수 보행 회로의 속도 의존적 작동 체제 전환 메커니즘은 다음과 같이 이루어집니다. 먼저, 척수 네트워크는 느린 속도에서는 상태 머신 체제에서 작동하며, 이때는 외부 입력(예: 사지 감각 피드백 또는 의지적 입력)이 상태 전환을 유도합니다. 그러나 높은 속도와 상위 구동이 주어지면, 척수 네트워크는 내재적으로 기본 보행 활동을 생성할 수 있으며, 이는 플렉서 주도 체제로 전환되어 상태 전환을 내재적으로 수행합니다. 이후 더 높은 속도/구동에서는 클래식한 하프-센터 체제로 전환됩니다.

상위 구동과 감각 피드백의 상호작용이 보행 제어에 미치는 영향은 어떻게 변화할까

상위 구동과 감각 피드백의 상호작용이 보행 제어에 미치는 영향은 속도와 상태에 따라 변화합니다. 척수 네트워크가 느린 속도에서 상태 머신 체제에서 작동할 때, 감각 피드백은 상태 전환을 유도하는 주요 역할을 합니다. 그러나 높은 속도에서는 상위 구동이 충분하면 감각 피드백의 역할이 줄어들고, 보행 속도가 상위 구동에 의해 정의됩니다. 또한, 척수 손상 후 감각 피드백의 증가는 보행 제어에 중요한 역할을 합니다.

척수 손상 후 보행 회복 과정에서 나타나는 척수 회로의 가소성 변화가 이러한 작동 체제 전환에 어떤 영향을 미칠까

척수 손상 후 보행 회복 과정에서 나타나는 척수 회로의 가소성 변화는 작동 체제 전환에 영향을 미칩니다. 이러한 변화는 회복 기간 동안 플라스틱 변화에 의해 상당한 기여를 받을 수 있습니다. 그러나 실제 상황에서 증가한 감각 피드백의 기능은 정확한 메커니즘에 관계없이 동일하게 유지됩니다. 이러한 변화는 회복 중에 발생하는 플라스틱 변화, 현재 알려진 메커니즘, 또는 이러한 변화의 조합에 의해 발생할 수 있습니다. 이러한 변화는 척수 손상 후 보행 회복 과정에서 보행을 지원하고 조정하는 데 중요한 역할을 합니다.