איך הפכו גופות של בעלי חיים, כולל שלנו, למכונות תנועה כל כך מכווננות? כיצד חולייתנים מתאמים את המשיכה הנצחית בין רפלקסים בלתי רצוניים ותנועות רצוניות חלקות היא תעלומה שהמעבדה של פרנסיסקו ואלרו-קיובס במחלקה להנדסה ביו-רפואית של USC אלפרד א. מאן יצאה להבין.
המאמר החישובי החדש ביותר של המעבדה שפורסם ב- הליכים של האקדמיה הלאומית למדעים (PNAS) מוסיפה למנהיגות המחשבתית על עיבוד מידע חושי ושליטה על רפלקסים במהלך תנועות רצוניות – עם השלכות לגבי האופן שבו הפרעה שלו עלולה להוביל להפרעות מוטוריות במצבים נוירולוגיים כמו שבץ מוחי, שיתוק מוחין ומחלת פרקינסון.
האם אתה זוכר את רופא הילדים הקשה על הברך שלך כדי לראות אם הייתה לך תגובה חזקה לא רצונית של טלטלה בברך? זה היה כדי לבדוק את רפלקסי המתיחה בחוט השדרה, המתנגדים למתיחה של השרירים כדי לתת לך טונוס שרירים כדי להחזיק את הגוף שלך נגד כוח המשיכה, למשל, תיקונים מהירים לאחר מעידה. אז איך בדיוק אותם רפלקסים מווסתים או מעוכבים כדי לאפשר תנועה חלקה ורצונית נידונה מאז עבודת היסוד של צ'ארלס סקוט שרינגטון בשנות ה-80 (כן, שנות ה-80!). עבודה חדשה זו חותכת ישירות לוויכוחים קריטיים על האופן שבו חוט השדרה העתיק והמוח האנושי החדש יחסית יוצרים תנועות חלקות וכיצד חלק מהמצבים הנוירולוגיים משבשים את האיזון העדין הזה ומייצרים תנועות איטיות, לא מדויקות, קופצניות וכו' בתנאים נוירולוגיים.
המחקר, בהובלת הדוקטורנטית להנדסה ביו-רפואית גרייס ניוו, שופך אור על מערכת או מעגלים אפשריים שלא התגלו במשחק בתוך חוט השדרה, שכאשר פועלים כראוי, "מווסת" רפלקסים במהלך תנועות רצוניות. המחקר, אומר ניוו, מציע "מנגנון חדש מבחינה תיאורטית לווסת רפלקסים של עמוד השדרה באותה רמת חוט השדרה כמו רפלקסי מתיחה".
Valero-Cuevas, פרופסור להנדסה ביו-רפואית, הנדסת תעופה וחלל ומכונות, הנדסת חשמל ומחשבים, מדעי המחשב וביו-קינסיולוגיה ופיזיותרפיה ב-USC, הוא המחבר המקביל של המאמר "מחקר חישובי של האופן שבו α- ל-γ-מוטונורון ביטחונות יכול להקל על רפלקסי מתיחה תלויי מהירות במהלך תנועה רצונית.
רפלקסים הם מנגנוני חילופי מידע מתוחכמים ועתיקים ברמה נמוכה שהתפתחו והתאימו יחד עם התפתחויות מאוחרות יותר כמו המוח האנושי… הבנת שיתוף הפעולה שלהם עם המוח היא קריטית להבנת תנועה בבריאות ובמחלות."
Valero-Cuevas, פרופסור, אוניברסיטת דרום קליפורניה
Valero-Cuevas אומר, "אנחנו כל הזמן נהנים מרפלקסים מתיחה ומווסתים אותם, בין אם אנו מבינים זאת או לא בזמן שאנו עומדים, זזים ופועלים."
המעבדה של פרופסור Valero-Cuevas מוקדשת להבנת שליטה נוירו-שרירית בבעלי חיים ורובוטים, עם השלכות על שיקום קליני על ניידות האדם.
הוא מסביר, "למרות שהמוח שלנו מתוחכם מאוד, אנחנו צריכים להכיר בערכו ובכוחו של חוט השדרה העתיק-; מה שאפשר לכל בעלי החוליות לשגשג במשך מיליוני שנים לפני שמוחות גדולים בכלל היו אפשריים. אנחנו רוצים להבין איך חוט השדרה מסוגל לווסת תנועות חלקות, אפילו עם שליטה מוחית מינימלית, כפי שאנו יודעים שקורה אצל דו-חיים וזוחלים. פרספקטיבה זו עשויה להיות בעלת השלכות חשובות על הבנת, ואולי על טיפול, הפרעות תנועה במצבים נוירולוגיים המשפיעים על המוח, חוט השדרה. , או שניהם-; וגם ליצירת תותבות או רובוטים בהשראה ביולוגית שנעים בצורה חלקה באמצעות חוטי שדרה מדומים."
ניסוי הסימולציה: כדי לבדוק האם וכיצד מעגל עמוד השדרה יכול לאפשר תנועות רצוניות על ידי מווסת או עיכוב הפרעות תנועה הנובעות מרפלקסי מתיחה, הצוות, בראשות ניוו, יצר מודל ביו-מכני של זרועו של קוף מקוק בסימולטור הפיזיקה תוכנה בשם MuJoCo, מייצרת למעלה מאלף תנועות הגעה. כלל רפלקס המתיחה הפשוט הוא ששרירים שנמתחים נוטים להתנגד למתיחה, בעוד שרירים המתקצרים אינם מראים רפלקסים של מתיחה. הם הדגימו לראשונה שרפלקסי מתיחה לא מווסתים אכן מייצרים הפרעה עצמית המשבשת תנועות זרועות רצוניות. לאחר מכן הם יישמו מעגל עמוד שדרה פשוט לפיו אותם נוירונים בחוט השדרה השולטים בכוח השריר (הנקראים אלפא מוטונאורונים) משנים (כלומר, מווסתים) את רפלקס המתיחה באופן פרופורציונלי לרמת עירור השרירים שלהם. כלומר, לשרירים נרגשים מאוד יהיו תגובות רפלקס מתיחה חזקות אם יימתחו, ולהיפך. הם מצאו שהכלל הפשוט הזה – שזה אפשרי מבחינה פיזיולוגית בהתחשב בתחזיות הידועות מאלפא מוטונאורונים (הנקראים גם בטחונות) למעגלי הרפלקס יכול – כשלעצמו – לתקן במידה רבה את ההפרעות העצמיות מרפלקסי מתיחה כדי לייצר חלק ומדויק תנועות וולונטריות.
מנקודת מבט הנדסית מודרנית, אפשר להשוות את זה ל"מחשוב קצה", אומר Valero-Cuevas, שהוא הרעיון שעיבוד המידע נעשה במקור (חיישני גפיים וחוט השדרה) במקום אך ורק במרכז הפיקוד המרכזי ( המוח)-;בדומה לאפליקציות מסוימות בטלפון שלך שמעבדות מראש מידע שיישלח לשרת ענן. Valero-Cuevas עושה את האנלוגיה המכנית לחיבורים הנמוכים הללו למעגלי הרפלקס, כמו "גלגלי אימון על אופניים שנמצאים שם כדי לאפשר לך ליהנות, ולתפוס אותך אם אתה עושה טעות בזמן שאתה לומד לרכוב שלך אופניים."
מעגלים אלה עשויים לעזור לך לייצר תנועות רצוניות חדשות עם הפרעות מינימליות, אך להשאיר את האפשרות פתוחה של המוח והמוח הקטן גם להתעדן וללמוד לשלוט ברפלקסים כאשר מערכת העצבים שלך מתבגרת או צוברת מספיק ניסיון.
השלכות: מעבר להבנה טובה יותר של הפרעות תנועה, ניוו אומר שידע זה יכול להיות נקודת מוצא עבור נסיינים להתחיל לחפש ולבדוק מעגלי עמוד שדרה כאלה. "עבודה זו יכולה גם לעורר ולהנחות טיפולים חדשים ברמה המתאימה של מערכת העצבים לטיפול בהפרעות תנועה כמו שבץ ושיתוק מוחין", אומרים ניוו ו-ואלרו-קיובס.
מחברי המחקר הנוספים כוללים את Lama I. Almofeez, דוקטורנט במחלקה להנדסה ביו-רפואית של USC Alfred E Man ואנדרו ארווין, שבזמן המחקר היה חוקר פוסט-דוקטורט בחטיבת הביוקינזיולוגיה והפיזיקה של USC תֶרַפּיָה.
