Gerador de padrão central - Central pattern generator

Geradores de padrão central ( CPGs ) são circuitos neurais biológicos que produzem saídas rítmicas na ausência de entrada rítmica. Eles são a fonte dos padrões fortemente acoplados de atividade neural que impulsionam comportamentos motores rítmicos e estereotipados, como caminhar, nadar, respirar ou mastigar. A capacidade de funcionar sem entrada de áreas superiores do cérebro ainda requer entradas modulatórias , e suas saídas não são fixas. A flexibilidade em resposta à entrada sensorial é uma qualidade fundamental do comportamento orientado pelo CPG. Para ser classificado como gerador rítmico, um CPG requer:

1. "dois ou mais processos que interagem de modo que cada processo aumenta e diminui sequencialmente, e
2. que, como resultado dessa interação, o sistema retorna repetidamente à sua condição inicial. "

CPGs foram encontrados em invertebrados e praticamente todas as espécies de vertebrados investigadas, incluindo humanos.

Anatomia e fisiologia

Localização

Em vertebrados, vários estudos moleculares, genéticos e de imagem têm sido conduzidos quanto à localização dos CPGs. Os resultados mostraram que as redes responsáveis ​​pela locomoção estão distribuídas nas regiões torácica inferior e lombar da medula espinhal . Os movimentos rítmicos da língua , que participam da deglutição , mastigação e respiração , são impulsionados pelos núcleos hipoglossais , que recebem estímulos da coluna reticular medular dorsal (DMRC) e do núcleo do trato solitário (NTS). O núcleo hipoglosso recebe estímulos excitatórios rítmicos também dos neurônios respiratórios do tronco cerebral dentro do complexo pré-Boetzinger , que parece desempenhar um papel importante na origem da ritmogênese respiratória .

Anatomia

Embora os detalhes anatômicos dos CPGs em vertebrados sejam especificamente conhecidos em apenas alguns casos, foi demonstrado que eles se originam da medula espinhal e dependem de redes neurais relativamente pequenas e autônomas (em vez de todo o sistema nervoso) para gerar padrões rítmicos. Muitos estudos foram feitos para determinar o substrato neural de CPGs locomotores em mamíferos . A ritmicidade neural pode surgir de duas maneiras: "por meio de interações entre neurônios (ritmicidade baseada em rede) ou por meio de interações entre correntes em neurônios individuais (neurônios osciladores endógenos)". Uma chave para entender a geração do ritmo é o conceito de um oscilador de meio-centro (HCO). Um oscilador de meio-centro consiste em dois neurônios que não têm capacidade ritmogênica individualmente, mas produzem saídas rítmicas quando acoplados reciprocamente. Os osciladores meio-centro podem funcionar de várias maneiras. Primeiro, os dois neurônios podem não necessariamente disparar em antifase e podem disparar em qualquer fase relativa, até mesmo em sincronia, dependendo da liberação sináptica. Em segundo lugar, meio-centros também podem funcionar em um modo de "escape" ou um modo de "liberação". A fuga e a liberação referem-se à forma como o neurônio desligado é ativado: por fuga ou liberação da inibição. Os osciladores de meio-centro também podem ser alterados por propriedades intrínsecas e de rede e podem ter funcionalidades dramaticamente diferentes com base em variações nas propriedades sinápticas.

A visão clássica dos CPGs, como redes específicas de neurônios dedicados apenas a esta função, foi desafiada por numerosos dados obtidos principalmente no sistema nervoso central de invertebrados. Além das redes clássicas dedicadas, a maioria dos CPGs parecem de fato estar reorganizando ou distribuindo circuitos, e um único circuito neural pode combinar recursos típicos de cada uma dessas arquiteturas. A observação em invertebrados de geradores de padrão formados temporariamente antes da produção de atividade motora fortalece a suposição. Os circuitos CPG parecem, portanto, ter um caráter flexível.

Neuromodulação

Os organismos devem adaptar seu comportamento para atender às necessidades de seus ambientes internos e externos. Os geradores de padrão central, como parte do circuito neural de um organismo, podem ser modulados para se adaptar às necessidades e ao ambiente do organismo. Três papéis de neuromodulação foram encontrados para circuitos CPG:

1. Modulação no CPG como parte da atividade normal
2. A modulação altera a configuração funcional dos CPGs para produzir diferentes saídas do motor
3. A modulação altera o complemento de neurônios CPG, trocando neurônios entre redes e fundindo redes anteriormente separadas em entidades maiores

Modulação no CPG como parte da atividade normal

Por exemplo, o CPG de natação Tritonia diomedea pode produzir retração reflexiva em resposta a uma entrada sensorial fraca, escapar da natação em resposta a uma entrada sensorial forte e engatinhar após o término da natação de escape. Os interneurônios nadadores dorsais (DSIs) dos CPGs de natação não apenas causam o escape rítmico da natação, mas também se conectam aos neurônios eferentes ativadores de cílios. Evidências experimentais confirmam que ambos os comportamentos são mediados pelos DSIs. "Dadas as diferenças extremas entre esses comportamentos - rítmico versus tônico, muscular versus ciliar e breve versus prolongado - essas descobertas revelam uma notável versatilidade para uma pequena rede multifuncional." "Parte dessa flexibilidade é causada pela liberação de serotonina dos DSIs, o que faz com que a célula cerebral 2 (C2) libere mais transmissor e fortaleça suas sinapses de rede. A aplicação de antagonistas serotonérgicos impede que a rede produza o padrão de natação e, portanto, isso a modulação intranetwork parece essencial para a oscilação da rede. "

A modulação altera a configuração funcional dos CPGs para produzir diferentes saídas do motor

Dados de experimentos de Harris-Warrick em 1991 e Hooper e Marder em 1987 sugerem que o alvo funcional da modulação é toda a rede CPG. Esses fenômenos foram observados pela primeira vez por meio de experimentos com o neuromodulador no gânglio cardíaco da lagosta (Sullivan e Miller, 1984). O efeito da proctolina não poderia ser compreendido olhando apenas para os neurônios diretamente afetados. "Em vez disso, os neurônios que não são afetados diretamente alteram a resposta dos neurônios diretamente afetados e ajudam a transmitir as mudanças na atividade desses neurônios por toda a rede", permitindo que toda a rede mude de maneira consistente e sincronizada. Harris-Warrick e colegas conduziram muitos estudos ao longo dos anos sobre os efeitos dos neuromoduladores nas redes neurais CPG. Por exemplo, um estudo de 1998 mostrou a natureza distribuída da neuromodulação e que os neuromoduladores podem reconfigurar uma rede motora para permitir uma família de movimentos relacionados. Especificamente, a dopamina demonstrou afetar tanto os neurônios individuais quanto as sinapses entre os neurônios. A dopamina fortalece algumas sinapses e enfraquece outras, agindo pré e pós-sinápticamente em todo o gânglio estomatogástrico dos crustáceos. Essas respostas, bem como outros efeitos da dopamina, podem ter sinais opostos em diferentes locais, mostrando que a soma dos efeitos é o efeito de rede geral e pode fazer com que o CPG produza famílias relacionadas de diferentes saídas motoras.

A modulação altera o complemento de neurônios CPG, trocando neurônios entre redes e fundindo redes anteriormente separadas em entidades maiores.

Uma única rede neuronal, como um gerador de padrão central, pode ser modulada momento a momento para produzir várias ações físicas diferentes, dependendo das necessidades do animal. Essas foram cunhadas pela primeira vez como "redes polimórficas" por Getting e Dekin em 1985. Um exemplo de um desses geradores de padrão central polimórfico é uma rede multifuncional do molusco Tritonia diomedea . Conforme descrito por Hooper, a entrada sensorial fraca para o CPG de natação produz retração reflexiva, enquanto a entrada forte produz a natação. Os interneurônios nadadores dorsais (DSIs) do circuito liberam serotonina para converter ao "modo nadar", enquanto a aplicação de antagonistas serotonérgicos evita o padrão de natação. Além disso, descobriu-se que a mesma rede interneuronal única produz não apenas "natação de escape rítmica e muscular", mas também "rastreamento não rítmico, mediado por cílios". As evidências também sugerem que, embora o CPG controle funções relacionadas, mas separadas, a neuromodulação de uma função pode ocorrer sem afetar a outra. Por exemplo, o modo de natação pode ser sensibilizado pela serotonina sem afetar o modo de rastreamento. Assim, o circuito CPG pode controlar muitas funções separadas com a neuromodulação apropriada.

Mecanismo de retorno

Embora a teoria da geração de padrão central exija que a ritmicidade básica e a padronização sejam geradas centralmente, os CPGs podem responder ao feedback sensorial para alterar a padronização de maneiras comportamentais apropriadas. A alteração do padrão é difícil porque o feedback recebido durante apenas uma fase pode exigir movimento alterado em outras partes do ciclo padronizado para preservar certas relações de coordenação. Por exemplo, andar com uma pedra no sapato direito altera toda a marcha, embora o estímulo só esteja presente quando se está em pé com o pé direito. Mesmo durante o tempo em que o pé esquerdo está abaixado e o feedback sensorial está inativo, ações são tomadas para prolongar o balanço da perna direita e estender o tempo do pé esquerdo, levando à claudicação. Este efeito pode ser devido aos efeitos generalizados e duradouros do feedback sensorial no CPG ou devido aos efeitos de curto prazo em alguns neurônios que, por sua vez, modulam os neurônios próximos e espalham o feedback por todo o CPG dessa forma. É necessário algum grau de modulação para permitir que um CPG assuma vários estados em resposta ao feedback.

Além disso, o efeito da entrada sensorial varia dependendo da fase do padrão em que ocorre. Por exemplo, durante a caminhada, a resistência da parte superior do pé que balança (por exemplo, por uma bengala horizontal) faz com que o pé seja levantado mais alto para se mover sobre a bengala. No entanto, a mesma entrada para o pé que está em pé não pode fazer com que o pé se levante ou a pessoa cairia. Assim, dependendo da fase, a mesma entrada sensorial pode fazer com que o pé seja levantado mais alto ou mantido com mais firmeza no solo. "Essa mudança na resposta motora em função da fase do padrão motor é chamada de reversão reflexa e foi observada em invertebrados (DiCaprio e Clarac, 1981) e vertebrados (Forssberg et al., 1977). Como esse processo ocorre é mal compreendido, mas, novamente, existem duas possibilidades. Uma é que a entrada sensorial é apropriadamente roteada para diferentes neurônios CPG em função da fase do padrão motor. A outra é que a entrada atinge os mesmos neurônios em todas as fases, mas que, como consequência do caminho em em que a rede transforma a entrada, a resposta da rede varia apropriadamente em função da fase do padrão do motor. "

Um estudo recente de Gottschall e Nichols estudou o membro posterior de um gato descerebrado durante a caminhada (uma função controlada por CPG) em resposta a mudanças na inclinação da cabeça. Este estudo descreve as diferenças na marcha e posição corporal de gatos caminhando em aclives, declives e em superfícies niveladas. Os receptores proprioceptivos (órgãos tendinosos de Golgi e fusos musculares) e exterorreceptivos (ópticos, vestibulares e cutâneos) trabalham sozinhos ou em combinação para ajustar o CPG ao feedback sensorial. O estudo explorou os efeitos dos proprioceptores do pescoço (fornecendo informações sobre a localização relativa da cabeça e do corpo) e dos receptores vestibulares (fornecendo informações sobre a orientação da cabeça em relação à gravidade). Gatos descerebrados foram feitos para andar em uma superfície nivelada com a cabeça nivelada, inclinada para cima ou para baixo. A comparação de gatos descerebrados com gatos normais mostrou padrões EMG semelhantes durante a caminhada nivelada e padrões EMG que refletiam caminhada em declive com a cabeça inclinada para cima e caminhada em declive com a cabeça inclinada para baixo. Este estudo comprovou que os proprioceptores cervicais e os receptores vestibulares contribuem com um feedback sensorial que altera a marcha do animal. Essas informações podem ser úteis para o tratamento de distúrbios da marcha.

Funções

Os geradores de padrão central podem servir a muitas funções. Os CPGs podem desempenhar papéis no movimento, respiração, geração de ritmo e outras funções oscilatórias . Abaixo estão várias funções principais dos CPGs.

Locomoção

Já em 1911, foi reconhecido, pelos experimentos de Thomas Graham Brown , que o padrão básico de passos pode ser produzido pela medula espinhal sem a necessidade de comandos descendentes do córtex.

A primeira evidência moderna do gerador de padrão central foi produzida isolando o sistema nervoso do gafanhoto e mostrando que ele poderia produzir uma produção rítmica isolada, semelhante à do gafanhoto em vôo. Isso foi descoberto por Wilson em 1961. Desde aquela época, surgiram evidências da presença de geradores de padrão central em animais vertebrados, começando com o trabalho no gato na década de 1960 por Elzbieta Jankowska em Gotemburgo, que forneceu a primeira evidência de uma medula espinhal CPG. Esta seção aborda o papel do gerador de padrão central na locomoção da lampreia e dos humanos.

A lampreia tem sido usada como modelo para CPGs de vertebrados porque, embora seu sistema nervoso tenha uma organização vertebrada, ela compartilha muitas características positivas com os invertebrados. Quando removida da lampreia, a medula espinhal intacta pode sobreviver por dias in vitro . Ele também tem poucos neurônios e pode ser facilmente estimulado a produzir um movimento de natação fictício indicativo de um gerador de padrão central. Já em 1983, Ayers, Carpenter, Currie e Kinch propuseram que houvesse um CPG responsável pela maioria dos movimentos ondulantes na lampreia, incluindo nadar para frente e para trás, cavar na lama e rastejar em uma superfície sólida, que embora não surpreendentemente não correspondesse a atividade no animal intacto, no entanto, forneceu a saída locomotora básica. Os diferentes movimentos foram alterados por neuromoduladores, incluindo a serotonina em um estudo de Harris-Warrick e Cohen em 1985 e a taquicinina em um estudo de Parker et al. em 1998. O modelo da lampreia do CPG para locomoção tem sido importante para o estudo dos CPGs. Embora Sten Grillner afirme que a rede locomotora é caracterizada, uma afirmação que parece ter sido aceita de forma acrítica pelo campo da rede locomotora da medula espinhal, há de fato muitos detalhes ausentes e Grillner não pode fornecer as evidências que ele usa para apoiar suas afirmações (Parker 2006) . No entanto, este modelo de circuito neural da lampreia CPG, incluindo três classes (uma excitatória e duas inibitórias) de neurônios, mas omitindo detalhes subcelulares, fornece uma compreensão de nível de sistema da locomoção gerada por CPG cuja velocidade e direção (nadar para frente, para trás , ou girando) são definidos por entradas externas não rítmicas (do tronco cerebral ) para o circuito. Um esquema geral da lampreia CPG agora está sendo usado na criação de CPGs artificiais. Por exemplo, Ijspeert e Kodjabachian usaram o modelo de Ekeberg para a lampreia para criar CPGs artificiais e simular movimentos de natação em um substrato semelhante a lampreia usando controladores baseados em uma codificação SGOCE. Essencialmente, esses são os primeiros passos para o uso de CPGs para codificar a locomoção em robôs. O modelo de vertebrado de CPG também foi desenvolvido com o formalismo de Hodgkin-Huxley, suas variantes e abordagens de sistema de controle. Por exemplo, Yakovenko e colegas desenvolveram um modelo matemático simples que descreve os princípios básicos propostos por TG Brown com unidades integradas ao limiar organizadas com conexões mutuamente inibidoras. Este modelo é suficiente para descrever propriedades complexas de comportamento, como diferentes regimes de locomoção extensora e flexora dominante observados durante a estimulação elétrica da região locomotora mesencefálica (MLR), locomoção fictícia induzida por MLR.

As conexões entre os CPGs que controlam cada membro gerenciam a coordenação entre os membros e, portanto, os passos em quadrúpedes e possivelmente também em animais bípedes. A coordenação esquerda-direita é mediada pela coordenação anterior e posterior comissural, assim como a coordenação diagonal é mediada por interneurônios propiospinais de longa projeção. O equilíbrio da alternância esquerda-direita (classes de neurônios V0d e V0v geneticamente identificados) para interneurônios comissurais que promovem a sincronização à esquerda (neurônios V3 potencialmente mediados) determina se caminhada e trote (andaduras alternadas) ou galope e limite (andaduras síncronas) são expressos . Este equilíbrio muda com o aumento da velocidade, potencialmente devido à modulação por impulso supraespinhal do MLR e mediado pela formação reticular, e causa transições de marcha dependentes da velocidade características de animais quadrúpedes. A transição da caminhada para o trote ocorre potencialmente devido à diminuição mais forte da extensão do que as durações da fase de flexão com o aumento da velocidade locomotora e pode ser mediada pela inibição diagonal descendente através dos neurônios propriospinais longos V0d, o que leva ao aumento progressivo da sobreposição entre os membros diagonais até a sincronização diagonal (trote). Neurônios comissurais e propriospinais longos são um alvo provável das entradas aferentes supraespinhais e somatossensoriais para ajustar a coordenação entre os membros e a marcha a diferentes condições ambientais e comportamentais.

Os geradores de padrão central também contribuem para a locomoção em humanos. Em 1994, Calancie, et al. descreveu o "primeiro exemplo bem definido de um gerador de ritmo central para pisar no ser humano adulto". O sujeito era um homem de 37 anos que sofreu uma lesão na medula espinhal cervical 17 anos antes. Após a paralisia total inicial abaixo do pescoço, o sujeito finalmente recuperou alguns movimentos dos braços e dedos e limitou os movimentos dos membros inferiores. Ele não havia se recuperado o suficiente para suportar seu próprio peso. Depois de 17 anos, o sujeito descobriu que, quando deitado em decúbito dorsal e estendendo os quadris, suas extremidades inferiores sofriam movimentos semelhantes a passos enquanto ele permanecia deitado. "Os movimentos (i) envolviam flexão e extensão alternadas de quadris, joelhos e tornozelos; (ii) eram suaves e rítmicos; (iii) eram fortes o suficiente para que o sujeito logo se tornasse desconfortável devido à 'rigidez' muscular excessiva e elevação temperatura corporal; e (iv) não poderia ser interrompida por esforço voluntário. " Após um extenso estudo do assunto, os experimentadores concluíram que "esses dados representam a evidência mais clara até o momento de que tal rede [CPG] existe no homem". Quatro anos depois, em 1998, Dimitrijevic, et al. mostraram que as redes geradoras de padrões lombares humanos podem ser ativadas por impulso a aferentes sensoriais de grande diâmetro das raízes posteriores. Quando a estimulação elétrica tônica é aplicada a essas fibras em indivíduos com lesão motora completa da medula espinhal (isto é, indivíduos nos quais a medula espinhal está funcionalmente isolada do cérebro), o movimento rítmico e semelhante ao locomotor dos membros inferiores pode ser obtido. Essas medidas foram realizadas na posição supina, minimizando o feedback periférico. Estudos subsequentes mostraram que esses centros locomotores lombares podem formar uma grande variedade de movimentos rítmicos, combinando e distribuindo padrões estereotipados para os numerosos músculos dos membros inferiores. Um tratamento com drogas ativadoras de CPG chamado Spinalon, ativo centralmente após administração oral, também demonstrou reativar parcialmente os neurônios locomotores espinhais em pacientes com lesão medular completa ou completa do motor. De fato, um estudo duplo-cego, randomizado e controlado por placebo em quarenta e cinco voluntários com lesões A / B crônicas de AIS (entre 3 meses e 30 anos pós-trauma) deitado na posição supina por razões de segurança, revelou que Spinalon abaixo do máximo dose tolerada (MTD foi 500/125/50 mg / kg L-DOPA / carbidopa / buspirona) foi bem tolerada. Evidências preliminares de eficácia também foram encontradas usando fitas de vídeo e registros eletromiográficos, uma vez que doses abaixo de MTD podem induzir agudamente movimentos rítmicos de pernas semelhantes a locomotores em grupos com Spinalon, mas não naqueles com placebo (amido de milho).

Controle neuromecânico da locomoção em mamíferos

Se as durações do ciclo de etapas e as ativações musculares fossem fixas, não seria possível alterar a velocidade do corpo e se adaptar a diferentes tipos de terreno. Foi sugerido que o CPG locomotor de mamífero compreende um "temporizador" (possivelmente na forma de osciladores acoplados) que gera ciclos de etapas de durações variadas e uma " camada de formação de padrão ", que seleciona e classifica a ativação de conjuntos de motores . Aumentar o impulso neural da região locomotora do mesencéfalo (MLR) para o CPG espinhal aumenta a frequência do ciclo do passo (a cadência). As durações das fases de balanço e de apoio variam em uma relação bastante fixa, com as fases de apoio mudando mais do que as fases de balanço.

A entrada sensorial dos membros pode truncar ou estender as durações das fases individuais em um processo semelhante ao controle de estado finito (no qual as regras "se-então" determinam quando as transições de estado ocorrem). Por exemplo, se um membro que está balançando para frente chega ao final de swing em menos tempo do que a atual duração da fase flexora gerada pelo CPG, a entrada sensorial faria com que o temporizador CPG encerrasse o swing e iniciasse a fase de apoio. Além disso, conforme a velocidade do corpo aumenta, a camada de formação de padrão aumentaria a ativação muscular de forma não linear para fornecer carga aumentada -forças de sustentação e impulso. Foi postulado que em movimentos bem previstos, as durações de fase geradas por CPG e as forças musculares correspondem às exigidas pelos eventos biomecânicos em evolução, minimizando as correções sensoriais necessárias. O termo '' ajuste neuromecânico '' tem foi cunhado para descrever este processo

Fig. 1. Esquema do gerador de padrão locomotor central no sistema nervoso dos mamíferos. Um sinal de comando especificando o aumento da velocidade corporal desce dos núcleos cerebrais profundos através do MLR até a medula espinhal e aciona o elemento de temporização do CPG locomotor espinhal para gerar ciclos de cadência crescente. As durações da fase extensora mudam mais do que as durações da fase flexora. O sinal de comando também conduz a camada de formação de padrão para gerar ativação cíclica de motoneurônios flexores e extensores. O carregamento dos músculos ativados (por exemplo, sustentando a massa corporal em movimento) é resistido pelas propriedades intrínsecas de mola dos músculos. Isso é equivalente ao feedback de deslocamento. A força e o deslocamento detectados pelos aferentes do fuso muscular e dos órgãos do tendão de Golgi ativam os motoneurônios de maneira reflexa. Um papel fundamental desses aferentes é ajustar o tempo das transições de fase, presumivelmente influenciando ou cancelando o temporizador de CPG. Modificado de

A Fig. 1 fornece um esquema simplificado que resume esses mecanismos propostos. Um comando que especifica a velocidade corporal desejada desce dos centros superiores para o MLR, que aciona o CPG locomotor espinhal. O temporizador CPG produz a cadência apropriada e durações de fase e a camada de formação de padrão modula as saídas motoneuronais. Os músculos ativados resistem ao alongamento por meio de suas próprias propriedades biomecânicas intrínsecas, fornecendo uma forma rápida de controle de feedback de comprimento e velocidade. Os reflexos mediados pelo órgão do tendão de Golgi e outros aferentes fornecem compensação de carga adicional, mas o papel principal da entrada sensorial pode ser ajustar ou substituir o CPG nas transições de apoio-balanço-apoio.

Conforme descrito em Neuromodulação , a locomotiva humana CPG é muito adaptável e pode responder a estímulos sensoriais. Ele recebe informações do tronco cerebral e do ambiente para manter a rede regulada. Estudos mais recentes não apenas confirmaram a presença do CPG para locomoção humana, mas também confirmaram sua robustez e adaptabilidade. Por exemplo, Choi e Bastian mostraram que as redes responsáveis ​​pelo caminhar humano são adaptáveis ​​em escalas de tempo curtas e longas. Eles mostraram adaptação a diferentes padrões de marcha e diferentes contextos de marcha. Além disso, eles mostraram que diferentes padrões motores podem se adaptar de forma independente. Os adultos podem até andar em esteiras em uma direção diferente para cada perna. Este estudo mostrou que redes independentes controlam o andar para frente e para trás e que as redes que controlam cada perna podem se adaptar independentemente e serem treinadas para andar independentemente. Assim, os humanos também possuem um gerador de padrão central para locomoção que é capaz não apenas de geração de padrão rítmico, mas também de adaptação e utilidade notável em uma ampla variedade de situações.

Respiração

Um modelo trifásico é a visão clássica do CPG respiratório. As fases do GPC respiratório são caracterizadas pela atividade rítmica: (1) do nervo frênico durante a inspiração; (2) ramos do nervo laríngeo recorrente que inervam o músculo tireoaritenóideo durante o último estágio da expiração; (3) os ramos do nervo intercostal interno que inervam o músculo triangular do esterno durante o segundo estágio de expiração. A ritmicidade desses nervos é classicamente vista como originária de um único gerador de ritmo. Neste modelo, o faseamento é produzido pela inibição sináptica recíproca entre grupos de interneurônios sequencialmente ativos.

No entanto, um modelo alternativo foi proposto reforçado por alguns dados experimentais. De acordo com esse modelo, o ritmo respiratório é gerado por dois geradores de ritmo anatomicamente distintos acoplados, um no complexo pré-Boetzinger e outro no núcleo retrotrapezóide / grupo respiratório parafacial . Pesquisas posteriores forneceram evidências para a hipótese de que uma das redes é responsável pelo ritmo de inspiração e a outra pelo ritmo de expiração. Portanto, inspiração e expiração são funções distintas e uma não induz a outra, como é a crença comum, mas uma das duas domina o comportamento, gerando um ritmo mais rápido.

Engolir

A deglutição envolve a contração coordenada de mais de 25 pares de músculos da orofaringe, laringe e esôfago, que são ativos durante uma fase orofaríngea, seguida pelo peristaltismo esofágico primário. A deglutição depende de um CPG localizado na medula oblonga, que envolve vários núcleos motores do tronco cerebral e dois grupos principais de interneurônios: um grupo de deglutição dorsal (DSG) no núcleo do trato solitarii e um grupo de deglutição ventral (VSG) localizado na medula ventrolateral acima do núcleo ambíguo. Os neurônios no DSG são responsáveis ​​pela geração do padrão de deglutição, enquanto os do VSG distribuem os comandos para as várias piscinas motoneuronais. Como em outros GPCs, o funcionamento da rede central pode ser modulado por entradas periféricas e centrais, de forma que o padrão de deglutição seja adequado ao tamanho do bolo alimentar.

Dentro dessa rede, as conexões inibitórias centrais desempenham um papel importante, produzindo uma inibição rostrocaudal paralela à anatomia rostrocaudal do trato da deglutição. Assim, quando os neurônios que controlam as partes proximais do trato estão ativos, aqueles que comandam as partes mais distais são inibidos. Além do tipo de conexão entre os neurônios, propriedades intrínsecas dos neurônios, especialmente aquelas dos neurônios NTS, provavelmente também contribuem para a formação e o tempo do padrão de deglutição.

O CPG da deglutição é um CPG flexível. Isso significa que pelo menos alguns dos neurônios da deglutição podem ser neurônios multifuncionais e pertencer a pools de neurônios comuns a vários CPGs. Um desses CPG é o respiratório, que foi observado interagindo com o CPG da deglutição.

Geradores de ritmo

Os geradores de padrão central também podem desempenhar um papel na geração do ritmo para outras funções em vertebrados. Por exemplo, o sistema de vibrissa de rato usa um CPG não convencional para movimentos de batida . "Como outros CPGs, o gerador de whisking pode operar sem entrada cortical ou feedback sensorial. No entanto, ao contrário de outros CPGs, os motoneurônios de vibrissa participam ativamente da ritmogênese , convertendo entradas serotonérgicas tônicas na saída motora padronizada responsável pelo movimento das vibrissas." A respiração é outra função não locomotiva dos geradores de padrão central. Por exemplo, os anfíbios larvais realizam a troca gasosa em grande parte por meio da ventilação rítmica das guelras. Um estudo mostrou que a ventilação pulmonar no tronco encefálico do girino pode ser conduzida por um mecanismo semelhante ao de um marca-passo, enquanto o CPG respiratório se adapta na rã-touro adulta à medida que amadurece. Assim, os CPGs possuem uma ampla gama de funções no animal vertebrado e são amplamente adaptáveis ​​e variáveis ​​com a idade, ambiente e comportamento.

Mecanismo de geradores rítmicos: rebote pós-inibitório

A ritmicidade no CPG também pode resultar de propriedades celulares dependentes do tempo, como adaptação, excitação retardada e rebote pós-inibitório (PIR). PIR é uma propriedade intrínseca que elicia a atividade elétrica rítmica despolarizando a membrana, uma vez que o estímulo hiperpolarizante desaparece. "Pode ser produzido por vários mecanismos, incluindo corrente catiônica ativada por hiperpolarização (Ih) ou desinativação de correntes internas ativadas por despolarização" Uma vez que a inibição tenha cessado, este período de PIR pode ser explicado como o tempo com aumento da excitabilidade neuronal. É a propriedade de muitos neurônios do SNC que às vezes resulta em "explosões" de potencial de ação imediatamente após a entrada sináptica inibitória. "Por causa disso, foi sugerido que PIR pode contribuir para a manutenção da atividade oscilatória em redes neurais que são caracterizadas por conexões inibitórias mútuas, como aquelas envolvidas em comportamentos locomotores. Além disso, PIR é frequentemente incluído como um elemento em modelos computacionais de redes neurais que envolvem inibição mútua "Por exemplo, o" PIR em neurônios do receptor de estiramento de lagostim é causado pela recuperação da adaptação durante o curso da hiperpolarização inibitória. Uma característica desse sistema é que a PIR só ocorre se a hiperpolarização for imposta a um fundo de excitação, causada neste caso pelo estiramento. Eles também descobriram que a PIR pode ser eliciada no receptor de estiramento por hiperpolarização de pulsos de corrente . Este foi um achado importante porque mostrou que PIR é uma propriedade intrínseca do neurônio pós-sináptico ligado, relacionado à alteração do potencial de membrana associada à inibição, mas independente dos receptores transmissores ou propriedades pré-sinápticas. A última conclusão resistiu ao teste do tempo, marcando a PIR como uma propriedade robusta dos neurônios do SNC em uma ampla variedade de contextos. "Essa propriedade celular pode ser vista mais facilmente no circuito neural da Lampreia. O movimento de natação é produzido pela atividade neural alternada entre os lados esquerdo e direito do corpo, fazendo com que ele se incline para frente e para trás enquanto cria movimentos oscilantes. Enquanto a lampreia está dobrada para a esquerda, há inibição recíproca no lado direito, causando seu relaxamento devido à hiperpolarização. Imediatamente após isso estímulo hiperopolarizante, os interneurônios usam rebote pós-inibitório para iniciar a atividade no lado direito. A despolarização da membrana faz com que ela se contraia, enquanto a inibição recíproca é agora aplicada no lado esquerdo.

Funções em invertebrados

Os CPGs desempenham um papel igualmente crítico na coordenação de comportamentos em invertebrados, e estudar os CPGs de invertebrados com menos neurônios ajudou a estabelecer os princípios gerais dos CPGs e sua organização no sistema nervoso. Um circuito modelo para estudar CPGs é o gânglio estomatogástrico em caranguejos e lagostas, um circuito de aproximadamente 30 neurônios contendo dois CPGs que geram saída motora rítmica para mastigar e digerir alimentos. A dissecção desses circuitos revelou mecanismos neurais de CPGs. Por exemplo, o CPG pilórico - que controla a contração e dilatação do piloro - contém um conjunto de neurônios oscilatórios condicionais e um neurônio marcapasso que dispara ritmicamente quando dissecado fora do circuito. Comportamentos rítmicos coordenados como andar, voar e catar também são controlados por CPGs em alguns invertebrados. A pesquisa contínua sobre como os CPGs controlam esses comportamentos revelou uma arquitetura CPG aninhada para controlar os comportamentos rítmicos em várias escalas de tempo. Outros exemplos de CPGs em animais invertebrados incluem um CPG modulando a retirada reflexiva, fuga de natação e rastreamento no molusco Tritonia e para controlar o batimento cardíaco de sanguessugas. Os geradores de padrão central desempenham um amplo papel em todos os animais e mostram uma incrível variabilidade e adaptabilidade em quase todos os casos.

Interpretações Alternativas

Uma teoria que reconcilia o papel do feedback sensorial durante a locomoção rítmica é redefinir os CPGs como "estimadores de estado" em oposição aos geradores de ritmo. Por meio dessa perspectiva, os CPGs são um processador espinhal intrínseco que corrige o feedback sensorial imperfeito e adapta a entrada central para essa entrada periférica otimizada . Os modelos que usam esta estrutura são capazes de realizar o comportamento rítmico, bem como a locomoção fictícia, sem incorporar geradores de ritmo independentes.

Referências

links externos