Generador de patrones central - Central pattern generator

Los generadores de patrones centrales ( CPG ) son circuitos neuronales biológicos que producen salidas rítmicas en ausencia de entrada rítmica. Son la fuente de patrones estrechamente acoplados de actividad neuronal que impulsan conductas motoras rítmicas y estereotipadas como caminar, nadar, respirar o masticar. La capacidad de funcionar sin entrada de áreas cerebrales superiores todavía requiere entradas moduladoras , y sus salidas no son fijas. La flexibilidad en respuesta a la información sensorial es una cualidad fundamental del comportamiento impulsado por CPG. Para ser clasificado como generador rítmico, una GPC requiere:

1. "dos o más procesos que interactúan de tal manera que cada proceso aumenta y disminuye secuencialmente, y
2. que, como resultado de esta interacción, el sistema vuelve repetidamente a su condición inicial ".

Se han encontrado CPG en invertebrados y prácticamente todas las especies de vertebrados investigadas, incluidos los humanos.

Anatomía y fisiología

Localización

En vertebrados se han realizado diversos estudios moleculares, genéticos y de imagen en cuanto a la localización de las GPC. Los resultados han demostrado que las redes responsables de la locomoción se distribuyen por las regiones torácica inferior y lumbar de la médula espinal . Los movimientos rítmicos de la lengua , que participan en la deglución , masticación y respiración , son impulsados ​​por núcleos hipoglosos , que reciben impulsos de la columna reticular medular dorsal (DMRC) y el núcleo del tracto solitario (NTS). El núcleo hipogloso recibe impulsos excitadores rítmicos también de las neuronas respiratorias del tronco encefálico dentro del complejo anterior a Boetzinger , que parece desempeñar un papel importante en el origen de la ritmogénesis respiratoria .

Anatomía

Aunque los detalles anatómicos de las GPC en vertebrados se conocen específicamente en solo unos pocos casos, se ha demostrado que se originan en la médula espinal y dependen de redes neuronales relativamente pequeñas y autónomas (en lugar de todo el sistema nervioso) para generar patrones rítmicos. Se han realizado muchos estudios para determinar el sustrato neural de las GPC locomotoras en mamíferos . La ritmicidad neuronal puede surgir de dos formas: "a través de interacciones entre neuronas (ritmicidad basada en redes) o mediante interacciones entre corrientes en neuronas individuales (neuronas osciladoras endógenas)". Una clave para comprender la generación de ritmos es el concepto de oscilador de medio centro (HCO). Un oscilador de medio centro consta de dos neuronas que no tienen capacidad rítmica individualmente, pero producen salidas rítmicas cuando se acoplan recíprocamente. Los osciladores de medio centro pueden funcionar de diversas formas. En primer lugar, es posible que las dos neuronas no se activen necesariamente en antifase y pueden activarse en cualquier fase relativa, incluso en sincronía, dependiendo de la liberación sináptica. En segundo lugar, los medios centros también pueden funcionar en un modo de "escape" o en un modo de "liberación". Escape y liberación se refieren a la forma en que se enciende la neurona inactiva: por escape o liberación de la inhibición. Los osciladores de medio centro también se pueden alterar por propiedades intrínsecas y de red y pueden tener una funcionalidad dramáticamente diferente según las variaciones en las propiedades sinápticas.

La visión clásica de las GPC, como redes específicas de neuronas dedicadas únicamente a esta función, ha sido cuestionada por numerosos datos obtenidos principalmente en el sistema nervioso central de los invertebrados. Además de las redes dedicadas clásicas, la mayoría de las CPG parecen de hecho ser circuitos reorganizados o distribuidos, y un solo circuito neuronal puede combinar características típicas de cada una de estas arquitecturas. La observación en invertebrados de generadores de patrones formados temporalmente antes de la producción de actividad motora refuerza la suposición. Por tanto, los circuitos CPG parecen tener un carácter flexible.

Neuromodulacion

Los organismos deben adaptar su comportamiento para satisfacer las necesidades de sus entornos internos y externos. Los generadores de patrones centrales, como parte de los circuitos neuronales de un organismo, se pueden modular para adaptarse a las necesidades y el entorno del organismo. Se han encontrado tres roles de neuromodulación para circuitos CPG:

1. Modulación en GPC como parte de la actividad normal.
2. La modulación cambia la configuración funcional de los CPG para producir diferentes salidas de motor
3. La modulación altera el complemento de neuronas CPG al cambiar las neuronas entre redes y fusionar redes anteriormente separadas en entidades más grandes

Modulación en GPC como parte de la actividad normal.

Por ejemplo, la GPC de natación de Tritonia diomedea puede producir una retirada reflexiva en respuesta a una entrada sensorial débil, escapar de la natación en respuesta a una fuerte entrada sensorial y gatear después de que haya cesado la natación de escape. Las interneuronas de natación dorsales (DSI) de las GPC de natación no solo provocan el escape rítmico de la natación, sino que también se conectan a las neuronas eferentes que activan los cilios. La evidencia experimental confirma que ambos comportamientos están mediados por las DSI. "Dadas las diferencias extremas entre estos comportamientos, rítmicos versus tónicos, musculares versus ciliar y breves versus prolongados, estos hallazgos revelan una sorprendente versatilidad para una pequeña red multifuncional". "Parte de esta flexibilidad es causada por la liberación de serotonina de los DSI, que hace que la célula cerebral 2 (C2) libere más transmisor y fortalezca su red de sinapsis. La aplicación de antagonistas serotoninérgicos evita que la red produzca el patrón de nado y, por lo tanto, esto La modulación dentro de la red parece esencial para la oscilación de la red ".

La modulación cambia la configuración funcional de los CPG para producir diferentes salidas de motor

Los datos de los experimentos de Harris-Warrick en 1991 y Hooper y Marder en 1987 sugieren que el objetivo funcional de la modulación es toda la red CPG. Estos fenómenos se observaron por primera vez a través de experimentos con el neuromodulador en el ganglio cardíaco de la langosta (Sullivan y Miller 1984). El efecto de la proctolina no podía entenderse mirando solo las neuronas a las que afectaba directamente. "En cambio, las neuronas que no se ven afectadas directamente alteran la respuesta de las neuronas directamente afectadas y ayudan a transmitir los cambios en la actividad de estas neuronas a través de la red", lo que permite que toda la red cambie de manera coherente y sincronizada. Harris-Warrick y sus colegas han realizado muchos estudios a lo largo de los años sobre los efectos de los neuromoduladores en las redes neuronales CPG. Por ejemplo, un estudio de 1998 mostró la naturaleza distribuida de la neuromodulación y que los neuromoduladores pueden reconfigurar una red motora para permitir una familia de movimientos relacionados. Específicamente, se demostró que la dopamina afecta tanto a neuronas individuales como a las sinapsis entre neuronas. La dopamina fortalece algunas sinapsis y debilita otras actuando presinápticamente y postsinápticamente en todo el ganglio estomatogástrico de los crustáceos. Estas respuestas, así como otros efectos de la dopamina, pueden ser de signo opuesto en diferentes ubicaciones, lo que muestra que la suma de los efectos es el efecto de red general y puede hacer que la GPC produzca familias relacionadas de diferentes salidas motoras.

La modulación altera el complemento de neuronas CPG al cambiar las neuronas entre redes y fusionar redes anteriormente separadas en entidades más grandes.

Una sola red neuronal, como un generador de patrones central, se puede modular momento a momento para producir varias acciones físicas diferentes dependiendo de las necesidades del animal. Estas fueron acuñadas por primera vez como "redes polimórficas" por Getting y Dekin en 1985. Un ejemplo de uno de estos generadores de patrones centrales polimórficos es una red multifuncional del molusco Tritonia diomedea . Como lo describió Hooper, la entrada sensorial débil a la GPC de natación produce una retirada refleja, mientras que la entrada fuerte produce la natación. Las interneuronas de nado dorsal (DSI) del circuito liberan serotonina para convertirse en "modo de nado", mientras que la aplicación de antagonistas serotoninérgicos previene el patrón de nado. Además, se ha descubierto que la misma red interneuronal única produce no sólo "natación de escape rítmica, basada en los músculos", sino también "rastreo no rítmico, mediado por cilios". La evidencia también sugiere que aunque la GPC controla funciones relacionadas pero separadas, la neuromodulación de una función puede ocurrir sin afectar la otra. Por ejemplo, el modo de natación puede ser sensibilizado por la serotonina sin afectar el modo de rastreo. Por tanto, el circuito CPG puede controlar muchas funciones independientes con la neuromodulación adecuada.

Mecanismo de retroalimentación

Aunque la teoría de la generación de patrones centrales exige que la ritmicidad y los patrones básicos se generen de manera centralizada, las GPC pueden responder a la retroalimentación sensorial para alterar el patrón de formas apropiadas para el comportamiento. La alteración del patrón es difícil porque la retroalimentación recibida durante una sola fase puede requerir un cambio de movimiento en las otras partes del ciclo del patrón para preservar ciertas relaciones de coordinación. Por ejemplo, caminar con un guijarro en el zapato derecho altera toda la marcha, aunque el estímulo solo está presente mientras se está de pie sobre el pie derecho. Incluso durante el tiempo en que el pie izquierdo está abajo y la retroalimentación sensorial está inactiva, se toman medidas para prolongar el balanceo de la pierna derecha y extender el tiempo en el pie izquierdo, lo que lleva a cojear. Este efecto podría deberse a efectos generalizados y duraderos de la retroalimentación sensorial en la GPC o debido a efectos a corto plazo en algunas neuronas que, a su vez, modulan las neuronas cercanas y propagan la retroalimentación a través de toda la GPC de esa manera. Se requiere cierto grado de modulación para permitir que una CPG asuma múltiples estados en respuesta a la retroalimentación.

Además, el efecto de la entrada sensorial varía según la fase del patrón en el que ocurre. Por ejemplo, al caminar, la resistencia a la parte superior del pie que se balancea (por ejemplo, mediante un bastón horizontal) hace que el pie se levante más alto para moverse sobre el bastón. Sin embargo, la misma entrada al pie de apoyo no puede hacer que el pie se levante o la persona colapsaría. Por lo tanto, dependiendo de la fase, la misma entrada sensorial puede hacer que el pie se levante más alto o se mantenga más firme en el suelo. "Este cambio en la respuesta motora en función de la fase del patrón motor se denomina inversión refleja y se ha observado en invertebrados (DiCaprio y Clarac, 1981) y vertebrados (Forssberg et al., 1977). No se comprende bien cómo ocurre este proceso, pero nuevamente existen dos posibilidades. Una es que la entrada sensorial se enruta adecuadamente a diferentes neuronas CPG en función de la fase del patrón motor. La otra es que la entrada llega a las mismas neuronas en todas las fases, pero que, como consecuencia de la forma en que la red transforma la entrada, la respuesta de la red varía apropiadamente en función de la fase del patrón del motor ".

Un estudio reciente de Gottschall y Nichols estudió la pata trasera de un gato descerebrado durante la marcha (una función controlada por CPG) en respuesta a cambios en el cabeceo de la cabeza. Este estudio describe las diferencias en la marcha y la posición corporal de los gatos que caminan cuesta arriba, cuesta abajo y en superficies niveladas. Los receptores propioceptivos (órganos tendinosos de Golgi y husos musculares) y exteroreceptivos (ópticos, vestibulares y cutáneos) funcionan solos o en combinación para ajustar la GPC a la retroalimentación sensorial. El estudio exploró los efectos de los propioceptores del cuello (que brindan información sobre la ubicación relativa de la cabeza y el cuerpo) y los receptores vestibulares (que brindan información sobre la orientación de la cabeza en relación con la gravedad). A los gatos desacerebrados se les hizo caminar sobre una superficie nivelada con la cabeza nivelada, inclinada hacia arriba o hacia abajo. La comparación de los gatos descerebrados con los gatos normales mostró patrones EMG similares durante la caminata nivelada y patrones EMG que reflejaban la caminata cuesta abajo con la cabeza inclinada hacia arriba y la caminata cuesta arriba con la cabeza inclinada hacia abajo. Este estudio demostró que los propioceptores del cuello y los receptores vestibulares aportan retroalimentación sensorial que altera la marcha del animal. Esta información puede resultar útil para el tratamiento de los trastornos de la marcha.

Funciones

Los generadores de patrones centrales pueden cumplir muchas funciones. Las CPG pueden desempeñar funciones en el movimiento, la respiración, la generación de ritmos y otras funciones oscilatorias . A continuación se muestran varias funciones clave de las GPC.

Locomoción

Ya en 1911, se reconoció, mediante los experimentos de Thomas Graham Brown , que la médula espinal puede producir el patrón básico de pasos sin necesidad de órdenes descendentes de la corteza.

La primera evidencia moderna del generador de patrones central se produjo aislando el sistema nervioso de la langosta y mostrando que podía producir una salida rítmica aislada que se asemeja a la de la langosta en vuelo. Esto fue descubierto por Wilson en 1961. Desde entonces, ha surgido evidencia de la presencia de generadores de patrones centrales en animales vertebrados, comenzando con el trabajo en el gato en la década de 1960 por Elzbieta Jankowska en Gotemburgo, quien proporcionó la primera evidencia de una médula espinal. CPG. Esta sección aborda el papel del generador de patrones central en la locomoción de la lamprea y los humanos.

La lamprea se ha utilizado como modelo para las GPC de vertebrados porque, si bien su sistema nervioso tiene una organización de vertebrados, comparte muchas características positivas con los invertebrados. Cuando se extrae de la lamprea, la médula espinal intacta puede sobrevivir durante días in vitro . También tiene muy pocas neuronas y se puede estimular fácilmente para producir un movimiento de natación ficticio indicativo de un generador de patrones central. Ya en 1983, Ayers, Carpenter, Currie y Kinch propusieron que había una GPC responsable de la mayoría de los movimientos ondulantes de la lamprea, incluidos nadar hacia adelante y hacia atrás, excavar en el lodo y gatear sobre una superficie sólida, que, aunque no sorprendentemente, no coincidía. la actividad en el animal intacto, sin embargo, proporcionó la salida locomotora básica. Se ha descubierto que los diferentes movimientos están alterados por neuromoduladores, incluida la serotonina en un estudio de Harris-Warrick y Cohen en 1985 y la taquiquinina en un estudio de Parker et al. en 1998. El modelo de lamprea de CPG para locomoción ha sido importante para el estudio de las CPG. Aunque Sten Grillner afirma que la red locomotora se caracteriza, una afirmación que aparentemente ha sido aceptada acríticamente por el campo de la red locomotora de la médula espinal, de hecho faltan muchos detalles y Grillner no puede proporcionar la evidencia que utiliza para respaldar sus afirmaciones (Parker 2006). . Sin embargo, este modelo de circuito neural de la lamprea CPG, que incluye tres clases (una excitadora y dos inhibitorias) de neuronas pero omitiendo detalles subcelulares, proporciona una comprensión a nivel del sistema de la locomoción generada por CPG cuya velocidad y dirección (nadar hacia adelante, hacia atrás , o giro) se establecen mediante entradas externas no rítmicas (desde el tronco del encéfalo ) al circuito. Actualmente se está utilizando un esquema general de la GPC de lamprea en la creación de GPC artificiales. Por ejemplo, Ijspeert y Kodjabachian utilizaron el modelo de Ekeberg para la lamprea para crear CPG artificiales y simular movimientos de natación en un sustrato similar a una lamprea utilizando controladores basados ​​en una codificación SGOCE. Básicamente, estos son los primeros pasos hacia el uso de CPG para codificar la locomoción en robots. El modelo de vertebrados de CPG también se ha desarrollado con el formalismo de Hodgkin-Huxley, sus variantes y enfoques de sistemas de control. Por ejemplo, Yakovenko y sus colegas han desarrollado un modelo matemático simple que describe los principios básicos propuestos por TG Brown con unidades integradas al umbral organizadas con conexiones mutuamente inhibitorias. Este modelo es suficiente para describir propiedades complejas de la conducta, como diferentes regímenes de locomoción dominante extensora y flexora observados durante la estimulación eléctrica de la región locomotora mesencefálica (MLR), locomoción ficticia inducida por MLR.

Las conexiones entre las GPC que controlan cada extremidad gestionan la coordinación entre las extremidades y, por lo tanto, los pasos en los animales cuadrúpedos y posiblemente también bípedos. La coordinación de izquierda a derecha está mediada por comisurales y delanteras y traseras, así como la coordinación diagonal está mediada por interneuronas espinales propias de proyección larga. El equilibrio de la alternancia izquierda-derecha (mediada genéticamente por clases de neuronas V0d y V0v identificadas) con las interneuronas comisurales que promueven la sincronización izquierda (neuronas V3 potencialmente mediadas) determina si se expresa la marcha y el trote (marcha alterna) o el galope y salto (marcha sincrónica). . Este equilibrio cambia con el aumento de la velocidad, potencialmente debido a la modulación por impulso supraespinal del MLR y mediado por la formación reticular, y causa transiciones de la marcha dependientes de la velocidad características de los animales cuadrúpedos. La transición de la caminata al trote ocurre potencialmente debido a una disminución más fuerte de la extensión que la duración de la fase de flexión con el aumento de la velocidad locomotora y podría estar mediada por la inhibición diagonal descendente a través de neuronas proprioespinales largas V0d, lo que conduce a un aumento progresivo de la superposición entre las extremidades diagonales hasta la sincronización diagonal. (trote). Las neuronas comisurales y proprioespinales largas son un objetivo probable de las entradas aferentes supraespinales y somatosensoriales para ajustar la coordinación entre las extremidades y la marcha a diferentes condiciones ambientales y de comportamiento.

Los generadores de patrones centrales también contribuyen a la locomoción en humanos. En 1994, Calancie, et al. describió el "primer ejemplo bien definido de un generador de ritmo central para intervenir en el ser humano adulto". El sujeto era un hombre de 37 años que sufrió una lesión en la médula espinal cervical 17 años antes. Después de una parálisis total inicial debajo del cuello, el sujeto finalmente recuperó algo de movimiento de los brazos y dedos y un movimiento limitado en las extremidades inferiores. No se había recuperado lo suficiente para soportar su propio peso. Después de 17 años, el sujeto descubrió que cuando estaba en decúbito supino y extendía las caderas, sus extremidades inferiores experimentaban movimientos escalonados mientras permanecía acostado. "Los movimientos (i) implicaron flexión y extensión alternas de las caderas, rodillas y tobillos; (ii) fueron suaves y rítmicos; (iii) fueron lo suficientemente fuertes como para que el sujeto pronto se sintiera incómodo debido a la excesiva 'tensión' muscular y una elevación temperatura corporal, y (iv) no se pudo detener mediante un esfuerzo voluntario ". Después de un extenso estudio del tema, los experimentadores concluyeron que "estos datos representan la evidencia más clara hasta la fecha de que tal red [CPG] existe en el hombre". Cuatro años después, en 1998, Dimitrijevic, et al. demostraron que las redes generadoras de patrones lumbares humanos pueden activarse impulsando aferentes sensoriales de gran diámetro de las raíces posteriores. Cuando se aplica estimulación eléctrica tónica a estas fibras en individuos con lesión motora completa de la médula espinal (es decir, individuos en los que la médula espinal está funcionalmente aislada del cerebro) se puede provocar un movimiento rítmico similar al locomotor de las extremidades inferiores. Estas mediciones se realizaron en posición supina, minimizando así la retroalimentación periférica. Estudios posteriores demostraron que estos centros locomotores lumbares pueden formar una gran variedad de movimientos rítmicos combinando y distribuyendo patrones estereotipados a los numerosos músculos de las extremidades inferiores. También se ha demostrado que un tratamiento farmacológico activador de CPG llamado Spinalon, activo centralmente tras la administración oral, reactiva parcialmente las neuronas locomotoras espinales en pacientes con lesión de la médula espinal completa o motora completa. De hecho, un estudio doble ciego, aleatorizado y controlado con placebo en cuarenta y cinco voluntarios con lesiones crónicas AIS A / B (entre 3 meses y 30 años después del trauma) en posición supina por razones de seguridad, reveló que Spinalon por debajo del máximo La dosis tolerada (MTD fue de 500/125/50 mg / kg de L-DOPA / carbidopa / buspirona) fue bien tolerada. También se encontró evidencia preliminar de eficacia usando cintas de video y grabaciones electromiográficas, ya que las dosis por debajo de la MTD podrían inducir de manera aguda movimientos rítmicos de piernas similares a los del locomotor en grupos con Spinalon, pero no en aquellos con placebo (almidón de maíz).

Control neuromecánico de la locomoción en mamíferos

Si se fijaran las duraciones del ciclo de pasos y las activaciones musculares, no sería posible cambiar la velocidad del cuerpo y adaptarse a terrenos variables. Se ha sugerido que la CPG locomotora de mamíferos comprende un "temporizador" (posiblemente en forma de osciladores acoplados) que genera ciclos de pasos de duración variable, y una " capa de formación de patrones ", que selecciona y clasifica la activación de grupos motores . El aumento del impulso neural desde la región locomotora del mesencéfalo (MLR) hasta la GPC espinal aumenta la frecuencia del ciclo de pasos (la cadencia). Las duraciones de las fases de balanceo y de apoyo covarían en una relación bastante fija, y las fases de apoyo cambian más que las fases de balanceo.

La entrada sensorial de las extremidades puede truncar o extender la duración de las fases individuales en un proceso similar al control de estado finito (en el que las reglas "si-entonces" determinan cuándo ocurren las transiciones de estado). Por ejemplo, si una extremidad que se balancea hacia adelante alcanza el final de swing en menos tiempo que la duración actual de la fase flexora generada por CPG, la entrada sensorial haría que el temporizador de CPG terminara el swing y comenzara la fase de apoyo. Además, a medida que aumenta la velocidad del cuerpo, la capa de formación del patrón aumentaría la activación muscular de forma no lineal para proporcionar una mayor carga fuerzas de empuje y soporte. Se ha postulado que en los movimientos bien predichos, las duraciones de fase generadas por CPG y las fuerzas musculares coinciden estrechamente con las requeridas por los eventos biomecánicos en evolución, minimizando las correcciones sensoriales requeridas. El término '' sintonización neuromecánica '' ha ha sido acuñado para describir este proceso

Fig. 1. Esquema del generador de patrón locomotor central en el sistema nervioso de los mamíferos. Una señal de comando que especifica el aumento de la velocidad corporal desciende desde los núcleos cerebrales profundos a través del MLR hasta la médula espinal e impulsa el elemento de sincronización de la CPG locomotora espinal para generar ciclos de cadencia creciente. La duración de la fase extensora cambia más que la duración de la fase flexora. La señal de comando también impulsa la capa de formación del patrón para generar la activación cíclica de las motoneuronas flexoras y extensoras. La carga de los músculos activados (por ejemplo, el soporte de la masa corporal en movimiento) es resistida por las propiedades intrínsecas de resorte de los músculos. Esto es equivalente a la retroalimentación de desplazamiento. La fuerza y ​​el desplazamiento detectados por el huso muscular y los órganos aferentes del tendón de Golgi activan de forma refleja las neuronas motoras. Un papel clave de estos aferentes es ajustar el tiempo de las transiciones de fase, presumiblemente influyendo o anulando el temporizador de la CPG. Modificado de

La figura 1 proporciona un esquema simplificado que resume estos mecanismos propuestos. Un comando que especifica la velocidad corporal deseada desciende desde los centros superiores al MLR, que impulsa la GPC locomotora espinal. El temporizador CPG produce la cadencia y las duraciones de fase adecuadas y la capa de formación del patrón modula las salidas motoneuronales. Los músculos activados resisten el estiramiento a través de sus propias propiedades biomecánicas intrínsecas, proporcionando una forma rápida de control de retroalimentación de longitud y velocidad. Los reflejos mediados por el órgano tendinoso de Golgi y otras aferencias proporcionan una compensación de carga adicional, pero la función principal de la información sensorial puede ser ajustar o anular la GPC en las transiciones de postura-balanceo-postura.

Como se describe en Neuromodulación , la GPC de la locomotora humana es muy adaptable y puede responder a la información sensorial. Recibe información del tronco del encéfalo y del medio ambiente para mantener la red regulada. Estudios más recientes no solo han confirmado la presencia de la GPC para la locomoción humana, sino que también han confirmado su robustez y adaptabilidad. Por ejemplo, Choi y Bastian demostraron que las redes responsables de la marcha humana son adaptables en escalas de tiempo cortas y largas. Mostraron adaptación a diferentes patrones de marcha y diferentes contextos de marcha. Además, demostraron que diferentes patrones motores pueden adaptarse de forma independiente. Los adultos incluso pueden caminar en cintas de correr en una dirección diferente para cada pierna. Este estudio mostró que las redes independientes controlan la marcha hacia adelante y hacia atrás y que las redes que controlan cada pierna pueden adaptarse de forma independiente y entrenarse para caminar de forma independiente. Por lo tanto, los seres humanos también poseen un generador de patrones central para la locomoción que es capaz no solo de generar patrones rítmicos, sino también de una notable adaptación y utilidad en una amplia variedad de situaciones.

Respiración

Un modelo trifásico es la vista clásica de la GPC respiratoria. Las fases de la GPC respiratoria se caracterizan por la actividad rítmica de: (1) el nervio frénico durante la inspiración; (2) ramas nerviosas laríngeas recurrentes que inervan el músculo tiroaritenoideo durante la última etapa de la espiración; (3) las ramas del nervio intercostal interno que inervan el músculo triangularis esterni durante la segunda etapa de la espiración. Clásicamente, se considera que la rítmica de estos nervios se origina en un solo generador de ritmo. En este modelo, la fase se produce por inhibición sináptica recíproca entre grupos de interneuronas secuencialmente activas.

Sin embargo, se ha propuesto un modelo alternativo reforzado por ciertos datos experimentales. Según este modelo, el ritmo respiratorio es generado por dos generadores de ritmo acoplados anatómicamente distintos, uno en el complejo pre-Boetzinger y el otro en el núcleo retrotrapezoide / grupo respiratorio parafacial . Una encuesta adicional proporcionó evidencia a la hipótesis de que una de las redes es responsable del ritmo de inspiración y la otra del ritmo de espiración. Por tanto, la inspiración y la espiración son funciones distintas y una no induce a la otra, como es la creencia común, pero una de las dos domina el comportamiento generando un ritmo más rápido.

Tragar

La deglución implica la contracción coordinada de más de 25 pares de músculos en la orofaringe, laringe y esófago, que están activos durante una fase orofaríngea, seguida de la peristalsis esofágica primaria. La deglución depende de una GPC ubicada en el bulbo raquídeo, que involucra varios núcleos motores del tronco encefálico y dos grupos principales de interneuronas: un grupo de deglución dorsal (DSG) en el núcleo del tracto solitario y un grupo de deglución ventral (VSG) ubicado en la médula ventrolateral por encima del núcleo ambiguo. Las neuronas del DSG son responsables de la generación del patrón de deglución, mientras que las del VSG distribuyen los comandos a los distintos grupos motoneuronales. Como en otras GPC, el funcionamiento de la red central puede ser modulado por entradas periféricas y centrales, de modo que el patrón de deglución se adapte al tamaño del bolo.

Dentro de esta red, las conexiones inhibidoras centrales juegan un papel importante, produciendo una inhibición rostrocaudal que es paralela a la anatomía rostrocaudal del tracto de deglución. Por tanto, cuando las neuronas que controlan las partes proximales del tracto están activas, se inhiben las que controlan las partes más distales. Aparte del tipo de conexión entre las neuronas, las propiedades intrínsecas de las neuronas, especialmente las de las neuronas NTS, probablemente también contribuyan a la configuración y sincronización del patrón de deglución.

La GPC de deglución es una GPC flexible. Esto significa que al menos algunas de las neuronas de deglución pueden ser neuronas multifuncionales y pertenecer a grupos de neuronas que son comunes a varias GPC. Una de esas GPC es la respiratoria, que se ha observado interactuando con la GPC de deglución.

Generadores de ritmo

Los generadores de patrones centrales también pueden desempeñar un papel en la generación de ritmos para otras funciones en los vertebrados. Por ejemplo, el sistema de vibrisas de rata utiliza un CPG poco convencional para batir movimientos . "Al igual que otras CPG, el generador de batido puede funcionar sin entrada cortical o retroalimentación sensorial. Sin embargo, a diferencia de otras CPG, las motoneuronas vibrissa participan activamente en la ritmogénesis al convertir las entradas serotoninérgicas tónicas en la salida motora modelada responsable del movimiento de las vibrisas". La respiración es otra función no locomotora de los generadores de patrones centrales. Por ejemplo, las larvas de anfibios logran el intercambio de gases principalmente a través de la ventilación rítmica de las branquias. Un estudio mostró que la ventilación pulmonar en el tronco encefálico del renacuajo puede ser impulsada por un mecanismo similar a un marcapasos, mientras que la GPC respiratoria se adapta en la rana toro adulta a medida que madura. Por lo tanto, las GPC tienen una amplia gama de funciones en el animal vertebrado y son ampliamente adaptables y variables con la edad, el entorno y el comportamiento.

Mecanismo de los generadores rítmicos: rebote postinhibitorio

La ritmicidad en las GPC también puede deberse a propiedades celulares dependientes del tiempo, como la adaptación, la excitación retardada y el rebote posinhibitorio (PIR). La PIR es una propiedad intrínseca que provoca una actividad eléctrica rítmica al despolarizar la membrana una vez que desaparece el estímulo hiperpolarizante. "Puede ser producido por varios mecanismos, incluida la corriente catiónica activada por hiperpolarización (Ih) o la desinactivación de las corrientes de entrada activadas por despolarización" Una vez que ha cesado la inhibición, este período de PIR puede explicarse como el tiempo con mayor excitabilidad neuronal. Es una propiedad de muchas neuronas del SNC que a veces resulta en "ráfagas" de potencial de acción inmediatamente después de la entrada sináptica inhibitoria. "Debido a esto, se ha sugerido que la PIR puede contribuir al mantenimiento de la actividad oscilatoria en las redes neuronales que se caracterizan por conexiones inhibitorias mutuas, como las implicadas en las conductas locomotoras. Además, la PIR se incluye a menudo como un elemento en los modelos computacionales de redes neuronales que implican inhibición mutua ". El curso de la hiperpolarización inhibitoria. Una característica de ese sistema es que la PIR solo ocurre si la hiperpolarización se impone sobre un fondo de excitación, en este caso causada por estiramiento. También encontraron que la PIR puede ser provocada en el receptor de estiramiento por pulsos de corriente hiperpolarizantes . Este fue un hallazgo importante porque mostró que la PIR es una propiedad intrínseca de la neurona postsináptica encendido, relacionado con el cambio de potencial de membrana asociado con la inhibición, pero independiente de los receptores transmisores o de las propiedades presinápticas. La última conclusión ha resistido la prueba del tiempo, lo que marca a la PIR como una propiedad robusta de las neuronas del SNC en una amplia variedad de contextos ". Esta propiedad celular se puede ver más fácilmente en el circuito neural de la lamprea. El movimiento de natación se produce mediante la actividad neuronal alterna entre el lado izquierdo y derecho del cuerpo, lo que hace que se doble hacia adelante y hacia atrás mientras crea movimientos oscilantes. Mientras que la lamprea está doblada hacia la izquierda, hay una inhibición recíproca en el lado derecho que hace que se relaje debido a la hiperpolarización. Inmediatamente después de esto En el estímulo hiperopolarizante, las interneuronas utilizan un rebote postinhibitorio para iniciar la actividad en el lado derecho. La despolarización de la membrana hace que se contraiga mientras que ahora se aplica inhibición recíproca en el lado izquierdo.

Funciones en invertebrados

Las GPC desempeñan un papel igualmente crítico en la coordinación de comportamientos en invertebrados, y el estudio de las GPC de invertebrados con un menor número de neuronas ha ayudado a establecer los principios generales de las GPC y su organización en el sistema nervioso. Un circuito modelo para estudiar las GPC es el ganglio estomatogástrico en cangrejos y langostas, un circuito de ~ 30 neuronas que contiene dos GPC que generan una salida motora rítmica para masticar y digerir alimentos. La disección de estos circuitos ha revelado los mecanismos neuronales de las GPC. Por ejemplo, el CPG pilórico, que controla la contracción y dilatación del píloro , contiene un conjunto de neuronas oscilatorias condicionales y una neurona marcapasos que se dispara rítmicamente cuando se diseca fuera del circuito. Los comportamientos rítmicos coordinados como caminar, volar y acicalarse también son controlados por CPG en algunos invertebrados. La investigación continua sobre cómo las CPG controlan estos comportamientos ha revelado una arquitectura de CPG anidada para controlar los comportamientos rítmicos en varias escalas de tiempo. Otros ejemplos de CPG en animales invertebrados incluyen una retracción refleja moduladora de CPG, escapar de la natación y gatear en el molusco Tritonia, y para controlar los latidos del corazón de las sanguijuelas. Los generadores de patrones centrales juegan un papel amplio en todos los animales y muestran una variabilidad y adaptabilidad asombrosas en casi todos los casos.

Interpretaciones alternativas

Una teoría que reconcilia el papel de la retroalimentación sensorial durante la locomoción rítmica es redefinir las GPC como "estimadores de estado" en lugar de generadores de ritmo.A través de esta perspectiva, las GPC son un procesador espinal intrínseco que corrige la retroalimentación sensorial imperfecta y adapta la entrada central a esta entrada periférica optimizada. . Los modelos que utilizan este marco son capaces de lograr un comportamiento rítmico así como una locomoción ficticia sin incorporar generadores de ritmo independientes.

Referencias

enlaces externos