Мозг управляет ногами с помощью нейронных "микрокоманд"

18 ноября 2011 года

Человеческий мозг управляет движением ног, сокращая или расслабляя сразу несколько мышц при помощи произвольных комбинаций из четырех "микрокоманд" - примитивных пакетов нервных импульсов, которые общие предки млекопитающих, рептилий и птиц приобрели примерно 100 миллионов лет назад, заявляют итальянские и американские биологи в статье, опубликованной в журнале Science.

Считается, что наша нервная система разбивает любые виды движения ног на примитивные базовые действия, различные сочетания которых образуют такие сложные "инструкции", как шаг или бег. Часть биологов считает, что эти действия приобретаются только во время роста и умственного развития детей, а другие добавляют к ним врожденные движения ног, которые мы получили от наших предков.

Франческо Лаккуанити (Francesco Lacquaniti) из университета Тор Вергата в Риме (Италия) и его коллеги проверили эти гипотезы, сопоставив движения ног и соответствующие "пакеты" нервных импульсов у младенцев, маленьких детей и взрослых.

ПРОГРАММА БЕГА

Как отмечают авторы статьи, младенцы не способны передвигаться самостоятельно, но умеют "шагать" на месте, если взять их на руки и приподнять над плоской поверхностью. Эта врожденная способность называется "автоматической походкой". В большинстве случаев она исчезает к 4-ой или 6-ой неделе жизни из-за изменений анатомического характера.

Лаккуанити и его коллеги собрали 46 родителей-добровольцев и их грудных детей и прикрепили к мускулам ног младенцев два десятка электродов. В ходе эксперимента биологи снимали своих подопечных на видеокамеру и записывали электрические сигналы, поступавшие с датчиков на их ногах. Ученые провели аналогичные исследования с участием детей младшего дошкольного возраста и взрослых.

Затем биологи сопоставили карты активности нейронов и движения ног в каждом наборе данных и вывели наборы базовых импульсов, которые использовали младенцы, дети и взрослые.

Оказалось, что младенцы используют всего два вида базовых движений. Этого хватает для движения и сгибания ног, но не для переноса центра тяжести и других тонких движений, без которых прямохождение невозможно. У детей младшего дошкольного возраста к "репертуару" базовых импульсов добавились еще два движения. При этом разброс в силе импульсов постепенно уменьшался с ростом среднего возраста дошколят и достиг минимальных значений среди взрослых. Взрослые используют все четыре "пакета" движений синхронно с движением ног, в отличие от детей, которые переходят к следующему шагу программы с опережением или с опозданием.

ОБЩИЕ НОГИ

Биологи полагают, что такую неточность можно объяснить тем, что спинной мозг младенцев и детей плохо "понимает" данные, поступающие из органов чувств и нейронов в тканях ног. Это подтверждается тем, что нервная система животных работает аналогичным образом в том случае, если под их ногами нет опоры.

Авторы статьи определили наборы базовых движений у детенышей и взрослых животных - крыс, кошек, макаки резус и птицы-цесарки. Ученые выяснили, что новорожденные крысята обладают почти "младенческим" пакетом импульсов. Все взрослые животные используют четыре блока "инструкций", напоминающие по своей точности работу нервной системы детей-дошколят.

Как пишут авторы статьи, различия в "программе" движения ног взрослых людей и животных объясняются тем, что человеку пришлось освоить раздельное движение рук. По всей видимости, возможность хватать предметы или дотрагиваться до них во время бега или шага потребовала "модернизации" системы нейронных команд.

Таким образом, движение ног человека "вырастает" из набора рефлекторных движений, которые мы приобрели еще до отделения приматов от других видов млекопитающих, а млекопитающих - от общего предка с птицами около 100 миллионов лет назад.