Nervsystemets växellåda kartlagd

Genom att studera zebrafiskar har forskare vid Karolinska Institutet lyckats dechiffrerat koden som styr hastighetsskiftningar när vi förflyttar oss och byter hastighet från att gå till att springa eller sprinta. Forskarna har funnit en multimodulär uppbyggnad i mikronätverk, som genom en växelmekanism i ryggmärgen gradvis ökar hastigheten i lokomotionen.

Att förflytta sig – lokomotion – är ett väsentligt motoriskt beteende, nödvändigt för att kunna samspela med vår omgivning. Lokomotionens hastighet ändras konstant när omständigheterna kräver att man försiktigt närmar sig ett mål eller snabbt undviker en fara. Lokomotion hos alla djur, inklusive människan, genereras av neuronala nätverk i ryggmärgen. Hastighetsökningen är förknippad med en gradvis aktivering av olika muskeltyper från långsam till mellanläge och slutligen till snabb. Hur dessa ryggmärgsnätverk är uppbyggda för att styra aktiviteten i de olika musklerna har länge varit ett olöst biologiskt pussel, som nu till stor del får sin lösning och beskrivs i en studie i den vetenskapliga tidskriften Neuron.

Aktiviteten hos motorneuroner, som ger nervförsörjning åt långsamma, medelsnabba och snabba muskler, drivs selektivt av separata grupper av excitatoriska interneuroner. Det finns tre grupper av excitatoriska interneuroner som är selektivt kopplade till långsamma, medelsnabba och snabba motorneuroner och bildar tre tydliga mikronätverksmoduler (långsamt, mellanläge och snabbt). Dessa mikronätverksmoduler aktiveras stegvis för att öka hastigheten i lokomotionen.

Tre växlar

Denna hittills okända organisering av lokomotionsnätverket i ryggmärgen med tre tydliga mikronätverksmoduler kan liknas vid en växellåda med tre växlar (långsamt, mellanläge och snabbt) som möjliggör hastighetsökningen i lokomotionen genom att i sekvens aktivera dessa distinkta mikronätverksmoduler, från långsamt till mellantakt, till snabbt.

Vid långsam lokomotion (att jämföra med promenadhastighet) är det bara den långsamma mikronätverksmodulen som engageras och aktiverar långsamma muskler. Allt eftersom hastigheten ökar aktiverar den medelsnabba mikronätverksmodulen de medelsnabba musklerna för att framkalla springande hastighet. Slutligen under sprint tillsätts den snabba mikronätverksmodulen som aktiverar de snabba musklerna.

Dessa forskningsresultat kan direkt extrapoleras till däggdjur, inklusive människor, där samma muskeluppbyggnad finns men ett komplext nervsystem som är otillgänglig för samma detaljerade analysnivå som hos zebrafisk. Forskningsresultaten har även gett ny kunskap om uppbyggnaden och funktionen hos spinala nätverk som styr lokomotion. Dessa kunskaper kan leda till att utveckla nya behandlingsmetoder för att återfå motoriken efter ryggmärgsskada eller neuromuskulära sjukdomar.

Studien har letts av professor Abdel El Manira vid institutionen för neurovetenskap. Arbetet har finansierats med stöd av Vetenskapsrådet och StratNeuro vid Karolinska Institutet.

Publikation

Separate Microcircuit Module of Distinct V2a Interneurons and Motoneuron Control the Speed of Locomotion
Konstaninos Ampatzis, Jianren Song, Jessica Ausborn och Abdeljabbar El Manira
Neuron, 7 augusti, 2014, doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.neuron.2014.07.018