Моносинаптический путь возбуждения ствола мозга, который управляет двигательной активностью и симпатическими сердечно-сосудистыми реакциями.

Nature Communications, том 13, номер статьи: 5079 (2022) Цитировать эту статью

3666 Доступов

1 Цитаты

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Упражнения, включая передвижение, требуют соответствующих вегетативных сердечно-сосудистых корректировок для удовлетворения метаболических потребностей сокращающихся мышц, однако функциональная архитектура мозга, лежащая в основе этих корректировок, остается неизвестной. Здесь мы демонстрируем схемы ствола мозга, которые играют важную роль в передаче волевых двигательных сигналов, то есть центральных команд, для управления двигательной активностью и симпатическими сердечно-сосудистыми реакциями. Мезенцефальные локомоторные нейроны у крыс передают возбуждающие сигналы, управляемые центральными командами, на ростральный вентролатеральный мозговой слой, по крайней мере частично, посредством глутаматергических процессов, чтобы активировать как соматомоторную, так и симпатическую нервную систему. Оптогенетическое возбуждение этого моносинаптического пути вызывает локомоторные и сердечно-сосудистые реакции, наблюдаемые во время беговых упражнений, тогда как ингибирование пути подавляет двигательную активность и повышение артериального давления во время произвольного бега, не влияя на базальный сердечно-сосудистый гомеостаз. Эти результаты демонстрируют важный подкорковый путь, который передает центральные командные сигналы, обеспечивая ключевое понимание механизма центральной цепи, необходимого для физиологической подготовки, необходимой для максимизации производительности упражнений.

Упражнения, включая передвижение, которые являются частью фундаментального поведения у позвоночных, включая человека, сопровождаются вегетативными сердечно-сосудистыми изменениями, которые обеспечивают метаболические ресурсы, такие как топливо и кислород, необходимые для сокращения скелетных мышц, и тем самым повышают физическую работоспособность. Вклад прямого нисходящего моторного сигнала от переднего мозга в сердечно-сосудистый контроль предполагался уже более столетия1,2. В настоящее время этот сигнал прямой связи получил название центральной команды и постулируется как параллельная активация соматической и вегетативной двигательной системы головного мозга для одновременного увеличения мышечной активности наряду с артериальным давлением и сократимостью сердца3. Эта концепция впервые возникла в результате исследования на людях, показавшего, что величина сердечно-сосудистых реакций во время произвольных изометрических упражнений при постоянном мышечном напряжении положительно коррелирует с количеством активации центральной команды, которая была изменена рефлекторными сокращениями из-за вибрации сухожилий мышц-агонистов или мышц-антагонистов4. Центральная команда связана с активацией симпатической нервной системы независимо от двигательной обратной связи, о чем свидетельствует увеличение сердечно-сосудистых показателей во время фиктивного передвижения у декортикатных, парализованных кошек5 и усиление сердечно-сосудистых реакций на произвольное сокращение мышц у людей после паралича6,7.

Точное местоположение источника центральной команды остается неясным, поскольку механизм центральной цепи, с помощью которого сигналы центральной команды вызывают вегетативную сердечно-сосудистую адаптацию во время упражнений, еще полностью не выяснен. Вегетативные области мозга, активируемые в ответ на произвольные упражнения8,9,10,11,12, или области, стимуляция которых вызывает либо вегетативные, либо соматомоторные реакции13,14,15,16,17,18, могут участвовать в центральном командном контроле кровообращения. Например, исследования на людях с использованием нейрохирургических методов показали, что мезэнцефальные цепи, включая субталамическое ядро (STN) и периакведуктальное серое тело (PAG), активность нейронов которых повышается во время волевых упражнений11, настраивают подкорковые цепи для передачи центральных командных сигналов19, о чем свидетельствует прессорный эффект электрическая стимуляция STN17 или дорсального/латерального PAG18 у бодрствующих пациентов с болезнью Паркинсона или хронической болью. Тем не менее, причинная роль этих областей мозга в вегетативных изменениях во время физических упражнений, а также функциональные связи с другими областями не были продемонстрированы. Мозговой субстрат центрального командования также приобрел клиническое значение. Нарушение сердечно-сосудистой регуляции во время физических упражнений при патологических состояниях, таких как сердечная недостаточность, увеличивает непереносимость физической нагрузки и риск фатальных сердечных событий, таких как аритмия20. По крайней мере частично это вызвано дисфункцией центрального командования21,22, тогда как программы лечебных упражнений для пациентов улучшают их функциональный статус и результаты23.

6 weeks old) anesthetized with 1–5% isoflurane in oxygen, intubated, and artificially ventilated (SN480–7, Shinano) were positioned in a stereotaxic head unit (900LOS from David Kopf Instruments, Inc., or SR-6R from Narishige). CTb or given AAV solution was injected into the brain site of interest by using a calibrated pressure-microinjection system (Nanoject II, Drummond Scientific Co.). For injections to the RVLM, the dorsal surface of the medulla was exposed by a midline incision made through the skin covering the back of the head, followed by dissection of the muscles overlaying the base of the skull, and then an incision made through the atlanto-occipital membrane. The coordinates for the RVLM injections (1.0 mm rostral and 1.8 mm lateral to the calamus scriptorius; 3.5–3.7 mm ventral to the dorsal surface of the medulla) corresponded to those located approximately caudally to the caudal pole of the facial nuclei. For injections to the MLR (8.0 mm caudal, 2.0 mm lateral, and 6.3–6.9 mm ventral to the bregma), the skull was exposed by a midline incision of the skin and two burr holes were made in the skull. The solutions injected into the brain were as follows: Alexa-555-conjugated CTb (1.0 mg/1 mL PBS, C34776, Thermo Fisher Scientific) (23.0 nL × 4, RVLM), AAV-CMV-ChIEF-tdTomato (46.0 nL × 4, MLR), AAV-CMV-palGFP (46.0 nL × 4, MLR), AAV-Ef1α-DIO-iChloC-mCherry (46.0 nL × 4, MLR), AAV- Ef1α-DIO-EYFP (46.0 nL × 4, MLR), AAV-Ef1α-DIO-ChR2-eYFP (46.0 nL × 4, MLR), a mixture of AAV-Ef1α-DIO-ChR2-eYFP and AAV-Ef1α-DIO-iChloC-mCherry (1:1, 46.0 nL × 4, MLR), AAVrg-hsyn-EGFP (23.0 nL × 3, RVLM), AAVrg-Syn-ChR2(H134R)-GFP (23.0 nL x 3, RVLM), and AAVrg-pgk-Cre (23.0 nL × 3, RVLM). After injections, the micropipette remained inserted for 5 min before it was withdrawn./p> 1 s after optogenetic interventions (e.g., Fig. 4f), the data were included in the analyses. In each rat on an experimental day, 2–6 trials were conducted in random order, and intervals of at least 10 min were allowed between trials. Experimental days were at least 2 days apart./p>9 weeks old), these rats received bilateral injections into the MLR with AAV-Ef1α-DIO-iChloC-mCherry or AAV-Ef1a-DIO-EYFP and into the RVLM with AAVrg-pgk-Cre, and they were implanted with fiber-optic cannulas and a telemetry transmitter (as described above). The experiment was conducted during the dark phase. On the experimental day, the fiber-optic cannulas were connected to the laser via the patch cords and rotary joint, and the power output for MLR illumination was preset at 10 mW./p>