1、中枢模式发生器central pattern generators(CPGs)刘佳 2019.6.19 内 容l概述 概念 历史和研究进展l研究手段 电生理学 基因调控概 述概念l运动一般可分为三大类:反射运动、随意运动和节律性运动.l节律性运动,如呼吸、咀嚼、行走等,这类运动可以随意开始或者停止,一旦开始,就能自动重复进行而不再需要意识的参与.l一般而言,产生节律运动活动的神经环路被称为中枢模式发生器(central patterngenerator,CPG)。l脊髓步行模式发生器(spinal locomotor pattern generator)特指位于脊髓内,能自动产生稳定振荡,有序
2、激活伸屈肌群进行交替收缩,激发肢体节律运动的CPG。l振荡（神经振荡）CNS神经元有节律的活动。概 述历史及现状l1911年，Brown提出“中心半振荡器”的概念 发现脊椎动物脊髓在缺乏感觉性传入的情况下，能够产生节律性动作，如行走和游泳。振荡器（英文：oscillator）是用来产生重复电子讯号（通常是正弦波或方波）的电子元件。其构成的电路叫振荡电路。l1966年,Shik明确提出CPG控制动物节律运动的理论；l大量实验已证实,在许多无脊椎动物的胸腹神经节和脊椎动物的脊髓中都存在CPG,其中结构基本清楚的有：无脊椎动物水蛭的心跳CPG 龙虾的胃部蠕动CPG 脊椎动物蝌蚪和七鳃鳗的游泳CPG等
3、(Arshavsky Yu et al.,1993;Grillner et al.,2019;Roberts et al.,2000).l近年的一些研究试图从各个方面去揭示啮齿类动物的CPG结构(Butt et al.,2019b;Cazalets and Bertrand,2000;Kiehn and Tresch,2019;Schmidt and Jordan,2000;Vinay et al.,2019).l研究表明，控制新生大鼠后肢活动的CPG起自下部胸段(Th11Th13)，贯穿整个腰段(L1L6)(Bertrand and Cazalets,2019;Cazalets et al.
4、,2019,2019)l进一步研究证实，大鼠后肢CPG的吻侧神经元作用更为重要(Th11L2)。l理论上人类应该存在具有自激振荡特性的脊髓CPG神经网络,但由于不能在活体进行直观研究,故目前对脊髓CPG在控制人类步行中的作用,各家意见尚不一致解剖和电生理学特性l解剖学 中间神经元组成电生理学特性lCPG是耦合振荡系统,能在缺乏高层控制信号和外部反馈信息的情况下,产生稳定的振荡行为,通过神经元之间的相互抑制产生稳定的相位互锁,并通过自激振荡激发肢体的节律运动；l一旦与输入信号耦合后,可根据输入信号的波幅、频率以及多个信号之间的相位关系决定输出的运动模式。CPGCPG与与SCISCIlPUBMED
5、检索文章共45篇l以往对SCI治疗的基础研究都着眼于促进损伤部位神经轴突的再生,而最近对节律运动脊髓环路调节的进一步理解,使人们开始关注损伤部位以下未受损的神经环路能否实现某些功能的恢复,以试图找到一条促进SCI后功能恢复的新的治疗途径。临床应用l减重步行平板训练(body weight support treadmill training,BWSTT)1.完全性SCI患者下肢虽几乎没有自主运动,但却能测出与正常人行走时相似的肌电活动。2.完全脊髓损伤的cat，经过数周的BWSTT,能部分逆转SCI后神经递质和受体集中的改变,有助于保持损伤部位以下神经环路的完整性,既可促进下肢功能恢复,又可防
6、止神经元功能退变l脊髓电刺激l脊髓电刺激 概述 概念 历史和研究进展 研究手段 电生理学 基因调控电生理学细胞放电记录分离新生大鼠脊髓（C2-S1）,用NMDA及5-HT孵育，激活节律性活动，记录神经根放电活动，观察上下及左右交替的放电活动Effects of noradrenaline on locomotor rhythm-generating networks in the isolated neonatal rat spinal cord.Kiehn O,Sillar KT,Kjaerulff O,McDearmid JR.J Neurophysiol.2019 Aug;82(2):7
7、41-6.基因调控 细胞敲除或基因消融 特定细胞过表达白喉毒素，通过抑制蛋白合成，而使这种细胞在发育过程中死亡 电沉默技术 神经元过表达钾离子或氯离子通道，处于超极化状态，从而抑制放点活动 阻断突触释放 神经元过表达破伤风毒素轻链，抑制突触蛋白，从而抑制神经递质释放 光感基因调控技术Brown TG.On the nature of the fundamental activity of the nervous centres;together with an analysis of the conditioning of rhythmic ac-tivity in progression,a
8、nd a theory of the evolution of function in the nervous systemJ.J Physiol,1914,48:1846.Shik ML,Orlovsky GN,Severin FV.Organization of locomotor synergismJ.Biophysics,1966,11:10111019.Marder E,Bucher D.Central pattern generators and the control of rhythmic movementsJ.Curr Biol,2019,11:R986996.Wilson RJA,Chersa T,Whelan PJ.Tissue PO2and the effects of hypoxia on the generation of locomotor-like activity in the in vitro spinal cord of the neonatal mouseJ.Neuroscience,2019,117(1):183196Duysens J.Human gait as a step in evolutionJ.Brain,2019,125:25892590
