Come il nostro sistema nervoso controlla il movimento

La locomozione, o la capacità di muoversi da un luogo all'altro, coinvolge un'interazione complessa tra il nostro sistema nervoso e i muscoli. I movimenti del corpo sono controllati da una rete di neuroni nel midollo spinale, che creano un ritmo di base per camminare. Questo ritmo è regolato da tre componenti neurali chiave: la rete spinale, i segnali provenienti da aree superiori del cervello e il Feedback sensoriale dalle nostre estremità.

#La Rete Spinale

Al centro della locomozione c'è la rete spinale. Questa rete contiene circuiti noti come generatori di pattern centrali (CPGs), che producono il modello di camminata di base. Questi circuiti controllano l'alternanza dei gruppi muscolari nelle nostre estremità: quando un gruppo si contrae, un altro si rilassa. Questa alternanza è fondamentale per camminare, poiché garantisce che le nostre gambe si muovano in modo coordinato.

La rete spinale coordina anche le attività tra gli arti sinistro e destro, permettendo un movimento fluido e bilanciato. Anche se i circuiti spinali generano il ritmo fondamentale per camminare, non agiscono da soli. I segnali dal cervello aiutano ad avviare e fermare il movimento, mentre il feedback dagli arti aiuta ad aggiustare quel movimento in base all'ambiente esterno.

#Segnali cerebrali e Feedback Sensoriale

Le strutture cerebrali superiori giocano un ruolo essenziale nella locomozione inviando segnali che avviano e fermano il movimento. Ci permettono anche di controllare i nostri movimenti in modo consapevole. Ad esempio, quando decidiamo di camminare più veloce o più lento, il cervello invia ordini ai circuiti spinali per regolare il ritmo di conseguenza.

Oltre ai segnali cerebrali, il nostro corpo si affida al feedback sensoriale dai muscoli, dalle articolazioni e dalla pelle. Questo feedback informa la rete spinale sulla posizione e il movimento delle nostre estremità. Aiuta il corpo ad adattare i suoi movimenti in base alla superficie su cui camminiamo o a eventuali ostacoli sul nostro cammino.

#Cosa Dobbiamo Ancora Imparare

Anche se sappiamo che la rete spinale produce i modelli di movimento di base, molte domande rimangono. Non comprendiamo ancora del tutto come questi circuiti spinali lavorino insieme ai segnali cerebrali e al feedback sensoriale per creare diversi tipi di movimento a varie velocità.

#Il Ciclo del Passo nella Camminata

Quando camminiamo, ogni gamba attraversa un ciclo di passo che include due fasi principali: la fase di oscillazione e la fase di stazione. Durante la fase di oscillazione, la gamba si muove in avanti, mentre durante la fase di stazione, il piede è a terra. I circuiti spinali giocano un ruolo importante nel determinare quanto durano queste fasi.

Le ricerche mostrano che man mano che aumenta la velocità di camminata, la durata della fase di stazione si accorcia mentre la fase di oscillazione rimane per lo più costante. Questo schema è coerente sia negli animali normali che in quelli con lesioni spinali, anche se questi ultimi fanno affidamento solo sul feedback degli arti poiché mancano del controllo cerebrale superiore. Gli animali normali possono regolare la loro velocità di camminata utilizzando segnali dal cervello, mentre gli animali con lesioni spinali possono solo rispondere al feedback sensoriale dai loro arti.

#Ricerca Sperimentale

Per comprendere meglio questi processi, i ricercatori hanno studiato come si muovono i gatti sui tapis roulant in diverse condizioni. In questi studi, sia gatti intatti (normali) che quelli con lesioni spinali camminavano su tapis roulant con cinghie che potevano muoversi a diverse velocità.

I ricercatori hanno osservato che a velocità più basse, i gatti intatti non riuscivano a mantenere una camminata costante, mentre i gatti con lesioni spinali potevano camminare in modo costante, anche a velocità molto lente. Questa differenza indica quanto il nostro cervello influisca sui nostri schemi di camminata.

#Costruire un Modello Computazionale

Per indagare ulteriormente su come i circuiti spinali controllano la locomozione, gli scienziati hanno sviluppato un modello computazionale. Questo modello simula come i circuiti spinali funzionano sotto l'influenza dei segnali cerebrali e del feedback sensoriale.

Il modello si basa sull'idea che i circuiti spinali possano generare in modo indipendente modelli di camminata ritmica senza bisogno di input esterni costanti. Propone che i circuiti spinali consistano in unità generatrici di ritmo che lavorano insieme ma possono anche agire in modo indipendente.

#La Struttura del Modello

Il modello include due unità generatrici di ritmo per gli arti posteriori sinistro e destro. Queste unità controllano i movimenti delle gambe e comunicano attraverso una serie di connessioni che sincronizzano le loro attività. Le unità rispondono sia ai segnali cerebrali che al feedback dagli arti durante la camminata.

Ogni unità generatrice di ritmo consiste in due parti che si inibiscono a vicenda. Questa inibizione reciproca crea un ritmo alternato necessario per camminare. Il modello consente anche diversi modi operativi, il che significa che a seconda delle condizioni, queste unità possono passare tra vari modi di generare movimento.

#Osservazioni Chiave dal Modello

Simulando la camminata, il modello riflette il comportamento osservato nei gatti. Mostra che a velocità lente, la necessità di segnali esterni dal cervello aumenta, poiché i circuiti spinali da soli non possono mantenere un movimento costante. Man mano che la velocità aumenta, la rete spinale diventa più autosufficiente e può generare schemi di movimento senza affidarsi solo ai segnali cerebrali.

#L'Impatto della Velocità

Il modello dimostra anche come la durata delle diverse fasi della camminata cambi con la velocità. Ad esempio, man mano che la velocità aumenta, il tempo trascorso nella fase di stazione diminuisce, mentre la durata della fase di oscillazione rimane costante. Questa tendenza è vera sia per i gatti intatti che per quelli con lesioni spinali, mostrando la capacità dei circuiti spinali di adattarsi a condizioni in cambiamento.

#Il Ruolo del Feedback Sensoriale

Il feedback sensoriale gioca un ruolo fondamentale nella camminata. Il feedback dagli arti informa la rete spinale sulla posizione e sui movimenti necessari per regolare la camminata come necessario. Nel modello, sono stati incorporati diversi tipi di feedback per simulare come il corpo risponde durante la camminata.

Un tipo di feedback riguarda i segnali dai muscoli flessori, che aiutano a passare dalla fase di stazione alla fase di oscillazione. Un altro tipo di feedback rinforza l'attività estensoria, consentendo un maggiore supporto durante la stazione. In presenza di lesioni spinali, il corpo si affida maggiormente a questo feedback per controllare il movimento poiché manca l'input cerebrale superiore.

#Le Interazioni tra i Sistemi

Comprendere come la rete spinale interagisca con il feedback sensoriale e i segnali cerebrali è cruciale per afferrare come funziona la locomozione. Il modello mostra che il feedback sensoriale può essere soppressato dai segnali cerebrali, il che significa che a velocità più elevate, la necessità di feedback diminuisce e i circuiti spinali possono prendere il controllo del movimento.

#Implicazioni per il Recupero dopo un'Ingiuria

Le intuizioni ottenute da questa ricerca hanno implicazioni per la riabilitazione dopo lesioni al midollo spinale. Spesso, le persone con tali lesioni faticano a riconquistare il movimento, soprattutto a basse velocità. In questi casi, i circuiti spinali dipendono molto dal feedback sensoriale e dall'input esterno per il controllo del movimento.

#Direzioni per la Ricerca Futura

In futuro, i ricercatori puntano a costruire su questo modello incorporando elementi biomeccanici che simulino movimenti degli arti più complessi. Questo aiuterà a comprendere come la rete spinale controlli la locomozione in varie condizioni, inclusa la ripresa dopo un infortunio.

#Riepilogo

La locomozione è un processo affascinante che coinvolge interazioni intricate tra circuiti spinali, segnali cerebrali e feedback sensoriale. Anche se molto è stato appreso, c'è ancora un bel po' da capire riguardo a come questi sistemi lavorino insieme per consentire un movimento fluido e coordinato. Lo sviluppo di modelli computazionali offre preziose intuizioni e potrebbe aprire la strada a progressi nelle strategie di riabilitazione per le persone con disturbi del movimento.