人間の脊髄損傷治療を改善できる「猫の運動モデル」

研究チームは、脊髄の損傷したネットワークを再活性化させることが可能な猫の運動能力モデルを見出しました。

Cats always land on their feet, but what makes them so agile? Their unique sense of balance has more in common with humans than it may appear.

参照元：https://research.gatech.edu/cat-locomotion-could-unlock-better-human-spinal-cord-injury-treatment
– ジョージア工科大学 Georgia Institute of Technology. JAN 09, 2023 –

猫は常に自分の足で着地しますが、何が彼らをそんなに機敏にするのでしょうか？

その独特のバランス感覚は、見た目以上に人間との共通点が多いです。

ジョージア工科大学の研究者たちは、脊髄の一部が損傷した人間の歩行やバランス維持に役立つ脊髄の働きをよりよく理解するために、猫の運動機能を研究しています。

研究者らは、実験的研究と計算機モデルを組み合わせて、体性感覚フィードバック、すなわち猫の体全体にある特殊なセンサーからの神経信号が、進行中の運動について脊髄に知らせ、猫が障害物に遭遇したときに転ばないように四肢を調整するのに役立つことを明らかにしました。

研究によれば、脊髄と脳の接続部分が部分的に骨折していても、そうした運動に関連した感覚信号があれば、動物は歩くことができるそうです。

このようなバランス制御のメカニズムを理解することは、バランスに問題があり、転倒して怪我をすることがよくある高齢者に特に関係があります。

最終的には、バランス制御における体性感覚フィードバックの役割に新たな理解をもたらすことができればと、研究者らは考えています。

また、体性感覚ニューロンの活性化により、脊髄損傷部位より下の脊髄神経ネットワークの機能を改善できることが示唆されたため、脊髄損傷治療の進歩につながる可能性もあります。

生物科学部のボリス・プリルーツキー教授は話します。

プリルーツキー教授：我々は、脊髄の損傷したネットワークを再活性化させることが可能なメカニズムに興味を持っています。我々は、これまでの研究から、動いている脚からの体性感覚フィードバックが、運動量を制御する脊髄ネットワークの活性化を助け、安定した運動を可能にすることを知っています。

協調性のある猫

近年、運動神経制御の研究では遺伝子改変マウスが主流となっているが、ネコのモデルには重要な利点があります。

マウスは動くときしゃがんだままなので、体性感覚フィードバックがうまく働かない場合でも、バランスに問題が生じる可能性が低いのです。

一方、ヒトやネコは、四肢の運動に関する感覚情報が失われると、バランスを保つことができなくなり、動くことさえできなくなります。

このことから、ネコやヒトのような大型種は、運動量を制御する脊髄神経ネットワークの構成が、げっ歯類とは異なっている可能性が示唆されました。

ジョージア工科大学は、カナダのシェルブルック大学およびフィラデルフィアのドレクセル大学の研究者と共同で、感覚神経からの信号がどのように四肢の動きを調整するのかをよりよく理解するために研究を行いました。

シャーブルック大学の研究室では、人間の歩行と同じペースでトレッドミルの上を歩くように猫を訓練し、電極を使って猫の感覚神経を刺激しました。

研究者らは、足の甲から脊髄に触覚を伝える感覚神経に注目しました。

この神経を電気的に刺激することで、障害物にぶつかったように見せ、猫がどのようにつまずき、それに応じて動きを修正するかを観察しました。

刺激は、歩行周期のうち、立脚中期、立脚から遊脚への移行期、遊脚中期、遊脚から立脚への移行期の4つの時期に与えました。

その結果、ミッドスウィングとスタンスからスウィングへの移行期が最も重要であり、刺激によって刺激された肢の膝関節や股関節を曲げる筋肉の活動、関節屈曲やつま先の高さ、歩幅、歩容が増加することが分かりました。

プリルーツキー教授：バランスを保つために、動物は他の3つの手足の動きを調整しなければならず、そうしなければ倒れてしまいます。我々は、遊脚相の間にこの神経を刺激すると、他の四肢の立脚相の持続時間が長くなり、安定性が向上することを発見しました。

事実上、猫が遊脚相の間につまずくと、その感覚が脊髄反射を引き起こして、他の3本の手足が地面にとどまり、猫を直立させてバランスを保ち、遊脚が障害物を踏み越えるようにするのです。

計算された猫

ジョージア工科大学とドレクセル大学の研究者たちは、こうしたカナダの実験室での観察結果をもとに、猫の筋骨格系と脊髄神経制御系の計算モデルを構築しています。

集められたデータは、筋肉の長さ、速度、生み出す力、四肢の皮膚にかかる圧力に関連する体性感覚信号を計算するために使用されまし。

この情報は、動物の脊髄で運動感覚を形成し、脊髄神経ネットワークによる四肢間の協調に寄与します。

プリルーツキー教授：どんな病気でも、その治療に役立てるためには、無傷のシステムの仕組みを理解する必要があります。この研究が行われた理由のひとつは、脊髄ネットワークがどのように手足の動きを調整するのかを理解し、運動制御に関する脊髄の現実的な計算モデルを開発できるようにするためです。これは、脊髄がどのように運動量を制御しているのかをより良く知るのに役立ちます。