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Os gatos sempre caem de pé, mas o que os torna tão ágeis? Seu senso único de equilíbrio tem mais em comum com os humanos do que pode parecer. Pesquisadores do Georgia Institute of Technology estão estudando a locomoção do gato para entender melhor como a medula espinhal funciona para ajudar os humanos com danos parciais na medula espinhal a andar e manter o equilíbrio.
Usando uma mistura de estudos experimentais e modelos computacionais, os pesquisadores mostram que o feedback somatossensorial, ou sinais neurais de sensores especializados em todo o corpo de um gato, ajudam a informar a medula espinhal sobre o movimento em andamento e coordenam os quatro membros para evitar que os gatos caiam quando se deparam. obstáculos. A pesquisa sugere que, com esses sinais sensoriais relacionados ao movimento, o animal pode andar mesmo que a conexão entre a medula espinhal e o cérebro esteja parcialmente fraturada.
Compreender os mecanismos desse tipo de controle de equilíbrio é particularmente relevante para pessoas idosas que frequentemente têm problemas de equilíbrio e podem se machucar em quedas. Eventualmente, os pesquisadores esperam que isso possa trazer uma nova compreensão do papel do feedback somatossensorial no controle do equilíbrio. Também pode levar ao progresso no tratamento de lesões na medula espinhal porque a pesquisa sugere que a ativação de neurônios somatossensoriais pode melhorar a função das redes neurais espinhais abaixo do local do dano à medula espinhal.
“Estamos interessados nos mecanismos que tornam possível reativar as redes lesadas na medula espinhal”, disse o professor da Escola de Ciências Biológicas Boris Prilutsky. “Sabemos de estudos anteriores que o feedback somatossensorial das pernas em movimento ajuda a ativar as redes espinhais que controlam a locomoção, permitindo um movimento estável”.
gatos coordenados
Embora modelos de camundongos geneticamente modificados tenham recentemente se tornado dominantes no controle neural da pesquisa de locomoção, o modelo de gato oferece uma vantagem importante. Quando se movem, os camundongos permanecem agachados, o que significa que são menos propensos a ter problemas de equilíbrio, mesmo que o feedback somatossensorial falhe. Humanos e gatos, por outro lado, não conseguem manter o equilíbrio ou mesmo se mover se perderem informações sensoriais sobre o movimento dos membros. Isso sugere que espécies maiores, como gatos e humanos, podem ter uma organização diferente da rede neural espinhal que controla a locomoção em comparação com os roedores.
A Georgia Tech fez parceria com pesquisadores da University of Sherbrooke, no Canadá, e da Drexel University, na Filadélfia, para entender melhor como os sinais dos neurônios sensoriais coordenam os movimentos das quatro pernas. O laboratório de Sherbrooke treinou gatos para andar em uma esteira em um ritmo consistente com a marcha humana e, em seguida, usou eletrodos para estimular seus nervos sensoriais.
Os pesquisadores se concentraram no nervo sensorial que transmite a sensação de toque da parte superior do pé até a medula espinhal. Ao estimular eletricamente esse nervo, os pesquisadores simularam bater em um obstáculo e viram como os gatos tropeçavam e corrigiam seus movimentos em resposta. Os estímulos foram aplicados em quatro períodos do ciclo da caminhada: meio-apoio, transição apoio-balanço, meio-balanço e transição balanço-apoio. A partir disso, eles aprenderam que o meio do balanço e a transição da postura para o balanço eram os períodos mais significativos porque a estimulação aumentava a atividade nos músculos que flexionam as articulações do joelho e do quadril, flexão articular e altura do dedo do pé, comprimento do passo e duração do passo de o membro estimulado.
“Para manter o equilíbrio, o animal deve coordenar o movimento dos outros três membros, caso contrário cairia”, disse Prilutsky. “Descobrimos que a estimulação desse nervo durante a fase de balanço aumenta a duração da fase de apoio dos outros membros e melhora a estabilidade”.
Com efeito, quando o gato tropeça durante a fase de balanço, a sensação desencadeia reflexos espinhais que garantem que os outros três membros permaneçam no chão e mantenham o gato ereto e equilibrado, enquanto o membro do balanço passa por cima do obstáculo.
gatos computacionais
Com esses experimentos de laboratório canadenses, os pesquisadores da Georgia Tech e da Drexel University estão usando observações para desenvolver um modelo computacional dos sistemas de controle neural espinhal e musculoesquelético do gato. Os dados coletados são usados para calcular os sinais somatossensoriais relacionados ao comprimento, velocidade e força produzida dos músculos, bem como a pressão na pele em todos os membros. Esta informação forma sensações de movimento na medula espinhal do animal e contribui para a coordenação entre os membros pelas redes neuronais espinhais.
“Para ajudar a tratar qualquer doença, precisamos entender como funciona o sistema intacto”, disse Prilutsky. “Essa foi uma das razões pelas quais este estudo foi realizado, para que pudéssemos entender como as redes espinhais coordenam os movimentos dos membros e desenvolver um modelo computacional realista de controle espinhal da locomoção. Isso nos ajudará a saber melhor como a medula espinhal controla a locomoção.”
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