Los gatos siempre caen de pie, pero ¿qué los hace tan ágiles? Su sentido único del equilibrio tiene más en común con los humanos de lo que parece. Investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia están estudiando la locomoción de los gatos para comprender mejor cómo funciona la médula espinal para ayudar a los humanos con daños parciales en la médula espinal a caminar y mantener el equilibrio.
Usando una combinación de estudios experimentales y modelos computacionales, los investigadores muestran que la retroalimentación somatosensorial, o señales neuronales de sensores especializados en todo el cuerpo de un gato, ayudan a informar a la médula espinal sobre el movimiento en curso y coordinan las cuatro extremidades para evitar que los gatos se caigan cuando se encuentran obstáculos La investigación sugiere que con esas señales sensoriales relacionadas con el movimiento, el animal puede caminar incluso si la conexión entre la médula espinal y el cerebro está parcialmente fracturada.
Comprender los mecanismos de este tipo de control del equilibrio es particularmente relevante para las personas mayores que a menudo tienen problemas de equilibrio y pueden lesionarse en las caídas. Eventualmente, los investigadores esperan que esto pueda traer una nueva comprensión del papel de la retroalimentación somatosensorial en el control del equilibrio. También podría conducir al progreso en el tratamiento de lesiones de la médula espinal porque la investigación sugiere que la activación de las neuronas somatosensoriales puede mejorar la función de las redes neuronales espinales debajo del sitio del daño de la médula espinal.
“Nos hemos interesado en los mecanismos que hacen posible la reactivación de redes lesionadas en la médula espinal”, dijo el profesor de la Facultad de Ciencias Biológicas, Boris Prilutsky. «Sabemos por estudios anteriores que la retroalimentación somatosensorial de las piernas en movimiento ayuda a activar las redes espinales que controlan la locomoción, lo que permite un movimiento estable».
Gatos coordinados
Aunque los modelos de ratones modificados genéticamente se han convertido recientemente en dominantes en la investigación del control neural de la locomoción, el modelo del gato ofrece una ventaja importante. Cuando se mueven, los ratones permanecen agachados, lo que significa que es menos probable que tengan problemas de equilibrio incluso si falla la retroalimentación somatosensorial. Los humanos y los gatos, por otro lado, no pueden mantener el equilibrio o incluso moverse si pierden la información sensorial sobre el movimiento de las extremidades. Esto sugiere que las especies más grandes, como los gatos y los humanos, podrían tener una organización diferente de la locomoción que controla la red neuronal espinal en comparación con los roedores.
Georgia Tech se asoció con investigadores de la Universidad de Sherbrooke en Canadá y la Universidad de Drexel en Filadelfia para comprender mejor cómo las señales de las neuronas sensoriales coordinan los movimientos de las cuatro patas. El laboratorio de Sherbrooke entrenó a los gatos para que caminaran en una cinta rodante a un ritmo consistente con el paso humano y luego usó electrodos para estimular su nervio sensorial.
Los investigadores se centraron en el nervio sensorial que transmite la sensación del tacto desde la parte superior del pie hasta la médula espinal. Al estimular eléctricamente este nervio, los investigadores simularon golpear un obstáculo y vieron cómo los gatos tropezaban y corregían su movimiento en respuesta. Los estímulos se aplicaron en cuatro períodos del ciclo de caminata: posición intermedia, transición de posición a balanceo, mitad de balanceo y transición de balanceo a posición. A partir de esto, aprendieron que el balanceo medio y la transición de la postura al balanceo eran los períodos más importantes porque la estimulación aumentaba la actividad en los músculos que flexionan las articulaciones de la rodilla y la cadera, la flexión de las articulaciones y la altura de los dedos de los pies, la longitud del paso y la duración del paso de la extremidad estimulada.
«Para mantener el equilibrio, el animal debe coordinar el movimiento de las otras tres extremidades, de lo contrario se caería», dijo Prilutsky. «Descubrimos que la estimulación de este nervio durante la fase de balanceo aumenta la duración de la fase de apoyo de las otras extremidades y mejora la estabilidad».
En efecto, cuando el gato tropieza durante la fase de balanceo, la sensación desencadena reflejos espinales que aseguran que las otras tres extremidades permanezcan en el suelo y mantengan al gato erguido y equilibrado, mientras que la extremidad oscilante pasa por encima del obstáculo.
Gatos computacionales
Con estos experimentos de laboratorio canadienses, los investigadores de Georgia Tech y la Universidad de Drexel están utilizando observaciones para desarrollar un modelo computacional de los sistemas de control neural musculoesquelético y espinal del gato. Los datos recopilados se utilizan para calcular señales somatosensoriales relacionadas con la longitud, la velocidad y la fuerza producida por los músculos, así como la presión sobre la piel en todas las extremidades. Esta información forma sensaciones de movimiento en la médula espinal del animal y contribuye a la coordinación entre miembros por las redes neuronales espinales.
«Para ayudar a tratar cualquier enfermedad, necesitamos entender cómo funciona el sistema intacto», dijo Prilutsky. «Esa fue una de las razones por las que se realizó este estudio, para que pudiéramos entender cómo las redes espinales coordinan los movimientos de las extremidades y desarrollar un modelo computacional realista del control espinal de la locomoción. Esto nos ayudará a saber mejor cómo la médula espinal controla la locomoción».
