Сайт в стадии разработки [Старая версия сайта]
Самый цитируемый биологический институт РФ *
PDF Печать E-mail
Принадлежит к подразделению: Отдел математических методов в биологии
Руководитель: кандидат биологических наук, с.н.с., Павлова Галина Алексеевна

 

Группа была организована и возглавлялась академиком РАН И.М. Гельфандом с 1965 по -2009 г.г.

Управление ритмическими движениями у позвоночных и беспозвоночных животных явилось основным направлением исследований группы. Работы опирались на гипотезу Н.А. Бернштейна (1946, 1947), согласно которой для эффективного управления движением необходимо уменьшать избыточное число степеней свободы двигательного аппарата, и на идею И.М. Гельфанда и М.Л. Цетлина (1962) о многоуровневой системе управления, где каждая подсистема решает свои собственные задачи, получая лишь общие команды от вышестоящей.

В исследованиях участвовали следующие сотрудники НИИ ФХБ имени А.Н.  Белозерского МГУ и Института проблемы передачи информации РАН: Ю.И. Аршавский, Л.И. Анциферова, М.Б. Беркинблит, Н.Н. Будакова, Т.Г. Делягина, Г.Н. Орловский, Г.А. Павлова, Ю.В. Панчин, Л.Б. Попова, Ф.В. Северин, А.Г. Фельдман, О.И. Фуксон, М.Л. Шик, В.С. Якобсон.

Первые эксперименты (Шик, Северин, Орловский, 1966) проиллюстрировали правильность гипотезы. Так, у кошки в головном мозге была обнаружена «локомоторная область», электрическая стимуляция которой вызывала координированную ходьбу. Плавное увеличение силы стимула сопровождалось увеличением частоты шагов, рысью и галопом. Разработка препарата с управляемой локомоцией явилась началом новой эры в исследованиях управления ритмическими движениями у животных. Для выявления базовых принципов управления ритмическими движениями у кошки проводили исследование работы нервной системы и периферического двигательного аппарата не только во время локомоции, но и во время чесательного рефлекса, вызываемого тактильно, раздражением соответствующей «командной области».

При исследовании обоих движений было показано, что супраспинальные структуры, посылая тонические сигналы к подсистемам, нейронным генераторам, расположенным в спинном мозге, запускают их ритмическую активность. Нейронные генераторы обеспечивают строгую последовательность активации мышц конечности, совершающей стереотипные шаги или чесательные движения. Было показано также, что в управление ходьбой и чесанием вовлечены структуры головного мозга, передающие ритмические сигналы к спинному мозгу по нисходящим трактам [пирамидному (Sirota, Pavlova, Beloozerova, 2006), вестибулярному, ретикуло- и рубро-спинальному). Эти сигналы формируются благодаря импульсам, приходящим от спинного мозга в ядра и кору мозжечка и афферентным сигналам, например, вестибулярным. Если полномочия спинального генератора - определять чаще или реже, сильнее или слабее сокращаются ритмически работающие мышцы конечности, то корректирующие сигналы от прочих, периодически работающих и выше перечисленных структур, по-видимому, адаптируют стереотипные шаги к текущим задачам, например, к ходьбе по неровному или редактируют их до сложных балетных па.   

Нейронный генератор был локализован в поясничном сегменте спинного мозга кошки; и нейроны, участвующие в генерации ритма, систематизированы по их спайковой активности. Специальное исследование нейронных генераторов ритма было успешно продолжено у клиона, крылоногого моллюска, у которого относительно небольшое количество клеток в нервной системе значительно упрощало задачу. Показано, что устойчивая работа нейронных генераторов плавания и жевания клиона обеспечивается как свойствами нейронов, так и связями между ними.

После массовой иммиграция научных сотрудников в девяностых в группе остаются Г.А. Павлова, Ю.В. Панчин, Л.Б. Попова и Д.А. Воронов.

Логическим продолжением работ по управлению ритмическими движениями у животных явилось изучение локомоции брюхоногих моллюсков и ресничных червей, ползающих благодаря перистальтическим мышечным сокращениям (волнам) и/или активности ресничного эпителия.  У кошки и клиона фиксированная длина конечности и крыла определяется костным и, соответственно, гидростатическим скелетом, а локомоторный аппарат представлен скелетной мускулатурой. У брюхоногих моллюсков локомоторный аппарат представлен гладкой мускулатурой, и, как выяснилось (Павлова, 1990, 1994), длина локомоторного аппарата эпизодически меняется в широких пределах и прямо связана со скоростью локомоции.

Показано, что в управлении локомоцией у брюхоногого моллюска участвуют четыре нейротрансмиттера (Pavlova, 2001). Командный нейротрансмиттер серотонин запускает, а его пока неизвестный антагонист останавливает локомоцию. Баланс двух других антагонистических нейротрансмиттеров (дофамина и, по-видимому, педального пептида), оперативно управляя тонусом (длиной) продольных мышц локомоторного аппарата, меняет длину перистальтических локомоторных волн (шагов), управляя скоростью ползания моллюска. Предположение, согласно которому педальный пептид является универсальным нейротрансмиттером, регулирующим мышечную активность у моллюсков, подтвердилось (Pavlova, Willows, 2005). Иммуногистохимия показала, что нейроны, содержащие педальный пептид, обильно иннервируют не только ногу, но и щупальца, пищевод, сердце, кровеносные сосуды, слюнные железы, стенки гермафродитного протока. Ранее нами уже было показано, что этот пептид облегчает локомоцию и моторику пищевода.

Оказалось, что у моллюсков роль, аналогичную нейронному генератору ритма кошки и клиона, могут выполнять мышцы (Павлова, 2006), а выделенная в особый тип перемещения еще в 17 веке ресничная локомоция на 80 % может быть обеспечена мышечными сокращениями (Pavlova, 2010).

Данные, полученные на брюхоногих моллюсках, подтверждают концепцию Бернштейна, Гельфанда и Цетлина и могут иметь прикладное значение. Так как морфология локомоторного аппарата у брюхоногих моллюсков и внутренних органов и протоков у позвоночных, например, фаллопиевых труб, схожие, то уже сегодня можно перечислить функциональные (нерганические) нарушения, провоцирующие внематочную беременность.  

Обновлено 04.06.2012 14:30
Все статьи
  1. Panchin A.Y., Tuzhikov A.I., Panchin Y.V. (2014) Midichlorians - the biomeme hypothesis: is there a microbial component to religious rituals?. Biol. Direct, 9: . >>

  2. Pavlova G.A. (2014) Serotonin Does Not Enhance Locomotor Activity in the Great Pond Snail Lymnaea stagnalis in Winter. J. Evol. Biochem. Physiol., 50 (1): 88-90. >>

  3. Medvedeva S.A., Panchin A.Y., Alexeevski A.V., Spirin S.A., Panchin Y.V. (2013) Comparative Analysis of Context-Dependent Mutagenesis Using Human and Mouse Models. Biomed Res. Int., 2013: . >>

  4. Medvedeva S.A., Panchin A.Y., Alexeevski A.V., Spirin S.A., Panchin Y.V. (2013) Comparative Analysis of Context-Dependent Mutagenesis in Humans and Fruit Flies. Int. J. Genomics, 2013: . >>

  5. Panchin A.Y., Mitrofanov S.I., Alexeevski A.V., Spirin S.A., Panchin Y.V. (2011) New words in human mutagenesis. BMC Bioinformatics, 12: -.

  6. Gorbushin A.M., Panchin Y.V., Iakovleva N.V. (2010) In search of the origin of FREPs: Characterization of Aplysia californica fibrinogen-related proteins. Developmental and Comparative Immunology, 34 (4): 465-473.

  7. Pavlova G.A. (2010) Muscular waves contribute to gliding rate in the freshwater gastropod Lymnaea stagnalis. Journal of Comparative Physiology A-Neuroethology Sensory Neural and Behavioral Physiology, 196 (4): 241-248.

  8. Mikhailov K.V., Konstantinova A.V., Nikitin M.A., Troshin P.V., Rusin L.Y., Lyubetsky V.A., Panchin Y.V., Mylnikov A.P., Moroz L.L., Kumar S., Aleoshin V.V. (2009) The origin of Metazoa: a transition from temporal to spatial cell differentiation. Bioessays, 31 (7): 758-768.

  9. Meleshkevitch E.A., Robinson M., Popova L.B., Miller M.M., Harvey W.R., Boudko D.Y. (2009) Cloning and functional expression of the first eukaryotic Na(+)-tryptophan symporter, AgNAT6. Journal of Experimental Biology, 212 (10): 1559-1567.

  10. Miller M.M., Popova L.B., Meleshkevitch E.A., Tran P.V., Boudko D.Y. (2008) The invertebrate B-0 system transporter, D-melanogaster NAT1, has unique D-amino acid affinity and mediates gut and brain functions. Insect Biochemistry and Molecular Biology, 38 (10): 923-931.

  11. Panchin Y.V. (2007) Gap junction proteins evolution. Neuron Glia Biology, 2: S24-S25.

  12. Meleshkevitch E.A., Ssis-nascimento P., Popova L.B., Miller M.M., Kohn A.B., Phung E.N., Mandal A., Harvey W.R., Boudko D.Y. (2006) Molecular characterization of the first aromatic nutrient transporter from the sodium neurotransmitter symporter family. Journal of Experimental Biology, 209 (16): 3183-3198.

  13. Sirota M.G., Pavlova G.A., Beloozerova I.N. (2006) Activity of the motor cortex during scratching. Journal of Neurophysiology, 95 (2): 753-765.

  14. Pavlova G.A., Willows A.O.D. (2005) Immunological localization of Tritonia peptide in the central and peripheral nervous system of the terrestrial snail Helix aspersa. Journal of Comparative Neurology, 491 (1): 15-26.

  15. Panchin Y.V. (2005) Evolution of gap junction proteins - the pannexin alternative. Journal of Experimental Biology, 208 (8): 1415-1419.

  16. Pavlova E.L., Popova L.B., Orlovsky G.N., Deliagina T.G. (2004) Vestibular compensation in lampreys: restoration of symmetry in reticulospinal commands. Journal of Experimental Biology, 207 (26): 4595-4603.

  17. Beloozerova I.N., Zelenin P.V., Popova L.B., Orlovsky G.N., Grillner S., Deliagina T.G. (2003) Postural control in the rabbit maintaining balance on the tilting platform. Journal of Neurophysiology, 90 (6): 3783-3793.

  18. Beloozerova I.N., Sirota M.G., Swadlow H.A., Orlovsky G.N., Popova L.B., Deliagina T.G. (2003) Activity of different classes of neurons of the motor cortex during postural corrections. Journal of Neuroscience, 23 (21): 7844-7853.

  19. Ivanov D.V., Tyazhelova T.V., Lemonnier L., Kononenko N., Pestova A.A., Nikitin E.A., Prevarskaya N., Skryma R., Panchin Y.V., Yankovsky N.K., Baranova A.V. (2003) A new human gene KCNRG encoding potassium channel regulating protein is a cancer suppressor gene candidate located in 13q14.3. FEBS Letters, 539 (1): 156-160.

  20. Sadreyev R.I., Panchin Y.V. (2002) Effects of glutamate agonists on the isolated neurons from the locomotor network of the mollusc Clione limacina. Neuroreport, 13 (17): 2235-2239.

  21. Kelmanson I.V., Shagin D.A., Usman N., Matz M.V., Lukyanov S.A., Panchin Y.V. (2002) Altering electrical connections in the nervous system of the pteropod mollusc Clione limacina by neuronal injections of gap junction mRNA. European Journal of Neuroscience, 16 (12): 2475-2476.

  22. Kozlov A.K., Aurell E., Orlovsky G.N., Deliagina T.G., Zelenin P.V., Hellgren-kotaleski J., Grillner S. (2001) Modeling postural control in the lamprey. Biological Cybernetics, 84 (5): 323-330.

  23. Pavlova G.A. (2001) Effects of serotonin, dopamine and ergometrine on locomotion in the pulmonate mollusc Helix lucorum. Journal of Experimental Biology, 204 (9): 1625-1633.

  24. Gorbushin A.M., Levakin I.A., Panchina N.A., Panchin Y.V. (2001) Hydrobia ulvae (Gastropoda : Prosobranchia): A new model for regeneration studies. Journal of Experimental Biology, 204 (2): 283-289.

  25. Zelenin P.V., Deliagina T.G., Grillner S., Orlovsky G.N. (2000) Postural control in the lamprey: A study with a neuro-mechanical model. Journal of Neurophysiology, 84 (6): 2880-2887.

  26. Deliagina T.G., Orlovsky G.N., Selverston A.I., Arshavsky Y.I. (2000) Asymmetrical effect of GABA on the postural orientation in Clione. Journal of Neurophysiology, 84 (3): 1673-1676.

  27. Fagerstedt P., Zelenin P.V., Deliagina T.G., Orlovsky G.N., Grillner S. (2000) Crossed reciprocal inhibition evoked by electrical stimulation of the lamprey spinal cord. Experimental Brain Research, 134 (2): 147-154.

  28. Kozlov A.K., Aurell E., Orlovsky G.N., Deliagina T.G., Zelenin P.V., Kotaleski J.H., Grillner S. (2000) Modeling control of roll-plane body orientation in lamprey. Neurocomputing, 32: 871-877.

  29. Sadreyev R.I., Panchin Y.V. (2000) The role of putative glutamatergic neurons and their connections in the locomotor central pattern generator of the mollusk, Clione limacina. Comparative Biochemistry and Physiology A-Molecular and Integrative Physiology, 126 (2): 193-202.

  30. Deliagina T.G., Zelenin P.V., Fagerstedt P., Grillner S., Orlovsky G.N. (2000) Activity of reticulospinal neurons during locomotion in the freely behaving Lamprey. Journal of Neurophysiology, 83 (2): 853-863.

More articles