Intrinsic spinal cord circuits compare sensory inputs and efference copies to correct for perturbations to ongoing movement

في كل مرة تمشي فيها، يرسل دماغك أمراً إلى ساقيك للتحرك. لكن العالم نادراً ما يكون قابلاً للتنبؤ بشكل مثالي؛ فقد تتحرك صخرة تحت قدمك، أو قد تتعثر بأصابع قدمك جذور شجرة. لكي تحافظ على توازنك، يجب على جهازك العصبي أن يقارن فوراً بين ما كنت تنوي فعله وما حدث بالفعل. إذا اصطدمت قدمك بعائق، يحتاج جسمك إلى تصحيح مساره في جزء من الثانية، قبل وقت طويل من تمكن دماغك من معالجة التعثر بوعي. يعتمد هذا التعديل الخاطف على طبقة خفية من المعالجة في أعماق الحبل الشوكي، وهي دائرة محلية تعمل كحكم سريع الاستجابة بين أمر الحركة والواقع الحسي للأرض.

لعقود من الزمن، فهم العلماء أن الدماغ يستخدم "نسخة" من أوامره الحركية الخاصة للتنبؤ بالتغذية الراجعة الحسية التي سيتلقاها. يسمح هذا التنبؤ الداخلي للدماغ بتجاهل الضجيج الناتج عن حركاته الخاصة والتركيز على التغييرات غير المتوقعة. ومع ذلك، كان يُعتقد أن الحبل الشوكي، الذي يتحكم في الأنماط الإيقاعية للمشي، أبسط من أن يقوم بمثل هذه المقارنة المعقدة؛ حيث كان يُفترض أن الحبل الشوكي مجرد منفذ للأوامر الصادرة من الدماغ ومستجيب للانعكاسات البسيطة، تاركاً العمل المتطور لتصحيح الأخطاء للمراكز العليا في الدماغ. وتتحدى دراسة جديدة هذا الرأي، حيث كشفت أن الحبل الشوكي يحتوي على دوائر متخصصة قادرة على مقارنة الأوامر الحركية بالتغذية الراجعة الحسية لإجراء تصحيحات فورية.

ركز الباحثون على مجموعة محددة من الخلايا العصبية في الحبل الشوكي تسمى عصبونات dI3. تقع هذه الخلايا في الطبقات الوسطى من الحبل الشوكي، وهي منطقة تتلاقى فيها الإشارات من أجزاء مختلفة من الجسم. وباستخدام أدوات جينية متطورة في الفئران، رسم الفريق خرائط لترابط هذه العصبونات بدقة متناهية. واكتشفوا أن عصبونات dI3 مهيأة تماماً للعمل كأداة للمقارنة؛ فمن جهة، تستقبل معلومات حسية مباشرة من الجلد والعضلات، تخبرها بالضبط بمكان القدم وما تلمسه. ومن جهة أخرى، تستقبل "صورة سلبية" للأمر الحركي. تأتي هذه الإشارة من خلايا رينشو (Renshaw cells)، وهي نوع من العصبونات المثبطة التي يتم تنشيطها بواسطة العصبونات الحركية نفسها. فعندما تطلق العصبونات الحركية إشارة لتحريك عضلة، فإنها ترسل في الوقت نفسه إشارة إلى خلية رينشو، والتي تخبر بدورها عصبون dI3: "لقد أمرنا العضلة للتو بالتحرك".

يسمح هذا الإعداد لعصبون dI3 بإجراء عملية حسابية في الوقت الفعلي؛ فهو يعرف ما ينبغي للجسم أن يشعر به بناءً على الأمر الحركي، ويعرف ما يشعر به الجسم بالفعل بناءً على المدخلات الحسية. إذا اصطدمت القدم بعائق، ستكون الإشارة الحسية أقوى أو مختلفة عن التنبؤ. يكتشف عصبون dI3 هذا التباين فوراً. وقد أظهرت الدراسة أن هذه العصبونات ليست مجرد مستقبلات سلبية، بل هي ترسل إشارات نشطة إلى العصبونات الحركية التي تتحكم في عضلات الساق، وتحديداً تلك التي ترفع القدم. وعندما قلل الباحثون من نشاط عصبونات dI3 هذه، فقدت الفئران قدرتها على تصحيح خطواتها بسرعة؛ فعند المشي على سلم ذي درجات غير مستوية أو عارضة مهتزة، تعثرت الفئران التي تم إسكات عصبونات dI3 لديها بمعدل أكبر بكثير من الفئران الطبيعية.

كما اختبر الفريق دور خلايا رينشو باستخدام عقار لحظر التواصل بين العصبونات الحركية وخلايا رينشو. وكان لهذا الاضطراب نفس تأثير إسكات عصبونات dI3: حيث لم تعد الفئران قادرة على إجراء التعديلات السريعة اللازمة لتجاوز العوائق. وقد أكد هذا أن "النسخة" من الأمر الحركي التي توفرها خلايا رينشو ضرورية لعمل عصبونات dI3 بشكل صحيح. فبدون هذا التنبؤ الداخلي، لا يستطيع الحبل الشوكي التمييز بين الإحساس المتوقع بحركة القدم في الهواء والإحساس غير المتوقع بالاصطدام بصخرة. والنتيجة هي الفشل في تصحيح الحركة في الوقت المناسب.

تشير هذه النتائج إلى أن الحبل الشوكي أكثر ذكاءً مما كان يُعتقد سابقاً؛ فهو لا يكتفي بمجرد الاستجابة للعالم، بل يتوقعه أيضاً. فمن خلال دمج نسخة من الأمر الحركي مع البيانات الحسية المباشرة، تخلق عصبونات dI3 نظاماً محلياً لتصحيح الأخطاء يعمل في غضات من الثانية. هذه الآلية حيوية للبقاء، حيث تسمح للحيوانات بالتنقل في التضاريس المعقدة دون السقوط. ولا تدعي الدراسة أن الدماغ غير مهم؛ فالدماغ لا يزال هو من يخطط للحركة ويتعلم من الأخطاء بمرور الوقت. ومع ذلك، بالنسبة للتصحيحات الفورية الخاطفة التي تمنع السقوط، يمتلك الحبل الشوكي دوائره المخصصة. ويكشف هذا الاكتشاف أن القدرة على التكيف مع ما هو غير متوقع مبنية في صلب نظامنا العصبي، وتحديداً حيث تلتقي الأعصاب بالعضلات.