¿Se cumple el principio de Henneman durante la acción excéntrica?

Quisiera aportar un poco de historia de la neurofisiología... traducido desde el propio Journal of Neurophysiology.

En 1957, Elwood Henneman (Fig.1) publicó un breve informe en Science que demostraba que los axones motores flexores individuales registrados extracelularmente en un filamento de la raíz ventral se reclutaban en orden de altura de pico como la intensidad de la estimulación eléctrica del nervio ciático ipsilateral. se incrementó. Además, los axones individuales dejaron de disparar en el orden inverso en el que fueron reclutados después del estímulo, es decir, primero reclutados, último desreclutados. Este hallazgo basado en el registro de axones extracelulares, donde el tamaño del axón es proporcional a la altura del pico, se generalizó para inferir que la susceptibilidad a la descarga refleja está determinada por el tamaño de la neurona, que previamente se demostró que es proporcional al tamaño del axón. Además, se planteó la hipótesis de que esta regla podría aplicarse de manera ubicua en el sistema nervioso porque las propiedades de todas las células nerviosas parecían ser en ese momento, como afirma Henneman, "notablemente parecidas".

En 1965, Henneman y sus colegas publicaron cinco artículos en el Journal of Neurophysiology que proporcionaban una descripción detallada de las propiedades de las unidades motoras, las propiedades de reclutamiento de neuronas motoras y cómo las relaciones entre estos dos conjuntos de propiedades podrían resumirse en términos de un principio unificador que él llamado el "principio de tamaño". Los dos primeros artículos, publicados unos meses antes que los otros tres, demostraron las propiedades de las unidades motoras de dos músculos extensores, el sóleo homogéneo y el gastrocnemio medial heterogéneo. Una conclusión importante para la presente discusión fue que los axones pequeños, en este estudio basados ​​en la velocidad de conducción en lugar de la altura del pico, suministraron unidades motoras que generaban menos tensión tetánica que las asociadas con axones grandes. De hecho, en experimentos individuales (en gatos), la relación entre la fuerza y ​​la velocidad de conducción fue lineal para las unidades cuya tensión tetánica era inferior a 20 g. Otro hallazgo importante fue que solo las unidades que generaban las fuerzas más grandes, que se encuentran en el gastrocnemio medial pero no en el sóleo, estaban sujetas a fatiga a altas tasas de estimulación.

El siguiente artículo de esta serie demostró que los picos pequeños registrados en las raíces ventrales se reclutan antes que los grandes en respuesta al estiramiento del músculo tríceps sural en gatos descerebrados. Los picos más grandes se interpretaron "como impulsos en axones de mayor diámetro y, por lo tanto, significan la descarga de motoneuronas más grandes". El primer párrafo de la discusión de este artículo contiene la primera mención de la frase "principio de tamaño" que surge de la "correlación altamente significativa entre el umbral o la excitabilidad de las neuronas individuales y el tamaño de los impulsos registrados desde sus axones". Continúa sugiriendo que “existe una regla o principio general que se aplica específicamente a las motoneuronas… según el cual el tamaño de la célula determina su umbral. Este principio de tamaño dicta el orden de reclutamiento en el reflejo de estiramiento y ... el reflejo de flexión ". Al final de este artículo, se introduce el concepto de "uso" según el cual "varias células de un grupo (de neuronas motoras) se disparan raramente, moderadamente o con frecuencia según su tamaño".

El penúltimo artículo de esta serie amplió el concepto de uso de unidades motoras. La comparación de las fibras musculares en los músculos gastrocnemio medial y sóleo condujo indirectamente a la conclusión de que las motoneuronas grandes inervan fibras musculares pálidas que carecen de ATPasa mitocondrial y no están en las proximidades de la circulación capilar, mientras que las fibras musculares rojas inervadas por pequeñas motoneuronas son ricas en mitocondrias. ATPasa con acceso a capilares. Se consideró que el acceso al metabolismo oxidativo era un factor importante para hacer que las unidades motoras inervadas por motoneuronas pequeñas fueran más resistentes a la fatiga durante la contracción tetánica que las inervadas por las motoneuronas grandes, como sería necesario para las unidades motoras que son más activas debido a su mayor susceptibilidad. para descargar.

El último artículo de esta importante serie señalaba que la inhibición sináptica conduce a un desreclutamiento de acuerdo con el tamaño del axón (motoneurona): el último reclutado fue el más susceptible a la inhibición, presumiblemente porque había menos exceso de excitación. Este artículo también discutió algunas implicaciones importantes del principio del tamaño, en particular que representaba una forma de maximizar la resolución de la producción de fuerza de la unidad motora, en efecto, el equivalente de la ley de Weber, bien conocida para los sistemas sensoriales. También discutió las limitaciones en la organización neuronal implicadas por el principio de tamaño, específicamente que la entrada a las motoneuronas pequeñas y grandes sea "igual". Esto era necesario porque el orden de reclutamiento se consideraba una propiedad de las motoneuronas, ya que era independiente de la organización de la entrada sináptica, es decir, se producía en respuesta a la estimulación natural y eléctrica donde el orden de reclutamiento de las fibras sensoriales era muy diferente. Debido a que las motoneuronas de diferente tamaño tenían umbrales de voltaje similares, se consideró que la propiedad crucial que determinaba las diferencias sistemáticas en el reclutamiento era su resistencia de entrada, de modo que las motoneuronas pequeñas con menos área de superficie tendrían una mayor resistencia de entrada y producirían una caída de voltaje mayor para un sináptico dado. entrada que los grandes. Esto les permitiría alcanzar el umbral a un nivel más bajo de entrada sináptica.

Esta serie de artículos tocó una fibra sensible en la comunidad de la fisiología: los términos neurociencia y neurobiología aún no habían surgido. Vinculaba muchos conceptos (reclutamiento, uso, eficacia sináptica) y estructuras (motoneurona, grupo de motoneuronas, músculo, fibras musculares). Fue relativamente fácil de visualizar y probar en muchas especies, incluso en humanos mediante grabaciones de electromiogramas, y tenía sentido intuitivo, al menos cualitativamente. Condujo a nuevos experimentos, incluidos los esfuerzos para probar la cuestión de la igualdad de las entradas a las motoneuronas utilizando promedios activados por picos, una técnica desarrollada para este propósito en el laboratorio de Henneman. En conjunto, estos cinco artículos publicados en 1965 han sido citados unas 2.300 veces (Science Citation Index).

Burke desarrolló otro esquema de clasificación de unidades motoras basado en la capacidad de realizar estudios fisiológicos detallados sobre motoneuronas así como histoquímica en las fibras musculares de la misma unidad. Las unidades motoras se clasificaron en cuatro tipos según el tiempo de contracción, la fatiga y la propiedad de "hundimiento". Esto llevó a la conclusión de que el orden de reclutamiento está relacionado con el tipo de unidad motora (es decir, 4 categorías) más que con la determinación de grano más fino del reclutamiento por tamaño de neurona motora; aunque en muchas situaciones el orden de reclutamiento de pares de motoneuronas sería el mismo en ambos esquemas. Otras cuestiones incluyeron si el orden de reclutamiento podría alterarse en algunas condiciones y si todas las entradas eran iguales en las motoneuronas grandes y pequeñas, como predijo originalmente Henneman en el último de los artículos de 1965. Muchas discusiones animadas en reuniones y frente a carteles se centraron en estas cuestiones. El propio Henneman continuó estudiando estos problemas activamente, en particular el problema de que se podría esperar que las motoneuronas grandes tuvieran más botones por aferente para cubrir su área de superficie más grande. Tal esquema cancelaría las diferencias de resistencia de entrada consideradas desde el principio como responsables de las diferencias en la susceptibilidad de las motoneuronas pequeñas y grandes para alcanzar el umbral. Henneman defendió la idea de que las entradas a las motoneuronas grandes y pequeñas, al menos de las fibras aferentes del huso, se organizaran de manera que los botones de las motoneuronas grandes fueran más susceptibles al bloqueo de impulsos debido a una ramificación más presináptica. Esto tendería a igualar las entradas funcionales (es decir, el número de botones activos) a las motoneuronas grandes y pequeñas, permitiendo así que las propiedades de las motoneuronas determinen la susceptibilidad a la descarga.

A pesar del desacuerdo sobre los mecanismos de reclutamiento, hubo acuerdo en que es ordenado, es decir, estereotipado, en la mayoría de las condiciones. Un estudio reciente muy elegante de Zajac y Faden demostró que la fuerza ejercida por una unidad motora era estadísticamente un mejor predictor de su orden de reclutamiento que la velocidad de conducción de su axón. No obstante, esta conclusión es similar a la de Henneman, quien consideró que el tamaño de la motoneurona era un sustituto de la fuerza de la unidad motora.

Repasando todo el trabajo de Henneman en esta área, con publicaciones de 1957 a 1990, queda claro que siempre pensó computacionalmente sobre el funcionamiento del grupo de motores. En 1989, se celebró una reunión en la Universidad de Arizona en Tucson para "reconocer las contribuciones fundamentales que el profesor Elwood Henneman ha hecho a esta área de investigación y a la neurociencia en general" (prefacio de El sistema motor segmentario). Henneman escribió un breve capítulo introductorio titulado "Comentarios sobre la base lógica del control motor" en este libro con contribuciones de muchos de los oradores en esa reunión. Comenzó señalando que "los forasteros que miran nuestro campo a menudo están desconcertados por la ausencia de teorías, reglas, leyes y principios que otorguen significado y dimensión a los hallazgos experimentales". Continuó discutiendo el problema de cómo se recluta un grupo de 300 motoneuronas para desarrollar fuerza en un solo músculo y sugirió que el reclutamiento ordenado era en efecto una ley de combinación que dicta el funcionamiento del grupo motor. Las posibilidades computacionales están limitadas por la anatomía y fisiología de las motoneuronas y sus entradas. Este enfoque teórico es una indicación de su pensamiento innovador, en la medida en que la neurociencia computacional se ha convertido solo recientemente en una subdisciplina importante en la neurociencia, ya que los resultados experimentales, los métodos computacionales y los enfoques analíticos se han puesto a disposición de los investigadores para construir modelos de función neuronal a nivel celular y de red. . El reclutamiento de motoneuronas sigue siendo un problema importante en neurociencia que continúa basándose en el trabajo pionero sobre el principio de tamaño informado por Elwood Henneman y sus colegas en 1965 en el Journal of Neurophysiology.