半中中心の運動型CPGにおける状態依存性リズム形成と周波数制御

脊髄運動中心パターンジェネレーター（CPG）は、屈曲と伸長相を交互に伴うリズミカルな活動を生成します。このリズミカルなパターンは、屈筋と伸筋のハーフセンターを表す神経集団間の阻害相互作用に起因する可能性があります。ただし、屈筋拡張CPGがリズム生成に重大に関与する両方のハーフセンターを備えた準対称組織を持っているか、屈筋駆動のリズム形成を伴う非対称組織を特徴とするか、本質的にリズミカルなハーフセンターのペアを含むかどうかは不明です。上記の概念のそれぞれをサポートするが、他の概念と矛盾しているように見える実験データがあります。この理論/モデリング研究では、CPGハーフセンターへの外部興奮性ドライブによって定義される条件に応じて、上記の3つの概念と一致する異なるレジームで動作できるCPGモデルアーキテクチャを提示および分析します。各レジーム内の周波数と位相の持続時間の制御は、ハーフセンターの固有のリズミカル能力のレジーム依存的表現と動作位相遷移メカニズム（エスケープvs.リリース）によって定義されるネットワークダイナミクスに依存することを示します。私たちの研究は、運動型CPG操作における状態依存関係を示唆しており、一見矛盾する実験データの説明を提案しています。新品かつ注目に値する理論/モデリング研究は、相互阻害と相互抑制と独立した外部ドライブを受け取る条件付きの半センターで構成される運動中心パターンジェネレーター（CPG）の分析に焦点を当てています。このCPGフレームワークは、一見矛盾する実験データと一致するいくつかのレジームで動作できることを示しています。各レジームでは、固有のダイナミクスと位相スイッチングメカニズムが振動頻度と位相期間をどのように制御するかを研究します。私たちの結果は、移動を制御する脊椎回路の組織に関する洞察を提供します。

The spinal locomotor central pattern generator (CPG) generates rhythmic activity with alternating flexion and extension phases. This rhythmic pattern is likely to result from inhibitory interactions between neural populations representing flexor and extensor half-centers. However, it is unclear whether the flexor-extensor CPG has a quasi-symmetric organization with both half-centers critically involved in rhythm generation, features an asymmetric organization with flexor-driven rhythmogenesis, or comprises a pair of intrinsically rhythmic half-centers. There are experimental data that support each of the above concepts but appear to be inconsistent with the others. In this theoretical/modeling study, we present and analyze a CPG model architecture that can operate in different regimes consistent with the above three concepts depending on conditions, which are defined by external excitatory drives to CPG half-centers. We show that control of frequency and phase durations within each regime depends on network dynamics, defined by the regime-dependent expression of the half-centers' intrinsic rhythmic capabilities and the operating phase transition mechanisms (escape vs. release). Our study suggests state dependency in locomotor CPG operation and proposes explanations for seemingly contradictory experimental data. NEW & NOTEWORTHY Our theoretical/modeling study focuses on the analysis of locomotor central pattern generators (CPGs) composed of conditionally bursting half-centers coupled with reciprocal inhibition and receiving independent external drives. We show that this CPG framework can operate in several regimes consistent with seemingly contradictory experimental data. In each regime, we study how intrinsic dynamics and phase-switching mechanisms control oscillation frequency and phase durations. Our results provide insights into the organization of spinal circuits controlling locomotion.