中央パターンジェネレータ

中枢パターン発生器（CPG）は、リズム入力がない場合でもリズム出力を生成する自己組織化 生物学的神経回路です^{[1] [2] 。 [3] [4] [5]}これらは、歩く、泳ぐ、呼吸する、噛むなどのリズミカルで定型的な運動行動を駆動する神経活動の密結合パターンの源です。高次脳領域からの入力なしで機能する能力には、依然として調節入力が必要であり、その出力は固定されていません。感覚入力に応答する柔軟性は、CPG駆動型行動の基本的な性質です。^{[3] [4]}リズム発生器として分類されるには、CPGは次の要件を満たしている必要があります。

1. 「2つ以上のプロセスが相互作用し、各プロセスが順次増加したり減少したりし、
2. この相互作用の結果、システムは繰り返し初期状態に戻ることになる。」^[3]

CPGはヒトや他のほとんどの脊椎動物、そして一部の無脊椎動物に存在します。 ^{[6] [7] [8] [9] [10] [11]}

CPGニューロンは、異なる固有の膜特性を持つことができます（図を参照）。^[12]一部のニューロンは、内因性または神経調節物質の存在下で活動電位のバーストを発火します。他のニューロンは双安定であり、脱分極電流パルスによって誘発され、過分極電流パルスによって終了するプラトー電位を生成します。多くのCPGニューロンは、抑制から解放された後に発火します（抑制後リバウンド）。CPGニューロンのもう1つの一般的な特徴は、一定の脱分極中に発火頻度が低下することです（スパイク頻度の適応）。

CPGネットワ​​ークにおけるリズム生成は、CPGニューロンの固有の特性とシナプス結合に依存します。リズム生成には、ペースメーカー/フォロワーと相互抑制という2つの一般的なメカニズムがあります（図を参照）。^[12]

ペースメーカーによって駆動されるネットワークでは、1つまたは複数のニューロンがコア発振器（ペースメーカー）として機能し、他の非バーストニューロン（フォロワー）をリズミカルなパターンに駆動します。ペースメーカー駆動ネットワークの例としては、甲殻類の口腔胃神経節の幽門リズム^[13]や脊椎動物の呼吸リズムなどがあります。^[14]

相互抑制によって駆動されるネットワークでは、2 つのニューロン（のグループ）が相互に抑制し合います。このようなネットワークは、半中心振動子として知られています。ニューロンは、単独ではリズミカルに活動しませんが、抑制結合によって結合されると、活動の交互パターンを生成することができます。（ニューロンは、シナプス特性に応じて、同期を含む他の相対位相の活動パターンを生成することもできます）。活性化状態と抑制状態の間の遷移は、いくつかのメカニズムによって発生する可能性があります。たとえば、バーストニューロンのスパイク周波数適応により、他のニューロンが抑制からゆっくりと解放される場合があります。^[15]相互抑制は、歩行に関与するものを含む多くの CPG のコア機能です。^{[16] [17] [18] [19]}  

ギャップ結合は、CPGにおけるリズミカルな振動とニューロンの同期にも寄与している。^{[20] [21] [22]}ギャップ結合はローパスフィルターとして機能し、膜電位の緩やかな変動が細胞間をより効率的に通過できるようにする。新生児マウスでは、ギャップ結合をブロックするとリズミカルな活動が減少し、薬物誘発性の仮想運動が完全に消失する可能性がある。^{[23] [24] [25]}ゼブラフィッシュでは、運動ニューロンがギャップ結合を介して逆行的に遊泳頻度を制御する。^[26]

CPGネットワ​​ークには、相互興奮と相互抑制を含む広範囲にわたる反復シナプス接続があります。CPGネットワ​​ークのシナプスは、短期的な活動依存的な変更を受けます。^{[27] [28]}短期的なシナプス抑制とシナプス促進は、バーストの活性相と非活性相の間の遷移とバーストの終了に役割を果たします。^{[29] [30]}

運動の制御に関与すると考えられているCPG回路は、運動ニューロンと脊髄介在ニューロンで構成され、脊椎動物の脊髄の下部胸部と腰部に位置し、 [ ^31]無脊椎動物の腹側神経索の各神経節に位置している。^[32]嚥下に関わるCPGニューロンは、脳幹、具体的には延髄内の舌下神経核に位置している。^{[33] [34]}

CPG ニューロンの大まかな位置は推測できることが多いですが、関与するニューロンの具体的な位置とアイデンティティはようやく理解され始めたばかりです。 CPG ネットワークは分散していることが多く、柔軟に再編成されることがあるため、脊髄介在ニューロンの特定は困難です。 過去数十年にわたり、ニューロンのパターン形成を制御する分子遺伝学プログラムが、マウス^[35]とゼブラフィッシュ^[36]の脊髄介在ニューロンを特異的に標的とするために使用されてきました。 マウス胎児の神経管の発生では、脊髄の背腹軸に沿った領域で異なる転写因子の発現が見られます。^[37]これらの領域は、脊髄介在ニューロンの背側 (dI1-dI6) と腹側 (V0-V3) の主要クラスに分類されている異なるニューロン集団を生み出します。^{[38] [39] [35]}腹側ニューロンは脊髄 CPG ネットワークのメンバーであると考えられています。^[35]これらの介在ニューロンクラスはそれぞれ、異なる神経伝達物質表現型、軸索投射、および運動中の機能を持つ多様なニューロンサブポピュレーションにさらに分類できます。^[38]たとえば、V2介在ニューロンは同側に投射し、興奮性V2aと抑制性V2bにさらに分類できます。V2は屈筋伸筋交代に重要であり、運動ニューロンに興奮をもたらします。^[38]

生物は、内部および外部環境のニーズに合わせて行動を適応させる必要があります。生物の神経回路の一部である中枢パターン発生器は、生物のニーズと環境に適応するように調整することができます。CPG回路の神経調節には3つの役割があることがわかっています。^[3]

1. 変調はCPGネットワ​​ークに固有のものであるか、またはその活性化に必要である
2. 変調はCPGの機能構成を変更し、異なる出力を生成する。
3. 変調は、ネットワーク間でニューロンを切り替え、以前は別々だったネットワークをより大きなエンティティに融合することで、CPGニューロンの補完を変化させます。

神経調節シナプスは、CPGネットワ​​ーク自体の一部である可能性があります。^[40]たとえば、Tritonia diomedeaの逃避泳反応の基礎となる CPGには、固有の神経調節ニューロンが含まれています。これらの神経調節ニューロンは、回路内の別のニューロンからの神経伝達物質の放出を増強することができ、その神経調節作用は、遊泳運動プログラムの生成に重要であると考えられています。^[41]神経調節入力は CPG ネットワークを活性化することもでき、リズミカルな出力の生成に必要になる場合があります。神経調節入力が失われると、幽門ネットワークからのリズミカルな活動がなくなる可能性があります。^[40]脊椎動物では、神経調節剤の適用により運動活動が誘発されることが示されています。^[42]

神経調節因子は、シナプス強度だけでなく、ニューロンの固有の特性も変化させることができる。^[43]これらの作用は、ニューロン間の周波数と位相関係を変化させ、それによって回路の出力パターンを変えることができる。例えば、さまざまな神経調節因子を外因的に適用すると、STG で三相性の運動パターンが誘発され、各調節因子が異なる運動パターンを生成する。^[44]共通の調節因子を発現する神経調節投射は、同じネットワークから異なるパターンを誘発することもできる。STG 内の異なるプロクトリン含有投射ニューロンを刺激すると、これらの投射ニューロンの共伝達物質補数の違いにより、同じネットワークから異なる運動パターンが生じる。^[45]

神経調節物質の効果はCPGネットワ​​ーク全体に分布しています。特に、ドーパミンは甲殻類の幽門ネットワークのほぼすべての構成要素の細胞およびシナプス特性に影響を与えることが示されています。さらに、ドーパミンはネットワークの異なる構成要素に反対の効果をもたらす可能性があります。そのため、ネットワークの最終的な出力は、個々の構成要素に対する調節作用の組み合わせを反映しています。^[46]

CPGのニューロン構成は、システムの状態によって変化する。^[47]神経調節物質は、CPGのニューロンを活性化または抑制することができ、異なるネットワークを1つに結合することさえできる。^[44]例えば、ロブスターの口腔胃神経系では、神経ペプチド、赤色色素濃縮ホルモンが、2つの異なるネットワーク間のシナプスを強化し、単一の結合リズムを作り出すことができる。^[48]神経調節物質は、ニューロンをあるネットワークから別のネットワークに切り替えることもできる。^[49]

中枢パターン生成の理論では、基本的なリズムとパターンは中枢で生成される必要があるとされていますが、CPG は感覚フィードバックに反応して、行動上適切な方法でパターンを変更できます。パターンの変更は困難です。フィードバックを 1 つのフェーズでのみ受信すると、特定の調整関係を維持するために、パターン化されたサイクルの他の部分で動作の変更が必要になる場合があるためです。たとえば、右の靴に小石を入れて歩くと、刺激が右足で立っているときにのみ存在する場合でも、歩行全体が変わります。左足が下がっていて感覚フィードバックが非アクティブであるときでも、右足の振りを長くし、左足でいる時間を長くする行動が取られ、足を引きずることになります。この効果は、CPG に対する感覚フィードバックの広範囲で長期的な影響によるか、または少数のニューロンに対する短期的な影響が近くのニューロンを変調し、そのようにしてフィードバックを CPG 全体に広げるためである可能性があります。1 つの CPG がフィードバックに反応して複数の状態をとることができるようにするには、ある程度の変調が必要です。^[3]

さらに、感覚入力の効果は、それが発生するパターンの段階によって異なります。たとえば、歩行中、振り子の足の上部への抵抗 (水平の棒など) により、足は棒の上を移動するためにさらに高く持ち上げられます。しかし、立っている足に同じ入力を与えても、足が持ち上がることはなく、その人は倒れてしまいます。したがって、段階によっては、同じ感覚入力によって足がさらに高く持ち上げられたり、地面にさらにしっかりと固定されたりすることがあります。 「運動パターンの位相の関数としての運動反応のこの変化は反射反転と呼ばれ、無脊椎動物 (DiCaprio および Clarac、1981) および脊椎動物 (Forssberg 他、1977) で観察されています。このプロセスがどのように発生するかは十分に理解されていませんが、ここでも 2 つの可能性があります。1 つは、感覚入力が運動パターンの位相の関数として、異なる CPG ニューロンに適切にルーティングされることです。もう 1 つは、入力がすべての位相で同じニューロンに到達するが、ネットワークが入力を変換する方法の結果として、ネットワーク応答が運動パターンの位相の関数として適切に変化するというものです。」^[3]

ゴットシャルとニコルズによる研究では、除脳猫の歩行中（CPG 制御機能）に頭部の傾きの変化に応じて後肢が調べられました。この研究では、上り坂、下り坂、水平な表面を歩く猫の歩き方と体の位置の違いについて説明しています。固有受容覚（ゴルジ腱器官と筋紡錘）と外部受容覚（視神経、前庭神経、皮膚）の受容器は、単独または組み合わせて機能し、CPG を感覚フィードバックに調整します。この研究では、首の固有受容器（頭と体の相対的な位置に関する情報を提供）と前庭神経受容器（重力に対する頭の向きに関する情報を提供）の影響を調査しました。除脳猫は、頭を水平、上向き、または下向きにして水平な表面を歩行しました。除脳猫と通常の猫を比較すると、水平歩行中の類似した EMG パターンと、頭を上に傾けての下り坂歩行と頭を下に傾けての上り坂歩行を反映した EMG パターンが示されました。この研究は、首の固有受容器と前庭受容器が動物の歩行を変化させる感覚フィードバックに寄与していることを証明した。この情報は歩行障害の治療に役立つ可能性がある。^[50]

中枢パターン ジェネレーターは多くの機能を果たすことができます。CPG は、動き、呼吸、リズム生成、その他の振動機能において役割を果たします。以下は、CPG のいくつかの主要な機能です。

1911年にはトーマス・グラハム・ブラウンの実験により、歩行の基本パターンは皮質からの下降命令を必要とせずに脊髄によって生成できることが認識されていました。^{[51] [52]}

中枢パターン発生器に関する最初の現代的な証拠は、イナゴの神経系を分離し、それが単独で、飛翔中のイナゴに似たリズミカルな出力を生成できることを示したことによって生み出されました。これは 1961 年にウィルソンによって発見されました。^[3]それ以来、脊椎動物に中枢パターン発生器が存在するという証拠が出てきました。その始まりは、1960 年代にヨーテボリのエルジビエタ・ヤンコフスカがネコを対象に脊髄 CPG の最初の証拠を提供した研究です。このセクションでは、ヤツメウナギと人間の移動における中枢パターン発生器の役割について説明します。

ヤツメウナギは、その神経系が脊椎動物の構成をしている一方で、無脊椎動物と多くの良い特徴を共有しているため、脊椎動物の CPG のモデルとして使用されてきました。ヤツメウナギから取り除かれた無傷の脊髄は、試験管内で数日間生存することができます。また、ニューロンが非常に少ないため、刺激を与えて中枢パターン発生器を示唆する架空の遊泳運動を簡単に生み出すことができます。早くも 1983 年に、エアーズ、カーペンター、カリー、キンチは、前後に泳ぐ、泥の中に穴を掘る、固い表面を這うなど、ヤツメウナギの波打つ動きのほとんどを担う CPG が存在すると提唱しました。これは、当然のことながら無傷の動物の活動とは一致しませんでしたが、それでも基本的な運動出力を提供しました。^[53]さまざまな動作は神経調節物質によって変化することがわかっており、1985年のハリス・ウォリックとコーエンの研究におけるセロトニン^[54]や、1998年のパーカーらの研究におけるタキキニン^[55]などがその例である。歩行運動に関するCPGのヤツメウナギモデルは、CPGの研究にとって重要であった。ステン・グリルナーは、歩行運動ネットワークが特徴付けられていると主張しており、この主張は脊髄歩行運動ネットワークの分野では無批判に受け入れられているようだが、実際には詳細が欠落しており、グリルナーは主張を裏付ける証拠を提供できていない（パーカー 2006）。^{[56] [57]}しかし、このヤツメウナギCPGの神経回路モデル^[58]は、ニューロンの3つのクラス（1つは興奮性、2つは抑制性）を含みながら細胞内詳細は省略されており、CPGによって生成される移動のシステムレベルの理解を提供します。その速度と方向（前進、後進、または旋回）は、回路への非律動的な外部入力（脳幹から）によって設定されます。 ^[58] ヤツメウナギCPGの一般的なスキームは現在、人工CPGの作成に使用されています。たとえば、IjspeertとKodjabachianは、ヤツメウナギのEkebergモデルを使用して人工CPGを作成し、SGOCEエンコーディングに基づくコントローラーを使用してヤツメウナギのような基質での遊泳動作をシミュレートしました。^[59]本質的に、これらはロボットの移動をコード化するためにCPGを使用するための第一歩です。 CPGの脊椎動物モデルも、ホジキン・ハクスリー形式論^[60]とその変種^[61]および制御システムアプローチ[62]の両方を用いて開発されてきた。^{[63 ]}例えば、ヤコヴェンコとその同僚は、相互に抑制的な接続で構成された統合閾値ユニットを用いてTGブラウンが提唱した基本原理を説明する単純な数学モデルを開発した。このモデルは、中脳運動野（MLR）の電気刺激中に観察される伸筋優位および屈筋優位の運動の異なるレジーム、MLR誘発性仮想運動など、行動の複雑な特性を説明するのに十分である。^[63]

各肢を制御する CPG 間の接続は、四肢間の協調を制御し、したがって四足動物、場合によっては二足動物の歩行も制御します。^{[64] [65] [66] [67] [68]}左右の協調は交連および前後運動によって媒介され、対角線の協調は長く投射する脊髄固有介在ニューロンによって媒介されます。^{[69] [70]}左右交替 (遺伝的に識別された V0d および V0v ニューロン クラスが媒介) と左同期を促進する交連介在ニューロン (潜在的に V3 ニューロンが媒介) のバランスによって、歩行と速歩 (交互歩行) または疾走と跳躍 (同期歩行) のどちらが表現されるかが決まります。^[64] このバランスは速度が増すにつれて変化しますが、これはおそらく MLR からの脊髄上駆動による変調と網様体による調節が原因で、四足動物に特徴的な速度依存的な歩行遷移を引き起こします。^{[64] [67] [71]}歩行から速歩への移行は、歩行速度が増加すると屈曲期の持続時間よりも伸展期の持続時間が大幅に減少するために発生する可能性があり、V0d 長脊髄ニューロンを介した下行性対角抑制によって媒介される可能性があります。^[67]これにより、対角四肢間の重なりが徐々に増加し、対角同期 (速歩) に達します。^[64]交連ニューロンと長脊髄ニューロンは、さまざまな環境条件や行動条件に合わせて四肢間の協調と歩行を調整するための脊髄上および体性感覚求心性入力のターゲットである可能性があります。^[67]

中枢パターン ジェネレーターは、人間の歩行にも貢献しています。1994 年、Calancie らは「成人の歩行における中枢リズム ジェネレーターの明確な例」について説明しました。被験者は 17 年前に頸部脊髄を損傷した 37 歳の男性でした。首から下が最初に完全に麻痺した後、被験者は最終的に腕と指の動きがいくらか回復し、下肢の動きが制限されました。彼は自分の体重を支えるほど回復していませんでした。17 年後、被験者は仰向けに寝て腰を伸ばすと、横になっている間ずっと下肢が歩行のような動きをしていることに気付きました。「その動きは (i) 腰、膝、足首の屈曲と伸展を交互に伴い、(ii) 滑らかでリズミカルであり、(iii) 筋肉の過度の「緊張」と体温の上昇により被験者がすぐに不快になるほど強力であり、(iv) 自発的な努力では止められませんでした。」被験者を徹底的に研究した後、実験者は「これらのデータは、そのような [CPG] ネットワークが人間に存在するという、これまでで最も明確な証拠である」と結論付けました。^[72] 4 年後の 1998 年に、Dimitrijevic らは、人間の腰部パターン生成ネットワークは、後根の大きな直径の感覚求心性神経への駆動によって活性化できることを示しました。^[6]運動性脊髄損傷者 (つまり、脊髄が脳から機能的に分離されている人) のこれらの繊維に持続性電気刺激を適用すると、下肢のリズミカルで運動のような動きが引き起こされます。これらの測定は仰向けの状態で行われたため、末梢からのフィードバックは最小限に抑えられました。その後の研究で、これらの腰部運動中枢は、多数の下肢筋肉に定型的なパターンを組み合わせて分配することで、多種多様なリズミカルな動きを形成できることが示されました。^[7]経口投与で中枢神経系に作用するスピナロンと呼ばれるCPG活性化薬物治療も、完全または運動完全脊髄損傷患者の脊髄運動ニューロンを部分的に再活性化することが示されています。実際、安全上の理由から仰向けに横たわった慢性AIS A/B損傷（外傷後3か月から30年）のボランティア45人を対象とした二重盲検ランダム化プラセボ対照試験では、最大耐用量（MTDはL-DOPA/カルビドパ/ブスピロン500/125/50 mg/kg）未満のスピナロンは耐容性が高いことが明らかになりました。MTD未満の用量では、スピナロン群ではリズミカルな歩行運動のような脚の動きが急性的に誘発されましたが、プラセボ（コーンスターチ）群では誘発されなかったため、ビデオテープと筋電図記録を使用した有効性の予備的証拠も見つかりました。^[73]

もし歩行周期の持続時間と筋肉の活動が固定されていたら、体の速度を変えて変化する地形に適応することはできないだろう。哺乳類の運動CPGは、さまざまな持続時間の歩行周期を生成する「タイマー」（おそらく結合振動子の形）と、運動プールの活動を選択して段階的に調整する「パターン形成層」で構成されていると示唆されている。^{[60] [74]} 中脳運動野（MLR）から脊髄CPGへの神経駆動が増加すると、歩行周期の頻度（リズム）が増加する。^[75] スイングフェーズとスタンスフェーズの持続時間はかなり固定された関係で共変し、スタンスフェーズはスイングフェーズよりも変化が大きい。^[76]

四肢からの感覚入力は、有限状態制御（「if-then」ルールが状態遷移の発生時期を決定する）に似たプロセスで、個々のフェーズの持続時間を短縮または延長する可能性がある。^{[77] [78] [79]} たとえば、前方に振っている四肢が、現在の CPG 生成の屈筋フェーズ持続時間よりも短い時間で振れ終わりに達した場合、感覚入力によって CPG タイマーは振れを終了し、立脚フェーズを開始する。^{[80] [81]}さらに、体の速度が増加すると、パターン形成層は筋の活性化を非線形に増加させ、耐荷重力と推力を増加させる。予測が正確な動きでは、CPG 生成のフェーズ持続時間と筋力は、進化する生体力学的イベントに必要なものとほぼ一致し、必要な感覚補正を最小限に抑えると考えられている。このプロセスを説明するために「神経力学的調整」という用語が作られた。^[63]

図 1 は、これらの提案されたメカニズムをまとめた簡略化された図です。望ましい体速度を指定するコマンドは、高次中枢から MLR に下り、脊髄運動 CPG を駆動します。CPG タイマーは適切なリズムと位相期間を生成し、パターン形成層は運動ニューロンの出力を調整します。^[82] 活性化された筋肉は、独自の生体力学的特性を通じて伸張に抵抗し、長さと速度のフィードバック制御を迅速に提供します。ゴルジ腱器官やその他の求心性神経によって媒介される反射は、追加の負荷補償を提供しますが、感覚入力の主な役割は、スタンス-スイング-スタンスの遷移時に CPG を調整またはオーバーライドすることである可能性があります。^[83]

Neuromodulation で説明されているように、人間の運動 CPG は非常に適応性が高く、感覚入力に反応することができます。ネットワークを調整するために、脳幹だけでなく環境からの入力も受け取ります。最近の研究では、人間の運動に CPG が存在することが確認されただけでなく、その堅牢性と適応性も確認されています。たとえば、Choi と Bastian は、人間の歩行を司るネットワークが短期および長期のタイムスケールで適応可能であることを示しました。彼らは、さまざまな歩行パターンとさまざまな歩行状況への適応を示しました。また、さまざまな運動パターンが独立して適応できることも示しました。成人は、トレッドミルの上を各脚で異なる方向に歩くことさえできました。この研究では、独立したネットワークが前後の歩行を制御し、各脚を制御するネットワークが独立して適応し、独立して歩くように訓練できることが示されました。^[84]このように、人間は、リズミカルなパターン生成だけでなく、さまざまな状況で驚くべき適応と有用性を発揮する、運動のための中枢パターン ジェネレーターも持っています。

3 相モデルは、呼吸 CPG の古典的な見方です。呼吸 CPG の位相は、(1) 吸気中の横隔膜神経、(2) 呼気の最終段階で甲状披裂筋を支配する反回神経枝、(3) 呼気の第 2 段階で胸骨三角筋を支配する内肋間神経枝のリズミカルな活動によって特徴付けられます。これらの神経のリズミカルさは、単一のリズム ジェネレーターから発生すると古典的に考えられています。このモデルでは、位相は、連続的に活動する介在ニューロンのグループ間の相互シナプス抑制によって生成されます。

それにもかかわらず、特定の実験データによって補強された代替モデルが提案されている^{[85] 。このモデルによると、呼吸リズムは、解剖学的に異なる2つの結合したリズム発生器によって生成され、1つは}プレボッツィンガー複合体^{[86]にあり、もう1つは}後台形核/顔面傍呼吸群にあります。さらに調査したところ、ネットワークの1つが吸気リズムを、もう1つが呼気リズムを担っているという仮説を裏付ける証拠が得られました。したがって、吸気と呼気は異なる機能であり、一般に信じられているように一方が他方を誘発するのではなく、2つのうちの1つがより速いリズムを生成することで行動を支配します。

嚥下には、中咽頭、喉頭、食道にある 25 対を超える筋肉の協調収縮が関与しており、これらの筋肉は中咽頭期に活動し、その後に一次食道蠕動が起こります。嚥下は、延髄にある嚥下中枢、すなわち CPGに依存しており、これには脳幹のいくつかの運動核と 2 つの主な介在ニューロン群、すなわち孤束核の背側嚥下群 (DSG ) と疑核上部の延髄腹側部にある腹側嚥下群 (VSG) が関与しています。DSG のニューロンは嚥下パターンの生成を担い、VSG のニューロンはさまざまな運動ニューロンプールにコマンドを配布します。他の CPG と同様に、中枢ネットワークの機能は末梢および中枢の入力によって調整できるため、嚥下パターンは食塊のサイズに適応します。

このネットワーク内では、中枢抑制結合が大きな役割を果たし、嚥下管の吻尾方向の解剖学と平行した吻尾方向抑制を生み出します。したがって、管の近位部分を制御するニューロンが活性化すると、より遠位部分を制御するニューロンは抑制されます。ニューロン間の結合の種類とは別に、ニューロン、特に NTS ニューロンの固有の特性も、嚥下パターンの形成とタイミングに寄与していると考えられます。

嚥下CPGは柔軟なCPGです。これは、嚥下ニューロンの少なくとも一部が多機能ニューロンであり、いくつかのCPGに共通するニューロンプールに属している可能性があることを意味します。そのようなCPGの1つは呼吸CPGであり、嚥下CPGと相互作用することが観察されています。^{[87] [88]}

中枢パターン発生器は、脊椎動物の他の機能のリズム生成にも役割を果たす。例えば、ラットの触毛系は、ウィスキング運動に非従来型の CPG を使用する。「他の CPG と同様に、ウィスキング発生器は皮質入力や感覚フィードバックなしで動作できる。しかし、他の CPG とは異なり、触毛運動ニューロンは、持続性セロトニン作動性入力を触毛の動きを担うパターン化された運動出力に変換することで、リズム生成に積極的に関与している。」 ^[89]呼吸は、中枢パターン発生器の別の非運動機能である。例えば、両生類の幼生は、主に鰓のリズミカルな換気によってガス交換を行っている。ある研究では、オタマジャクシの脳幹の肺換気はペースメーカーのようなメカニズムによって駆動される可能性があるが、成体のウシガエルでは、呼吸 CPG が成熟するにつれて適応することが示された。^[90]このように、CPG は脊椎動物において幅広い機能を持ち、年齢、環境、行動に応じて幅広く適応し、変化する。

CPG のリズムは、適応、遅延興奮、抑制後リバウンド (PIR) などの時間依存の細胞特性によっても生じます。PIR は、過分極刺激がなくなると膜を脱分極させることでリズミカルな電気活動を引き起こす固有の特性です。これは、過分極活性化陽イオン電流 (Ih)、低電圧活性化カルシウム電流、^[91]、または脱分極活性化内向き電流の不活性化など、いくつかのメカニズムによって生成されます。^[92]抑制が停止すると、この PIR 期間はニューロンの興奮性が増加する時間として説明できます。これは、多くの CNS ニューロンの特性であり、抑制性シナプス入力の直後に活動電位の「バースト」を引き起こすことがあります。 「このため、PIR は、運動行動に関与する神経ネットワークのような相互抑制接続を特徴とする神経ネットワークの振動活動の維持に寄与する可能性があると示唆されている。さらに、PIR は相互抑制を伴う神経ネットワークの計算モデルの要素としてしばしば組み込まれる」^[93] たとえば、「ザリガニの伸張受容体ニューロンの PIR は、抑制性過分極の過程での適応からの回復によって引き起こされる。このシステムの特徴の 1 つは、PIR は、この場合伸張によって引き起こされる興奮の背景に過分極が課された場合にのみ発生することである。彼らはまた、PIR が過分極電流パルスによって伸張受容体で誘発できることを発見した。これは、PIR がシナプス後ニューロンの固有の特性であり、抑制に関連する膜電位の変化に関連しているが、伝達受容体やシナプス前特性とは無関係であることを示したため、重要な発見であった。後者の結論は時の試練に耐え、PIR はさまざまな状況で CNS ニューロンの堅牢な特性として位置づけられている。」^[94] この細胞特性は、ヤツメウナギの神経回路で最も簡単に見ることができます。泳ぐ動作は、体の左側と右側の神経活動を交互に行うことで生み出され、体を前後に曲げながら振動運動を生み出します。ヤツメウナギが左に曲がっている間、右側には相互抑制があり、過分極により弛緩します。この過分極刺激の直後、介在ニューロンは抑制後反発を利用して右側の活動を開始します。膜の脱分極により収縮が起こり、今度は左側に相互抑制が適用されます。

CPG は無脊椎動物の行動を調整する上で同様に重要な役割を果たしており、ニューロン数の少ない無脊椎動物の CPG を研究することで、CPG の一般原理と神経系におけるその構成が確立されました。CPG を研究するためのモデル回路の 1 つに、カニやロブスターの口腔胃神経節があります。これは、食物を咀嚼して消化するためのリズミカルな運動出力を生成する 2 つの CPG を含む約 30 個のニューロン回路です。 ^[11]これらの回路の解剖によって、CPG の神経メカニズムが明らかになりました。たとえば、幽門の収縮と拡張を制御する幽門 CPGには、条件付き振動ニューロンのセットと、回路から切り離されるとリズミカルに発火する 1 つのペースメーカーニューロンが含まれています。^[11]一部の無脊椎動物では、歩行、飛行、身だしなみなどの調整されたリズミカルな行動も CPG によって制御されています。^{[95] [96] [97] [98]} CPGがこれらの行動を制御する仕組みに関する継続的な研究により、様々な時間スケールでリズミカルな行動を制御する入れ子になったCPG構造が明らかになった。^[99]無脊椎動物におけるCPGの他の例としては、軟体動物トリトニアにおける反射的な逃避行動や逃避行動、這い回る行動を調節するCPGや、 ^[100]ヒルの心拍を制御するCPGなどがある。^[101]中枢パターン発生器はあらゆる動物で幅広い役割を果たしており、ほぼすべてのケースで驚くべき多様性と適応性を示している。

リズミカルな歩行中の感覚フィードバックの役割を調和させる理論の1つは、CPGをリズムジェネレーターではなく「状態推定器」として再定義することです。^[102]この観点から見ると、CPGは不完全な感覚フィードバックを修正し、中枢入力をこの最適化された末梢入力に適応させる固有の脊髄プロセッサです。^[4]このフレームワークを使用するモデルは、独立したリズムジェネレーターを組み込むことなく、リズミカルな行動と架空の歩行を実現できます。