เซลล์ประสาทสั่งการแกมมา

Muscle spindle

กระสวยกล้ามเนื้อ (muscle spindle) เป็นตัวรับความรู้สึกในกล้ามเนื้อที่ช่วยส่งข้อมูลให้แก่ไขสันหลังและสมองว่าส่วนต่าง ๆ ของร่างกายอยู่ที่ไหนในปริภูมิ (เป็นการรับรู้อากัปกิริยา) และว่า แขนขากำลังเคลื่อนไหวเร็วเท่าไรภายในปริภูมินั้น ๆ 
มันเป็นตัวรับแรงกลเพราะตอบสนองต่อการยืดกล้ามเนื้อและส่งข้อมูลการเปลี่ยนแปลงความยาวของกล้ามเนื้อ
ความไวในการตรวจจับความยาวกล้ามเนื้อจะปรับด้วย fusimotor neuron ซึ่งก็คือ เซลล์ประสาทสั่งการแกมมาและบีตา
กระสวยกล้ามเนื้อมีองค์ประกอบเป็นเส้นใยกล้ามเนื้อ 3 ชนิดคือ dynamic nuclear bag fiber (bag₁ fibers), static nuclear bag fiber (bag₂ fiber) และ nuclear chain fiber

ประเภทเซลล์ประสาทสั่งการล่าง

กระสวยกล้ามเนื้อได้เส้นประสาทจากทั้งเซลล์ประสาทรับความรู้สึก (เพื่อให้ข้อมูลการรับรู้อากัปกิริยา) และเซลล์ประสาทสั่งการ (เพื่อปรับความไวความยาวกล้ามเนื้อของกระสวย)
มีเซลล์ประสาทสั่งการ 3 ชนิดที่มีบทบาทหดเกร็งกล้ามเนื้อ คือ เซลล์ประสาทสั่งการอัลฟา เซลล์ประสาทสั่งการแกมมา และเซลล์ประสาทสั่งการบีตา
เซลล์ประสาทสั่งการอัลฟาซึ่งมีจำนวนมากที่สุดมีบทบาทโดยตรงในการหดเกร็งกล้ามเนื้อ และส่งเส้นประสาทไปยัง extrafusal muscle fiber (เส้นใยกล้ามเนื้อนอกกระสวย)
ส่วนเซลล์ประสาทสั่งการแกมมาส่งเส้นประสาทไปยัง intrafusal muscle fiber (เส้นใยกล้ามเนื้อในกระสวย) เท่านั้น และเซลล์ประสาทสั่งการบีตาซึ่งมีจำนวนน้อยมาก ส่งเส้นประสาทไปยังทั้ง extrafusal muscle fiber และ intrafusal muscle fiber
แม้จะยังไม่ชัดเจนว่าเซลล์ประสาทสั่งการบีตามีหน้าที่อย่างไร
เซลล์ประสาทสั่งการอัลฟามีเป็นจำนวนมากและมีขนาดใหญ่กว่าเซลล์ประสาทสั่งการแกมมา

Fusimotor system

ระบบประสาทกลางควบคุมความไวของกระสวยกล้ามเนื้อด้วยระบบ fusimotor system (ระบบสั่งการกระสวย)
ซึ่งประกอบด้วยกระสวยกล้ามเนื้อและเซลล์ประสาท fusimotor ซึ่งก็คือ เซลล์ประสาทสั่งการแกมมาและเซลล์ประสาทสั่งบีตา
แต่เพราะเซลล์ประสาทสั่งการบีตาส่งเส้นใยประสาทไปยังทั้ง extrafusal muscle fiber และ intrafusal muscle fiber จึงอาจเรียกอย่างเฉพาะเจาะจงกว่าว่า skeletofusimotor neuron
เซลล์ประสาทสั่งการแกมมาเป็นตัวส่งกระแสประสาทนำออกจากระบบประสาทกลางของ fusimotor system ในนัยกลับกัน กระสวยกล้ามเนื้อเป็นตัวส่งข้อมูลความยาวกล้ามเนื้อไปยังไขสันหลังและสมอง

stretch reflex

stretch reflex เป็นรีเฟล็กซ์หดเกร็งกล้ามเนื้อผ่านไซแนปส์เดียวที่ตอบสนองต่อการยืดกล้ามเนื้อ
เป็นการคงความยาวของกล้ามเนื้อโครงร่างโดยอัตโนมัติ
คือเมื่อกล้ามเนื้อยืด ตัวรับรู้การยืดกล้ามเนื้อคือ muscle spindle (กระสวยกล้ามเนื้อ) ก็จะยืดด้วยแล้วเพิ่มการส่งกระแสประสาท
ซึ่งเพิ่มการทำงานของเซลล์ประสาทสั่งการอัลฟาอันส่งกระแสประสาทไปยังกล้ามเนื้อเดียวกัน แล้วทำให้เส้นใยกล้ามเนื้อหดเกร็ง เป็นการต้านการยืดกล้ามเนื้อ
เซลล์ประสาทสั่งการแกมมาควบคุมว่ารีเฟล็กซ์นี้ไวแค่ไหนโดยหดเกร็งหรือคลายเส้นใยกล้ามเนื้อของกระสวยกล้ามเนื้อ

การกระตุ้นเซลล์ประสาทสั่งการอัลฟาและแกมมาให้ทำงานพร้อมกัน

เมื่อระบบประสาทกลางสั่งเซลล์ประสาทสั่งการอัลฟาให้ส่งกระแสประสาท มันก็สั่งเซลล์ประสาทสั่งการแกมมาให้ทำด้วยเช่นกัน
ซึ่งดำรงความตึงของกระสวยกล้ามเนื้อ เป็นกระบวนการที่เรียกว่า alpha gamma co-activation
เส้นใยฝอยกล้ามเนื้อ (myofibril) ของกระสวยกล้ามเนื้อซึ่งหดเกร็งได้จะอยู่ที่ส่วนสุดทั้งสองของกระสวยเท่านั้น นี่ไม่เหมือนกับเส้นใยกล้ามเนื้อธรรมดาคือ extrafusal muscle fiber 
กระแสประสาทจากเซลล์ประสาทสั่งการแกมมาจะทำให้เส้นใยฝอยกล้ามเนื้อของกระสวยหดตัว ทำให้ส่วนกลางของกระสวยตึงขึ้น และรักษาความไวรับรู้ความยาวกล้ามเนื้อของกระสวย
ถ้าไม่ได้เซลล์ประสาทสั่งการแกมมา กระสวยกล้ามเนื้อก็จะหย่อนยิ่งขึ้น ๆ เมื่อกล้ามเนื้อหดเกร็งมากขึ้น
ซึ่งทำให้กระสวยกล้ามเนื้อไม่สามารถตรวจจับการยืดของกล้ามเนื้ออย่างแม่นยำเพราะมันหย่อนมาก
แต่เพราะกระตุ้นให้ทำงานพร้อมกัน เส้นใยกล้ามเนื้อในกระสวยก็จะตึงตามเส้นใยกล้ามเนื้อนอกกระสวยซึ่งเป็นตัวออกแรงของกล้ามเนื้อจริง ๆ 
กระสวยได้เส้นใยประสาทรับความรู้สึกแบบ Ia ซึ่งดำเนินไปยุติที่เซลล์ประสาทสั่งการอัลฟา 
การดึงกระสวยกล้ามเนื้อให้ตึงจึงทำให้เส้นใยประสาทสามารถตรวจจับความเปลี่ยนแปลงการยืดกล้ามเนื้อแม้เล็กน้อยได้

Gamma bias

Gamma bias หมายถึงการทำงานที่มีอย่างสม่ำเสมอของเซลล์ประสาทสั่งการแกมมา
เพราะเซลล์ประสาทที่เล็กกว่าต้องได้การกระตุ้นในระดับที่น้อยกว่าเพื่อให้ถึงขีดเริ่มเปลี่ยนในการส่งกระแสประสาทเทียบกับเซลล์ประสาทที่ใหญ่กว่า
ดังนั้น เซลล์ประสาทสั่งการแกมมาซึ่งเล็กกว่าเซลล์ประสาทสั่งการอัลฟา จึงมีโอกาสส่งกระแสประสาทมากกว่า
ซึ่งก่อสถานการณ์ที่มีเซลล์ประสาทสั่งการอัลฟาค่อนข้างน้อยที่ส่งสัญญาณ แต่เซลล์ประสาทสั่งการแกมมากลับส่งสัญญาณอย่างต่อเนื่อง เป็นสถานการณ์ที่การยืดกล้ามเนื้อหรือการออกแรงไม่มีจริง ๆ 
ความไวของปลายประสาทรับความรู้สึก (คือปลายประสาทปฐมภูมิ Ia และทุติยภูมิ II) ของกระสวยกล้ามเนื้อจะขึ้นอยู่กับระดับ gamma bias ซึ่งก็คือระดับการส่งกระแสประสาทเป็นพื้นหลังของเซลล์ประสาทสั่งการแกมมา

สถิต

เซลล์ประสาทสั่งการแกมมาแบบสถิตส่งเส้นประสาทไปยัง static nuclear bag fiber (bag2 fiber) และ nuclear chain fiber
ทั้งสองเป็นส่วนของ intrafusal muscle fiberนิวเคลียสของ nuclear chain fiber จัดเป็นแถวตามยาว ซึ่งให้ชื่อแก่มัน เทียบกับ nuclear bag fiber ซึ่งมีนิวเคลียสจุกอยู่ที่ตรงกลาง
อัตราส่วนของ nuclear chain fiber ต่อ nuclear bag fiber อยู่ที่ประมาณ 2:1
เซลล์ประสาทสั่งการแกมมาแบบสถิตเพิ่มอัตราการส่งกระแสประสาทของพวกมันเมื่อตอบสนองต่อความยาวกล้ามเนื้อในระดับต่าง ๆ และควบคุมความไวสถิตของ stretch reflex
ในแมว เซลล์ประสาทแกมมาแบบสถิตทำงานเพิ่มขึ้นเมื่อเคลื่อนไหวร่างกายเร็วขึ้นหรือยากขึ้น เช่น จากนอน เป็นยืน เป็นเดินเร็วหรือเดินบนราว แต่ในมนุษย์ การควบคุมเซลล์ประสาทแกมมาแบบสถิตและแบบพลวัตอย่างเป็นอิสระจากกันและกันยังไม่ชัดเจน

อิทธิพลของ nuclear chain fiber

ผลของเส้นใยกล้ามเนื้อ nuclear chain fiber ต่อเส้นใยประสาทนำเข้าปฐมภูมิก็คือขับให้ส่งกระแสประสาทเพิ่มขึ้นเชิงเส้นจนถึงความถี่ราว ๆ 60 เฮิรตซ์ แต่มากกว่านั้นกระแสประสาทจะเริ่มไม่เป็นระเบียบ
ส่วน nuclear bag₂ fiber จะทำให้ส่งกระแสประสาทเบื้องต้นเพิ่มอย่างรวดเร็วแต่ก็ลดอัตราลงเมื่อปลายรับความรู้สึกเริ่มปรับตัว
เส้นใยกล้ามเนื้อนี้ยังลดความไวเชิงพลวัตของเส้นใยประสาทนำเข้าปฐมภูมิ (Ia afferent) และบางครั้งยังลดความไวการรับรู้ความยาวอีกด้วย
ส่วน nuclear bag₁ fiber มีผลเพิ่มทั้งความไวความยาวและความไวเชิงพลวัตของเส้นใยประสาทนำเข้าปฐมภูมิ
เชื่อว่า เส้นใยประสาทนำเข้าทุติยภูมิมีหน้าที่ตรวจจับความยาวและการหดเกร็งของเส้นใย nuclear chain fibers ที่ข้างทั้งสอง เพราะการทำงานของเซลล์ประสาทสั่งการแกมมาแบบสถิตทั้งกระตุ้นเส้นใยประสาทนำเข้าและเพิ่มความไวการตรวจจับความยาวของมัน
เส้นใยกล้ามเนื้อ bag₁ และ bag₂ ได้เส้นประสาทน้อยมากจากเส้นใยประสาทรับความรู้สึกทุติยภูมิ ดังนั้น การกระตุ้นเส้นใยกล้ามเนื้อเหล่านั้นมีผลน้อยต่อการส่งกระแสประสาทของเส้นใยประสาทรับความรู้สึกทุติยภูมิ

พัฒนาการ

ในตัวอ่อน เซลล์ประสาทสั่งการแกมมาพัฒนามาจาก basal plate ของ neural tube
ส่วนด้านล่าง (ventral) ต่อจาก sulcus limitans
เซลล์ประสาทแกมมาจะพัฒนาคล้ายกับเซลล์ประสาทสั่งการอัลฟาในเบื้องต้น
โปรตีน sonic hedgehog (ยีน Shh) สำคัญในกระบวนการพัฒนาการ แกนสันหลัง (notochord) เป็นตัวหลั่งโปรตีนออกให้มีความเข้มข้นเป็นเกรเดียนต์
นอกจากโปรตีนนี้โมเลกุลบ่งชี้ (molecular marker) และ transcription factor
อื่น ๆ ก็มีบทบาทเปลี่ยนสภาพเซลล์ประสาทสั่งการให้กลายเป็นเซลล์ประสาทสั่งการแกมมาโดยเฉพาะ
เซลล์ประสาทสั่งการแกมมาเหมือนกับเซลล์อื่นคือจะแสดงออก genetic marker โดยเฉพาะ ๆ เมื่อสัตว์เกิด
Glial cell line-derived neurotrophic factor (GDNF) ที่มาจากกระสวยกล้ามเนื้อก็ต้องมีด้วยเพื่อให้รอดชีวิตได้หลังเกิด
ตัวอ่อนหนูวันที่ 17.5 จะเริ่มหลั่งโปรตีน Wnt7A เป็นโมเลกุลส่งสัญญาณ (signaling molecule) โดยเฉพาะในเซลล์ประสาทสั่งการแกมมา
เป็นโมเลกุลแรกสุดในเซลล์ที่แยกมันจากเซลล์ประสาทสั่งการอัลฟา
อนึ่ง ตัวรับเซโรโทนิน 1d (serotonin receptor 1d คือ 5-ht 1d) ได้สรุปว่าเป็นตัวบ่งชี้เซลล์ประสาทสั่งการแกมมาชนิดใหม่ที่ทำให้นักวิจัยแยกแยะเซลล์ประสาทสั่งการล่างชนิดต่าง ๆ ได้
หนูที่ไร้ตัวรับเซโรโทนิน 1d มีรีเฟล็กซ์แบบมีไซแนปส์เดียว (คือ มี reflex arc ซึ่งมีแค่เซลล์ประสาทรับความรู้สึกเดียวกับเซลล์ประสาทสั่งการเดียว) จำนวนลดลง ซึ่งอาจเกิดจากการตอบสนองที่ลดลงของเซลล์ประสาทสั่งการต่อตัวกระตุ้นความรู้สึก
อนึ่ง หนูที่มียีนถูกน๊อกเอาท์ (knockout) ไม่ให้มีตัวรับเซโรโทนินปรากฏกว่าทรงตัวได้ดีกว่าบนม้าขวาง (ราว) ซึ่งอาจแสดงว่า เซลล์ประสาทสั่งการที่ทำงานตอบสนองเส้นใยประสาทรับความรู้สึกปฐมภูมิ (Ia) ในระดับที่ลดลงในช่วงที่เคลื่อนไหวอาจลดการส่งกระแสประสาทสั่งการและลดการออกแรงกล้ามเนื้อเกิน
โมเลกุลบ่งชี้เซลล์ประสาทสั่งการแกมมาอีกอย่างหนึ่งเป็น transcription factor คือ Err3
ซึ่งเซลล์ประสาทสั่งการแกมมาแสดงออกในระดับสูง แต่เซลล์ประสาทสั่งการอัลฟาแสดงออกน้อยมาก
ในนัยตรงกันข้าม เซลล์ประสาทสั่งการอัลฟามี neuronal DNA binding protein
คือ NeuN มากกว่าอย่างสำคัญ
osteopontin ซึ่งเป็นโปรตีนที่แสดงออกในกระดูก (จึงมีคำอุปสรรคเป็น "osteo-") ก็เป็นสารบ่งชี้เซลล์ประสาทสั่งการอัลฟาด้วย
ซึ่งก็ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถแยกแยะเซลล์ประสาทสั่งการทั้งสอง
งานศึกษาหนึ่งได้สรุปเช่นนี้เพราะ osteopontin มีอยู่ในเซลล์ตัวใหญ่กว่า จึงระบุว่าเป็นเซลล์ประสาทสั่งการอัลฟาเพราะมีตัวเซลล์ใหญ่กว่าเซลล์ประสาทสั่งการแกมมา

ความตึงกล้ามเนื้อ (tone)

แม้กล้ามเนื้ออาจคลายตัวได้ทั้งหมด แต่โดยทั่วไปก็จะมีความตึงระดับพัก
นี่เรียกว่า ความตึงกล้ามเนื้อ (muscle tone) โดยเซลล์ประสาทสั่งการที่ส่งเส้นประสาทไปยังกล้ามเนื้อเป็นผู้ดำรงรักษา
เพื่อรักษาท่าทางและช่วยให้เคลื่อนไหวได้เร็วกว่า เพราะถ้ากล้ามเนื้อคลายตัวทั้งหมด เซลล์ประสาทก็จะต้องส่งกระแสประสาทมากกว่าเมื่อต้องออกแรง
แรงตึงในกล้ามเนื้อขึ้นอยู่โดยหลักกับกระแสประสาทระดับพักของเซลล์ประสาทสั่งการอัลฟา 
เซลล์ประสาทสั่งการแกมมาก็มีบทบาทผ่านผลของมันต่อ intrafusal muscle fiber
คือ intrafusal muscle fiber ก่อกระแสประสาทระดับพักที่เส้นใยประสาทนำเข้า Ia ซึ่งก็ทำให้เซลล์ประสาทสั่งการอัลฟาส่งกระแสประสาทอย่างสม่ำเสมอ
ความตึงกล้ามเนื้อยังอาจมาจากการส่งกระแสประสาทแบบ tonic
ของเซลล์ประสาทสั่งการแกมมาอีกด้วย
โดยเซลล์ได้การกระตุ้นจาก reticular formationในสมอง
ซึ่งยืดกระสวยกล้ามเนื้อ ซึ่งก็กระตุ้นเซลล์ประสาทสั่งการอัลฟา แล้วในที่สุดทำให้กล้ามเนื้อหดเกร็งเป็นบางส่วน

การทำงานผิดปกติ

ภาวะกล้ามเนื้อตึงตัวน้อย (hypotonia) อาจเกิดเพราะความเสียหายต่อเซลล์ประสาทสั่งการอัลฟา หรือต่อเส้นใยประสาทนำเข้า Ia ที่ส่งข้อมูลความรู้สึก
ซึ่งทำให้กล้ามเนื้อตึงตัวน้อยลง
ภาวะตรงกันข้าม คือ ภาวะกล้ามเนื้อตึงตัวมาก (hypertonia) อาจเป็นเพราะความเสียหายต่อวิถีประสาทที่ส่งจากสมองมาสุดที่ไขสันหลัง
ซึ่งเพิ่มความตึงตัวกล้ามเนื้อเพราะเพิ่มการตอบสนองของเซลล์ประสาทสั่งการอัลฟาต่อกระแสประสาทจากเส้นใยประสาทรับความรู้สึก Ia
การหดเกร็งกล้ามเนื้อ/กล้ามเนื้อกระตุกอาจเกิดจากความไม่สมดุลของการส่งกระแสประสาทระหว่างเซลล์ประสาทสั่งการอัลฟากับแกมมา คือ อันใดอันหนึ่งส่งกระแสประสาทเกิน
ความไม่สมดุลเกิดจากข้อมูลที่ไม่แม่นยำจากกระสวยกล้ามเนื้อ
คือเซลล์ประสาทรับความรู้สึกส่งข้อมูลที่ผิดพลาดไปยังสมองและไขสันหลัง
ยกตัวอย่างเช่น ถ้าคนไข้มีเซลล์ประสาทสั่งการแกมมาที่ทำงานเกิน ก็จะทำให้ร่างกายฝืนการเคลื่อนไหวเพราะเหตุภายนอก (เช่น คนอื่นทำให้เคลื่อน) มากเกิน เป็นภาวะที่อาจเรียกว่า ภาวะหดเกร็ง (spasticity)
ซึ่งมักพบในบุคคลที่มีระบบประสาทชั้นสูงกว่าเสียหายโดยมีผลต่อวิถีประสาทที่ส่งจากสมองลงมายังไขสันหลัง
ซึ่งบางครั้งทำให้ gamma bias (เป็นการส่งกระแสประสาทอย่างต่อเนื่องของเซลล์ประสาทสั่งการแกมมาบางกลุ่ม) มากหรือน้อยกว่าปกติ
สำหรับคนไข้ที่มีเกิน ปลายประสาทรับความรู้สึกภายในกระสวยกล้ามเนื้อก็จะส่งกระแสประสาทเกินทำให้กล้ามเนื้อเกร็งตัวเกินกว่าเหมาะสม
ซึ่งอาจก่อภาวะหดเกร็งตามที่ว่า
เซลล์ประสาทสั่งการแกมมาช่วยรักษากระสวยกล้ามเนื้อให้ตึง เป็นการปรับความไวของมัน
ดังนั้น ถ้าเซลล์ไม่ส่งกระแสประสาทอย่างสมควร กล้ามเนื้ออาจเคลื่อนไหวได้ไม่ดี
โดยจะมีผลต่อการทำงานละเอียด ๆ เช่นที่ทำด้วยนิ้วและตามากที่สุด เพราะกระสวยกล้ามเนื้อที่ไม่ตึงจะขัดขวางไม่ให้มันรับรู้การยืดของกล้ามเนื้อ
ซึ่งก็หมายความว่า จะเคลื่อนไหวอย่างแม่นยำไม่ได้
รอยโรคที่วิถีประสาทซึ่งส่งลงมาที่เซลล์ประสาทสั่งการล่างของแขน จะทำให้คนไข้ไม่สามารถทำการที่ละเอียดอ่อนได้
ในคลินิก สามารถตรวจบุคคลที่มี gamma gain เกินหรือน้อยเกินไปโดยขยับแขนของคนไข้
gamma gain เป็นกระบวนการที่ความเร่ง ความเร็ว และความยาวของกล้ามเนื้อเพิ่มขึ้นอย่างสมดุล ทำให้สามารถเคลื่อนไหวอย่างแม่นยำได้ในสถานการณ์ที่สมควร
ถ้าสามารถงอแขนคนไข้ที่ข้อศอกไป ๆ มา ๆ ได้ยาก คนไข้เรียกว่ามี gamma gain เกิน และถ้างอได้ง่ายเกิน คนไข้เรียกว่ามี gamma gain น้อยเกิน
ออสซิลโลสโคปสามารถใช้วัดศักยะงานของแอกซอนจากเซลล์ประสาทสั่งการเพื่อประเมินการทำงานของกล้ามเนื้อโดยทั่วไป
ถึงแม้จะไม่สามารถแยกแยะระหว่างเซลล์ประสาทสั่งการอัลฟากับแกมมา แต่ก็ช่วยให้เห็นว่าเซลล์ประสาทสั่งการทำงานปกติดีหรือไม่
ถ้ามีกระแสประสาทจากสมองในอัตราน้อยลง เซลล์ประสาทสั่งการจำนวนน้อยลงและขนาดเล็กลงจะทำงาน ทำให้กล้ามเนื้ออกแรงได้น้อย
ซึ่งเห็นได้ด้วยออสซิลโลสโคปเพราะมียอดตามแกนวายที่ต่ำกว่า