MED3: Thalamus og cortex cerebri. Espen Hartveit, Institutt for biomedisin (2017)

Transkript

1 MED3: Thalamus og cortex cerebri Espen Hartveit, Institutt for biomedisin (2017)

2 Thalamus og cortex cerebri Cortex cerebri Thalamus

3 Cortex cerebri

4 Thalamus og cortex cerebri Corpus callosum Nucleus caudatus Fornix Thalamus 3. ventrikkel Putamen Insula Sulcus lateralis Capsula interna Nucleus ruber Corpus geniculatum laterale Sideventrikkelens temporalhorn Brodal 4. utg., Fig Hippocampus Substantia nigra Pyramidebanen Pons

5 Thalamus (frontalsnitt) Nucleus anterior Lamina medullaris interna Nucleus medialis Nucleus lateralis Capsula interna Fasciculus mamillothalamicus Sulcus hypothalamicus Hypothalamus Putamen Fornix Globus pallidus 3. ventrikkel Tractus opticus Hypothalamus (nucleus arcuatus) Brodal 4. utg., Fig. 3.24

6 Thalamus (frontalsnitt) Thalamus Nucleus anterior Nucleus lateralis dorsalis (LD) Nucleus medialis dorsalis (MD) Nucleus reticularis thalami Nucleus ventralis lateralis (VL) x x Zona incerta Tractus mamillothalamicus Corpus mamillare Capsula interna Putamen Globus pallidus Crus cerebri Tractus opticus Corpus mamillare Brodal 4. utg., Fig. 21.8

7 Grå substans - Hvit substans Grå substans (bark) Hvit substans Grå substans (kjerner) Brodal 4. utg., Fig. 1.14

8 Lagdeling i neocortex: Laminae I - VI Golgiimpregnering Nisslfarging (tionin) Myelinfarging I. Lamina molecularis II. Lamina granularis ext. III. Lamina pyramidalis ext. IV. Lamina granularis int. V. Lamina pyramidalis int. VI. Lamina multiformis Brodal 4. utg., Fig Hvit substans

9 Brodmanns cytoarkitektoniske kart Vergleichende Lokalisationslehre der Großhirnrinde in ihren Prinzipien dargestellt auf Grund des Zellenbaues A- Von Dr. K. Assistenten am Brodmann neurobiologischen Laboratorium der Universität zu Berlin. Mit 150 Abbildungen im Text. Leipzig Korbinian Brodmann ( ) A photograph of Korbinian Brodmann that served as frontispiece in the original 1909 edition (and is also featured on the cover of this edition. The cover also shows two of the best known of Brodmann s maps of the human brain (Figs. 85 and 86), found on page 110 of this edition). Areae 1-44 Area 17 = VI Areae 3,1,2 = SI Areae 41,42 = AI Area 4 = MI Brodal 4. utg., Fig Verlag von Johann Ambrosius Barth 1909

10 Thalamocorticale forbindelser Bakre parietalcortex (5,7) SI MI SMA Gyrus cinguli Prefrontal cortex PMA SMA MI SI Bakre parietalcortex (5,7) Area striata (17) Temporal assosiasjonscortex Nucleus anterior Nucleus medialis dorsalis (MD) Auditiv cortex Intralaminære thalamuskjerner Pulvinar Temporal assosiasjonscortex Brodal 4. utg., Fig Nucleus lateralis (LP, LD) Nucleus ventralis (VPL, VPM, VL, VA) Corpus geniculatum mediale Corpus geniculatum laterale

11 Thalamocorticale forbindelser SI MI SMA PMA Prefrontalcortex VPL, VPM VL VA Fra basalgangliene (pallidothalamisk bane) Brodal 4. utg., Fig Lemniscus medialis Fra cerebellum (cerebellothalamisk bane)

12 Thalamus - nc. reticularis thalami

13 Thalamus - nc. reticularis thalami - cortex Brodal 4. utg., Fig. 21.9

14 Aksjonspotensialer for reléceller i thalamus A Oscillatory mode Tonic ( single spike) mode Oscillatory mode Depolarizing current injection -58 mv B -65 mv B Na + /K + action potentials C C 2 s E h -65 mv I h activate I T activate I h deactivate I T inactivate Pacemaker potential Removal of I T inactivation Ca 2+ spike Skurfyring ( burst firing ) vs. Enkeltimpulsfyring ( single spike firing ) 200ms 20 mv Fra Byrne & Roberts (2004) From Molecules to Networks

15 Lokalkretser i neocortex Input (fra thalamus) Interneuroner eksitatoriske inhibitoriske Output Cortical layer (gray matter) White matter I II and III IV V VI Local axon collateral Excitatory interneuron Inhibitory interneuron Pyramidal cell Descending axon (output) Boron & Boulpaep (2002) Medical Physiology 1. utg., Fig From thalamus (input) To other Outside neocortex neocortex and thalamus Copyright 2002, Elsevier Science (USA). All rights reserved.

16 Thalamus cortex Spesifikke thalamocorticale og corticothalamiske signaler Modulatoriske signaler

17 Efferenter fra laminae I - VI i neocortex

18 Topografisk representasjon = kart Definisjon: Naboområder i periferien er representert av naboområder i cortex A SOMATOSENSORY Upper lips Lips Lower lips Teeth Gums Jaw Eye Nose Face Tongue Pharynx Intra-abdominal Hand Fingers Thumb Elbow Forearm Lateral Arm Head Neck Trunk Hip Leg Foot Toes Genitals Midline Sensorisk Motorisk Syntetisk B MOTOR Eyebrow Eyelid and eyeball Face Lips Jaw Tongue Thumb Neck Swallowing Hand Wrist Little Ring Elbow Index Middle Shoulder Trunk Hip Ankle Toes Midline Boron & Boulpaep (2002) Medical Physiology 1. utg., Fig Lateral Copyright 2002, Elsevier Science (USA). All rights reserved.

19 Topografisk representasjon A SOMATOSENSORY Eye Nose Face Upper lips Lips Lower lips Teeth Gums Jaw Tongue Hand Fingers Thumb Forearm Elbow Arm Head Neck Trunk Hip Leg Foot Toes Genitals Pharynx Intra-abdominal Boron & Boulpaep (2002) Medical Physiology 1. utg., Fig Lateral Midline

20 Topografisk representasjon B MOTOR Eyebrow Eyelid and eyeball Face Lips Thumb Neck Hand Wrist Little Ring Elbow Index Middle Shoulder Trunk Hip Ankle Toes Jaw Tongue Swallowing Midline Boron & Boulpaep (2002) Medical Physiology 1. utg., Fig Lateral

21 Øyedominanskolonner i primær visuell cortex (area V1) A LAYERS OF AREA V1 Cytochrome oxidase blobs B SPLIT-OPEN VIEW Cytochrome oxidase blobs II, III I II, III IV IV Right eye Left eye Right eye Left eye V, VI V, VI Ocular dominance columns Copyright 2002, Elsevier Science (USA). All rights reserved. Right eye Left eye Ocular dominance columns Boron & Boulpaep (2002) Medical Physiology 1. utg., Fig

22 Plastisitet av topografisk representasjon A SOMATOSENSORY REORGANIZATION Owl monkey 3b (S1 proper) Body Face I H I T P4 P3 P2 P1 Dorsum D1 D5 D4 D3 D2 Normal organization Median (input) nerve cut Reorganization Dorsum H Dorsum H Dorsum H D5 P4 P4 P4 I D5 D5 I I D4 D4 D4 P3 P3 P3 D3 D3 D3 P2 I D3 I D2 Deprived D2 P1 T P3 H D1 D1 Portion corresponding to the palm deprived by the median nerve section...now corresponds to the dorsal (hairy) skin of the first three digits. B MOTOR-SYSTEM REORGANIZATION Rat cortex M1 M1 Eye FL Vibrissa N Trunk Forelimb Hind limb Eye FL Vibrissa N Trunk Forelimb Hind limb Eye Eye lid Trunk Forelimb Hind limb Jaw Jaw Weeks Jaw Normal organization Facial nerve cut Reorganization Copyright 2002, Elsevier Science (USA). All rights reserved. Boron & Boulpaep (2002) Medical Physiology 1. utg., Fig

23 Projeksjonsnevroner i neocortex Lamina 1 Apikal dendritt Glutamat 5 Akson 6 Rekurrent kollateral Hvit substans Brodal 4. utg., Fig. 21.5

24 Internevroner i neocortex Lamina GABA Brodal 4. utg., Fig. 21.6

25 Aksjonspotensialer for neuroner i cortex A INHIBITORY INTERNEURON I V m Pyramideceller (eksitatoriske) Interneuroner (inhibitoriske) Variasjon i ionekanaler B SMALL PYRAMIDAL CELL I 0 25 Time (msec) V m Neocortical interneuron Neocortical pyramidal cell msec 100 C LARGE PYRAMIDAL CELL I Change in V m (mv) 50 V m msec Time (msec) msec Boron & Boulpaep (2002) Medical Physiology 1. utg., Fig. 11.5

26 Synaptiske forbindelser Axospinous synapse Shaft synapse Soma Dendrite Axon Boron & Boulpaep (2002) Medical Physiology 1. utg., Fig Axodendritic synapses Axosomatic synapses Axoaxonic synapses Copyright 2002, Elsevier Science (USA). All rights reserved.

27 Dendrittiske spinae Copyright 2002, Elsevier Science (USA). All rights reserved. Boron & Boulpaep 1. utg., Fig. 12.6

28 Gray type I og type II synapser (cortex) Gray type I morfologi: asymmetrisk, eksitatorisk Gray type II morfologi: symmetrisk, inhibitorisk

29 Gray type I og type II synapser (cortex) INPUT Spinae Neuron med spinae (+) én type I, evt. én type I og én type II Neuron uten spinae (-) - Dendritt type I + II type I + II Soma type II type I + II Axon hillock type II - OUTPUT type I type II

30 MED3: Neuromodulatoriske systemer Espen Hartveit, Institutt for biomedisin (2017)

31 Neuromodulasjon Det retikulære aktiveringssystem Retikulærsubstansen Anatomisk lokalisasjon (hj.stammen, nc. basalis) Transmittersystemer (NA, 5-HT, DA, ACh, HA) Modulasjon av synaptisk transmisjon Modulasjon av nevronal eksitabilitet Relasjon til oppmerksomhet, søvn/våkenhet, stemningsleie, emosjoner Tilstandsavhengig signalbehandling ( state dependent signal processing )

32 Retikulærsubstansen Utgjør et overordnet styringsnivå i forhold til hjernenervekjerner og medulla spinalis ( premotoriske nettverk, jfr. Brodal) Påvirkning av synaptisk transmisjon i thalamus, cortex og medulla spinalis via ascenderende og descenderende baner, relatert til oppmerksomhet, aktivering og våkenhet/søvn (neuromodulatorisk kontroll) Lokalisert i hjernestammen

33 Retikulærsubstansens struktur nettverk av cellelegemer og nervefibre (aksoner, dendritter), lav celletetthet, varierende cellestørrelse kan til en viss grad inndeles i kjerner ihht. cytoarkitektoniske kriterier, en lang rekke kjerner (>40) med egne navn, funksjonell betydning stort sett ukjent nyere data basert på celle-gruppers nevrokjemiske spesifisitet mere informativt mhp. mulig funksjon Medulla oblongata

34 Retikulærsubstansens ~mediale 2/3 struktur store celler, gir opphav til lange opp- og nedadstigende baner til medulla spinalis, thalamus og cortex ~laterale 1/3 små celler, målområde for mange afferente fibre karakteristisk cellulær struktur, lange dendritter, lange aksoner med kollateraler, transverselt forløp, laminær struktur? Colliculus superior Periakveduktale grå substans (PAG) Rafekjerner Substantia nigra Pedunculus cerebellaris superior Rafekjerner Ponskjernene Trigeminuskjerne Nc. reticularis gigantocellularis Nc. raphe magnus

35 Retikulærsubstansens struktur Hypoglossuskjernen Nc. reticularis gigantocellularis Akson Oliva inferior Pyramidebanefibre Pons Orientering av dendritt-trær i retikulærsubstansen Medulla oblongata Brodal 4. utg., Fig. 16.3

36 Afferente forbindelser til RS Fra andre områder i RS Fra områder utenfor RS medulla spinalis (spinoretikulære fibre) kollateraler fra sensoriske fibre spinothalamiske fibre trigeminothalamiske fibre auditive fibre vestibulære fibre viscerale sensoriske colliculus superior (visuelle signaler) cortex cerebri (corticoretikulære fibre) motoriske hjernenervekjerner hypothalamus basalangangliene cerebellum

37 Efferente forbindelser fra RS Aksoner til områder innen RS (multisynaptiske kretser) Aksoner som projiserer til områder utenfor RS kjerner i hjernestammen (spesielt hjernenervekjerner) thalamuskjerner (både spesifikke og intralaminære) hypothalamus cortex cerebri cerebellum medulla spinalis Tractus reticulospinalis: RS internevroner i medulla spinalis preganglionære sympaticusnevroner motonevroner

38 Funksjonelle forhold kompensatoriske bevegelser av øyne, hode og kropp for å opprettholde stilling orienterende bevegelser av øyne, hode og kropp mot interessante stimuli kontroll av muskeltonus kontroll av respirasjon og blodtrykk modulasjon av synaptisk transmisjon i thalamus og cortex Sensorisk input (polymodalt) Integrasjon i RS Koordinert respons Motorisk respons: -somatisk -autonom Aktivering : -thalamus -cortex

39 Modulatoriske systemer: NA, 5-HT, DA, ACh, HA A NOREPINEPHRINE B SEROTONIN Neocortex Thalamus Basal ganglia Hypothalamus Amygdala Cerebellum Hippocampus Locus coeruleus To spinal cord Raphe nuclei C DOPAMINE D ACETYLCHOLINE Prefrontal cortex Nucleus accumbens Caudate nucleus and putamen Substantia nigra Cingulate bundle Fornix +HISTAMIN! Septal nuclei Ventral tegmental area Nucleus basalis Pontomesencephalotegmental complex Copyright 2002, Elsevier Science (USA). All rights reserved. Boron & Boulpaep (2002) Medical Physiology 1. utg., Fig. 12.8

40 Modulatoriske systemer: NA A NOREPINEPHRINE Neocortex Thalamus Hypothalamus Amygdala Hippocampus Locus coeruleus To spinal cord Cerebellum Boron & Boulpaep (2002) Medical Physiology 1. utg., Fig. 12.8

41 Noradrenalin - Locus coeruleus Locus coeruleus Pedunculus cerebellaris superior 4. ventrikkel 4. ventrikkel Pontin retikulærsubstans Lemniscus medialis Locus coeruleus Ponskjernene Pons (tverrsnitt) Brodal 4. utg., Fig. 16.7

42 Modulatoriske systemer: 5-HT B SEROTONIN Basal ganglia Raphe nuclei Boron & Boulpaep (2002) Medical Physiology 1. utg., Fig. 12.8

43 Modulatoriske systemer: 5-HT

44 Serotonin (5-HT) - Rafekjerner Spinale trigeminuskjerne Rafekjerner Oliva inferior Lemniscus medialis Pyramiden Medulla oblongata (tverrsnitt) Brodal 4. utg., Fig. 16.5

45 Modulatoriske systemer: DA C DOPAMINE Prefrontal cortex Nucleus accumbens Caudate nucleus and putamen Substantia nigra (pars compacta) Ventral tegmental area =Area tegmentalis ventralis (VTA) Boron & Boulpaep (2002) Medical Physiology 1. utg., Fig. 12.8

46 Modulatoriske systemer: ACh D ACETYLCHOLINE Cingulate bundle Fornix Septal nuclei Nucleus basalis Pontomesencephalotegmental complex Boron & Boulpaep (2002) Medical Physiology 1. utg., Fig. 12.8

47 Cholinerge cellegrupper (Ch1 - Ch8) Cholinerge cellegrupper i basale prosencephalon Ch1 = mediale septumkjerne ( hippocampus) Ch2 = vertikale kjerne i Brocas diagonale bånd ( hippocampus) Ch3 = horisontale del av kjernen i Brocas diagonale bånd ( bulb. olf.) Ch4 = nucleus basalis (Meynert) ( cortex cerebri, amygdala) Cholinerge cellegrupper i hjernestammen Ch5 ~ PPT = nc. pedunculopontinus tegmentalis Ch6 ~ LDT = nc. laterodorsalis tegmentalis Ch5 + Ch6 = peribrachiale region (PBR) ( thalamus) Ch7 = mediale habenula ( nc. interpeduncularis) Ch8 = nc. parabigeminalis ( colliculus superior)

48 Andre neuromodulatoriske cellegrupper i hjernestammen A1 - A7 = noradrenerge cellegrupper i pons og medulla oblongata (A6 = locus coeruleus) A8 - A15 = dopaminerge cellegrupper B1 - B9 = serotonerge cellegrupper (~rafekjernene) C1 - C3 = adrenerge cellegrupper i medulla oblongata

49 Modulatoriske systemer: Histamin Nc. tuberomammillaris (i posterolaterale hypothalamus) L. Heimer (1995) The Human Brain and Spinal Cord 2nd ed., Fig

50 Basale prosencephalon Basal forebrain area, Substantia innominata Lokalisering: Basalt i hemisfærene, under og medialt for basalgangliene Struktur (tre overlappende områder): Nc. basalis (Meynert) Ventrale striatopallidum Ekstenderte (forlengede) amygdala (langs stria terminalis) Cholinerge neuroner med projeksjon til cortex: Nc. basalis neocortex Septumkjernene Brocas diagonale bånd } hippocampus

51 Basale prosencephalon Nc. caudatus Fornix Bed nucleus of stria terminalis (forlengede amygdala) Putamen Globus pallidus Insula Claustrum Ventrale pallidum Nucleus basalis Uncus Amygdala Brodal 4. utg., Fig. 20.8

52 Temporale aspekter mhp. synaptisk transmisjon TYPE OF ACTION 1 msec 1 sec TIME COURSE 16 min 10 days EXAMPLES Fast transmission Acetylcholine (nicotinic) Amino acids Slow transmission Acetylcholine (muscarinic) Catecholamines Facilitation and depression Many transmitters Modulation Peptides sec Copyright 2002, Elsevier Science (USA). All rights reserved. Boron & Boulpaep (2002) Medical Physiology 1. utg., Fig. 12.3

53 Spesifikk vs. uspesifikk innervasjon A SPATIALLY FOCUSED B WIDELY DIVERGENT Copyright 2002, Elsevier Science (USA). All rights reserved. Boron & Boulpaep (2002) Medical Physiology 1. utg., Fig Høy grad av divergens Volumtransmisjon Metabotrope reseptorer

54 Synaptisk transmisjon - neuromodulasjon PRIMARY VISUAL CORTEX Lateral geniculate nucleus of thalamus Axon from locus coeruleus Norepinephrineutilizing synapse (modulatory) Axon from lateral geniculate nucleus Eye Retinal neuron Locus coeruleus in brain stem Glutamate-utilizing synapse GABA-utilizing synapse Copyright 2002, Elsevier Science (USA). All rights reserved. Boron & Boulpaep (2002) Medical Physiology 1. utg., Fig Høy grad av divergens Volumtransmisjon Metabotrope reseptorer

55 Modulasjon av fyringsmønster i cortex (NA) A CONTROL B NOREPINEPHRINE (NE) C WASHOUT OF NE Stimulus wave (na) 0.25 Membrane potential (mv) 0 70 Copyright 2002, Elsevier Science (USA). All rights reserved Time (msec) msec msec Pyramidecelle i hippocampus Fasisk vs. tonisk fyring av aksjonspotensialer Metabotrope reseptorer Boron & Boulpaep (2002) Medical Physiology 1. utg., Fig

56 Mekanismer for neuromodulasjon A LIGAND-GATED CHANNEL Ligandgated channel Extracellular space NT B C AMPLIFICATION BY A MEMBRANEDELIMITED PATHWAY 1 A neurotransmitter can activate multiple G proteins NT G protein α βγ subunit can open multiple channels. + K channel K+ Receptor NT NT G protein activated channel AMPLIFICATION BY A SIGNALLING CASCADE β γ α γ AC Cytosol 5 Each kinase can phosphorylate and open many K+ channels. Ion 2 whose α subunits may activate many adenylyl cyclases camp 3 which in turn can make many camp molecules Copyright 2002, Elsevier Science (USA). All rights reserved. β P K + camp camp camp camp 4 which activate many protein kinase A molecules. PKA Boron & Boulpaep (2002) Medical Physiology 1. utg., Fig

57 Divergente og konvergente transmittereffekter A DIVERGENT TRANSMITTER ACTIONS Transmitter Adrenergic receptor and signal-transduction cascade Channel and its effect I A α 1 Gα q PLC PKC I K + (leak) Gα i or Gα o I K + NE α 2 Gα i or Gα o PLC PKC I Ca 2+ I AHP I A β Gα s Adenylyl cyclase camp I K + (leak) I Ca 2+ I h Boron & Boulpaep (2002) Medical Physiology 1. utg., Fig

58 Divergente og konvergente transmittereffekter B CONVERGENT TRANSMITTER ACTIONS Transmitter GABA 5-HT Receptor and G protein GABA 5-HT 1A Channel and its effect Adenosine ACh Enk A 1 M 2 µ Gα i or Gα o I K + NE α 2 DA D 2 SS SSTR Boron & Boulpaep (2002) Medical Physiology 1. utg., Fig

59 Modulasjon av fyringsmønster i thalamus A Oscillatory mode Tonic ( single spike) mode Oscillatory mode Depolarizing current injection -58 mv -65 mv B C 2 s Reléceller i thalamus Skurfyring vs. enkeltimpulsfyring ( bi-stabilitet ) Moduleres av input fra hjernestammen (spesielt ACh og NA; økt input fører til enkeltimpulsfyring)

60 Modulasjon av fyringsmønster i thalamus