Motoriske systemer. Motorisk Cortex (Brodman area 4)

Transkript

1 Motoriske systemer En oversikt Trond Sand Figurer fra Kandel, Schwartz and Jessel. Principles of Neural Science ed 3 og ed 4 og Brodal P. Sentralnervesystemet 4 utgave Motorisk Cortex (Brodman area 4) 1

2 Brodal Sentralnervesystemet 4 utg 2007 Premotorisk stimulering forårsaker sammensatte bevegelser Purves Neuroscience 5th ed

3 Blodstrømsøkning (CBF- SPECT, fmri, PET) Kompleks bevegelse og Mental øving 3

4 Flere områder i frontallappen planlegger sammensatte bevegelser Premotorisk area (lateralt foran primær motorisk area/korteks) Synsregulerte bevegelser, stimuli som normalt leder til bevegelse Speil-nervroner: innlæring ved å se på andre Forbindelser fra bakre parietalkorteks Supplementærmotorisk area (medialt foran primær motorisk area/korteks), - Sekvenser, for eksempel høyre+venstre-koordinerte bevegelser Mental øving Prefrontal korteks (frontal korteks foran premotorisk/supplementær motorisk område) Kognitiv (og emosjonell) del av motorisk planlegging (mål/strategi) (Area, område og korteks brukes om hverandre. ) Et nettverk omfatter områdene (multiple kortikale kolonner), aksonforbindelser mellom kolonnene + kortikokortikale baner + subkortikale områder, som binder områdene sammen i «funksjonelle nettverk» Nettverk i hjernen: For eksempel forbindelse mellom sensoriske assosiasjonsområder og motoriske planleggingsområder 4

5 Motorisk kontroll: Lateral og ventral corticospinal bane Premotorisk korteks Pyramidebanen går gjennom capsula interna og krysser midtlinjen ved medulla oblongata Pyramidebanen= lateral kortikospinal bane. Ventral kortikospinal bane gir bilateral innervasjon 5

6 Plantarrefleks inversjon (Babinskis tegn) ved lesjon i capsula interna Basalganglier og Cerebrocerebellum deltar i motorisk planlegging og læring, spinocerebellum deltar i utførelse SMA er ett premotorisk område (for distale muskler) Premotorisk frontal cortex (area 6) er et annet premotorisk område for proksimale muskler Premotoriske områder har cellegrupper som lager motoriske programmer for bevegelser Cortico-corticale sløyfer 6

7 Basalgangliene har forbindelse fra en stor del av cortex: Betydning også for motivasjon og emosjoner knyttet til bevegelser (skifte av adferd, seleksjon av adferd)? OBS. Egentlig flere parallelle kretser! Cerebellum har forbindelser fra en mer begrenset del av cortex og ryggmargen 7

8 Basalgangliene Fysiologi Basalgangliene Striatum (består av to deler) Nucleus caudatus Putamen Globus pallidus (GP) ytre del indre del Substantia nigra (SN) pars compacta (SNc) pars reticulata (SNr) Nucleus subthalamicus (STN) 8

9 Basalganglier i Tverrsnitt Cortex (og thalamus) sender fibre til putamen og caudatus (=striatum) prefrontal korteks og sens. assosiasjonskorteks M1 og S1 9

10 Direkte (+) og indirekte (-) bane går fra striatum til globus pallidus (GP) Indirekte vei går videre med en inhibitorisk bane til nu. subthalamicus og en eksiterende bane tilbake til GP (indre segment) Direkte vei også til Substantia nigra (SN) Rødt er eksitasjon Grått er inhibisjon Kandel E.. Principles of neural science ed 4 Direkte vei: Nevroner i GP (indre segment) har forbindelser til thalamus og videre opp til supplementær motorisk cortex. GPi og SNr har forbindelse til og fra forskjellige deler av korteks og striatum Direkte vei er tegnet GPi og SNr har lik cytoarkitektur og funksjon Brodal PSentralnervesystemet 2007 Fra SN tilpons (SC og PPN) 10

11 Direkte (og indirekte) vei har nevroner med glutamat (+) og GABA (-) som transmittere Brodal P. Sentralnervesystemet 2007 Disinhibisjon (- - = +) i direkte vei GP interna/snr har tonisk aktive neuroner som hemmer thalamus som igjen stimulerer cortex) Brodal PSentralnervesystemet

12 Direkte og indirekte vei: Oppsummering Direkte vei hemmer en hemmende bane fra Globus pallidus indre del til thalamus (og pons)* Indirekte vei stimulerer den samme hemmende banen fra GPi til thalamus Fra thalamus går fiberforbindelser som stimulerer motorisk korteks (mest SMA og PMA) Når cortex starter en bevegelse og derved også aktiverer striatum vil den direkte vei stimulere (fasilitere) bevegelsen mens den indirekte vei hemmer bevegelsen. *kalles disinhibisjon I tillegg til indirekte vei har vi også dopaminsløyfen Fra striatum til substantia nigra (kompakte delkjerne - SNc) Fra SNc tilbake til striatum (både caudatus og putamen) med dopamin som transmitter To ulike striatale nevrontyper påvirkes av dopamin: D1 og D2 D1 eksiteres, D2 hemmes. 12

13 Dopaminholdige nevroner i substantia nigra sender aksoner til striatum og modulerer to typer projeksjonsnevroner og internevroner D1 D2 Substantia nigra får også fibre fra STN, PPN, rafekjernene og LC Brodal PSentralnervesystemet 2007 De to typene projeksjonsnevroner samsvarer i hovedsak med den direkte og den indirekte vei Husk at dette er en forenklet modell Brodal PSentralnervesystemet

14 Mange neuroner i striatum (putamen og caudatus) har dopaminerge reseptorer De to celletypene har ulik type dopaminreseptor i striatum: D1r og D2r + på D1 To typer baner går videre - på D2 Kandel E.. Principles of neural science ed 4 Dopaminerge nevroner fra SNc Dopamin stimulerer (eksiterer via camp og EPSP) D1-nevroner i den direkte vei: Fasiliterer bevegelse Dopamin hemmer (inhiberer via IPSP) D2 nevroner i den indirekte veien: Hemmer en hemmende vei (- - = +, disinhibisjon) Derfor vil substantia nigras nevroner bidra til å fasilitere bevegelse i begge veier fordi D1 og D2 har motsatt virkning på projeksjonsnevronene* Repetisjon: Projeksjonsnevroner i direkte vei stimulerer bevegelse Projeksjonsnevroner i indirekte vei hemmer bevegelse 14

15 Dopaminerge nevroner i substantia nigra degenererer ved Parkinsons sykdom og fasilitering av bevegelser faller bort SNc: Bane fra Substantia nigra pars compacta Kandel E.. Principles of neural science ed 4 Hovedsymptomer ved Parkinsons sykdom: 1.Hypokinesi (hemmet bevegelighet) SN-nevroner degenererer 2. Rigiditet (motstand mot passive bevegelser) 3.Tremor (skjelving) økt hemming av PPN viktig for hypokinesi Økt aktivitet i STN Kandel E.. Principles of neural science ed 4 15

16 Det er ingen diagnostiske CT eller MR funn ved Parkinsons sykdom eller andre hjernesykdommer med celletap assosiert med opphoping av alphasynuclein som MSA. Diagnosen er klinisk. Noen ganger kan isoptopundersøkelser av hjerne brukes. Positron emisjons tomografi (PET): Endret metabolisme i basalganglier. Opphopning av α-syn kortikalt (Brooks 16) Zou 16 DAT-scan er en isotopbasert hjerneskanning som gir informasjon om dopamin nivå i basalganglier. Degenerasjon av nevroner i putamen gir ufrivillige bevegelser av typen chorea (Manglende hemming i indirekte vei gir mer disinhibisjon av thalamus) Kandel E.. Principles of neural science ed 4 16

17 Skade i nucleus sub-thalamicus gir det kliniske bildet hemiballisme (grunnet svekket hemming av thalamus fra GPi via den indirekte bane) Kandel E.. Principles of neural science ed 4 Parkinsons sykdom kan også behandles med funksjonell nevrokirurgi =implantert stimuleringselektrode i STN eller GPi Kandel E.. Principles of neural science ed 4 17

18 Oppsummering av Basalganglienes forbindelser: Indirekte vei (hemmer) SN- (dopamin) sløyfen (eksiterer) Transmittere er angitt Direkte vei (eksiterer) OBS Modellen er en forenkling og forklarer ikke alle forhold ved funksjonen! SN aktiveres av STN, raphe, coeruleus Hvordan aktiveres de viktige dopaminerge nevronene i SNc Hemmes av striatum Eksiteres fra subthalamicus og PPN (pons) Eksiteres og moduleres fra hjernestammens uspesifikke aktiveringskjerner: nu. raphe og nu. coeruleus DOPA celler informerer CNS om uventete og viktige begivenheter Brodal P. Sentralnervesystemet

19 Striatum er involvert i kognitive prosesser f.eks motivert adferd Striatum har også forbindelser fra limbisk cortex (= emosjonell korteks) CA Fremre gyrus cinguli MOFC Medial orbital frontal korteks Utvidelse av basal-gangliebegrepet: Baner som er viktige for mentale funksjoner og endring av adferd Ventrale striatum (nucleus accumbens) har afferente forbindelser fra dopaminerge celler i det ventrale tegmentum (mesolimbisk dopaminergt system) funksjon: belønning, velvære (ved narkomani), generell aktivering som krever adferdsendring Ventrale pallidum 19

20 Hva gjør basalgangliene egentlig?? Basalgangliene modulerer iverksatte motoriske programmer og bevegelser, de starter antagelig ikke bevegelsene Det er mest premotorisk og supplementær-motorisk korteks som blir påvirket: altså viktig for planlegging eller programmering av automatisert bevegelse betydning for innlæring av bevegelser ved repetisjon kobler motivasjon og emosjon til en hensiktsmessig bevegelse seleksjon av adferd eller skifte adferd (bevegelsesmønster) når det er hensiktsmessig Normal bevegelser er mulig uten normal basalgangliefunksjon, men de blir langsomme og uhensiktsmessige Etter PBL* kommer motorikken inn i forklarelsens lys poebl 2002 *Problematisk læring 20

21 Cerebellum Lillehjernens fysiologi Lillehjernens forbindelser skjematisk Brodal P. Sentralnervesystemet

22 Lillehjernens tre funksjonelle hoveddeler i motorisk kontroll Vestibulocerebellum (balanse) flocculus nodulus Spinocerebellum (utførelse) Intermediærhemisfæren Vermis Cerebrocerebellum (planlegging) Lillehjernens anatomi: De tre funksjonelle hoveddeler obs. Intermediærsonen kan regnes som en 4de del Utgående forbindelser fra lillehjernebarken går først til lillehjernekjernene (untatt vestibulocerebellum) 22

23 Utgående forbindelser fra spino og cerebrocerebellum går via de tre lillehjerne-kjernene Dentatus Interpositus (=emboliformis og globosus) Fastigii 1. Vestibulocerebellum Balanse Øyebevegelser Input fra indre øre og vestibulariskjernene Brodal P. Sentralnervesystemet

24 2. Spinocerebellum Mottar sensorisk informasjon fra hud, ledd, muskel fra hele kroppen Kontroll av bevegelser aksial tonus gangfunksjon Dempe tremor ukrysset informasjon Intermediærsonen (og vermis) har også forbindelse til cerebrum Brodal P. Sentralnervesystemet 2007 Vermis er en anatomisk del av spinocerebellum med hovedforbindelse via nu.fastigii videre til vestibulariskjernene og retikulærsubstansen til medulla spinalis også liten forbindelse til korteks M1 S1 Kandel E.. Principles of neural science ed 4 24

25 Del av spinocerebellum med afferente forbindelser både fra ryggmarg og korteks Efferent forbindelse til nu.ruber og korteks cerebri Sammenligning av signaler fra korteks med utført bevegelse Kompensasjon ( re-setting ) av motoriske program ved motstandsendring Brodal P. Sentralnervesystemet 2007 Intermediærsonen 3. Cerebrocerebellum planlegging og læring til cortex cerebri via thalamus input via ukrysset kortikopontin bane bane fra ponskjerner krysser krysset forbindelse til thalamus og hjernebarken Brodal P. Sentralnervesystemet

26 Laterale cerebellar hemisfære (via nu. Dentatus) kontrollerer presisjonsbevegelser og er involvert i motorisk planlegging Start/stopp Terminal tremor kontroll Koordinasjon over flere ledd Romlig (spatial) koordinasjon av hånd/fingre Motorisk planlegging Nevroner i intermediære og laterale (cerebrocerebellum) deler av lillehjernen projiserer til kontralateral nucleus ruber, thalamus og cortex Rubrospinal bane og corticospinal bane går til spinale motornevroner Kandel E..Principles of neural science ed 4 26

27 Afferente baner til cerebellum Spinocerebellare (Clarkes søyle-ukrysset) Alle nivåer av ryggmargen sender også informasjon til motsatt sides oliva inferior, fra oliva går nevroner til motsatt sides cerebellum (dobbel krysning Lillehjernen får derfor informasjon fra samme side av kroppen (motsatt av storehjernen) Oliva inferior får og fibre fra nu.ruber, colliculus superior og pretektale kjerner Pontocerebellar bane (input fra cortex via den tallrike ukryssede kortikopontine banen) Cerebellum og kjernene: Prinsippskisse Purkinjecellen er den viktigste nevrontypen i lillehjernebarken. Den hemmer kjernenes nevroner. Den mottar eksiterende og inhiberende impulser. Den viktigste input er -mosfibre via kornceller -klatrefibre fra oliva inf. Disse eksiterer Purkinjecellen (og dype kjerners nevroner). Kurvceller stjerneceller To nevrontyper: Klatrefiber og mosfiber 27

28 Synaptisk organisering i lillehjernen: Mosfibre og klatrefibre eksiterer hhv kornceller og Purkinjeceller, men eksiterer også dype kjerner. Inhibitorisk modulering via Kandel E.. Purkinjecellene Principles of neural science ed 4 Skjematisk synaptisk organisering Brodal P. Sentralnervesystemet

29 Inngående forbindelser til lillehjernebarken Mosfibre: fra hjernestammen og ryggmargen (Kurvceller: lateral inhibisjon) Klatrefibre: fra oliva inferior i hjernestammen Uspesifikk modulering fra locus coeruleus og raphe-kjernene Kandel E.. Principles of neural science ed 4 Lillehjernebark: viser lateral inhibisjon Purkinjeceller med kraftig dendritt-tre Paralellfiber ( beams ) eksiterer mange purkinjeceller og kurvceller (som hemmer nabopurkinjeceller) Parallellfibre kun vist for ett lag med Purkinjeceller 29

30 Mosfiber/ Parallellfiber og klatrefibersystemene er ulikt organisert Parallell: konvergens Klatre: divergens Kandel E.. Principles of neural science ed 4 - Innervasjonsratio i lillehjernen Parallell/ Purkinje /1 Konvergens Klatrefibre/ Purkinje 1/5 (1-10) Divergens millioner Purkinjeceller 100 milliarder kornceller (=parallellfibre) Konvergens! 30

31 Komplekse og enkle Spikes målt fra Purkinje-celle aksoner Klatrefibre lager komplekse spikes Parallellfibre lager enkle spikes Fyringsfrekvens, spike-type og funksjon er ulik for mosfibre og klatrefibre Mosfiber Klatrefiber 1 Hz Hz Enkel spike Kompleks spike Presis informasjon om bevegelser Feilkontroll Motorisk læring? 31

32 Nevrologisk undersøkelse: Bevegelse ved cerebellar dysfunksjon er forsinket og ujevn (ataktisk) Finger-nesetipp prøve: Intensjonstremor og dysmetri 32

33 Instabilitet (kan oppfattes som klinisk hypotoni ) etter at funksjon i cerebellærkjerne er midlertidig koblet ut ved avkjøling Utstrekt arm (ape) bringes plutselig ut av posisjon Kontroll: Normal funksjon, rask stabilt Cool: Overskytning og agonist/antagonist aktivering Cerebellum deltar i motorisk læring: Belastnings-endring 33

34 Motorisk læring: Synaptisk mekanisme er LTD * *Langtidsdepre sjon (LTD) er en av flere mekanismer for læring Dyp forståelse av lillehjernens funksjon (oppsummering) 34

35 Generelt om funksjoner der cerebellum har en funksjon Motorisk læring via langtidsdepresjon på synapser Timing - registrering av tidsforskjeller generelt Hurtig skifte av oppmerksomhet? Sensorisk diskriminasjon? Tremor (skjelving) er en ufrivillig bevegelse 35

36 Tremor: ustabile sentrale nettverk, pasienter kan ha flere typer tremor, usikker patofysiologi Postural (aksjons-) tremor: økt «fysiologisk tremor» 8-13 Hz, eller «essensiell» 4-8 Hz Oscillerende sentralt nettverk via premotor cortex? Ventrolateral thalamus (Vim ventralis intermedius? Olivocerebellare baner? Parkinson type (hvile) tremor 3-5 Hz Ingen eksakt lokasjon er funnet Ventromedialt tegment (under nu ruber)? Vim? Dopaminerge celler i mediale pallidum? Nu subthalmicus? Ataktisk eller «cerebellar» (intensjons-) tremor 2-4Hz Inaktivering av cerebellare kjerner (dentatus) Skade på øvre cerebellare pedunkel? Basalganglier trigger cerebellum som driver tremor direkte via thalamus og cortex 36

37 DBS: Dyp hjernestimulering kan fjerne tremor Ventrolateral thalamus (Vim ventralis intermedius Mediale globus pallidus Subthalamisk kjerne To typer motorisk kontroll (feedback og feed-forward) 37

38 Motorisk program endres etter avvik (feilsignal fra muskelreseptor e.l) Motorisk program beregnes på forhånd 38

39 Litt om thalamus og sensoriske baner Anterolateralt System (smerte, temperatur 39

40 Bakstrengsystemet (dypt trykk, vibrasjon) Sensorisk Cortex Smerte ender her Kilden for SEP N 20 er her 40

41 SI og SII SI er involvert i sensorisk somatisk diskriminering SII er involvert i smerteprosessering Thalamus Anatomi 41

42 Thalamus: Klassifisering etter funksjon Relé-kjerner Sensoriske modaliteter (berøring, smerte, syn, hørsel), motoriske Axon til avgrenset (spesifikk) del av cortex Mottar feedback Diffuse projeksjons-kjerner arousal (våkenhet) Thalamiske kjerner Lateral (VA+VL, VP, DL, Pulvinar) Medial (Limbisk) Anterior (Limbisk) Intralaminær (diffus projeksjon, RS Front) Midtlinje (diffus projeksjon, RS Limbisk) Retikulær (diffus projeksjon, inhib.- relé) V ventral, A anterior, L lateral, P posterior D dorsal RS retikulær substans 42

43 Gangfunksjon, balanse og motoriske nedadstigende baner Postural kontroll Motorisk kontroll Baner fra hjernestammen som deltar i postural kontroll Mediale baner: til proksimale ekstensorer Laterale baner: til distale flexorer 43

44 Laterale hjernestammebaner (rubrospinal bane) Mediale hjernestammebaner (tectospinal, reticulospinal og vestibulospinal bane) 44

45 Nakkereflekser er med i fysiologisk kontroll av balanse. Refleksene kan sees tydelig hos noen pasienter med hjerneskader Slutt ts_år16 45