MOTORISKE SYSTEMER Sentrale motoriske baner ARVID LUNDERVOLD INSTITUTT FOR BIOMEDISIN 18 oktober 2017 motoriske_baner_(a.lundervold)_20171018.pptx
Dobbelttime 1 2 Temablokk 3 - Motoriske systemer: Momentliste / Litteratur 16/10 Introduksjon (Brodal: Sentralnervesystemet, 5.utg, 2013) 16/10 Muskelfysiologi Brodal: Kap. 13 s. 198-204; Kap. 21 s. 304;310-315,322-327 MEDOD1/Celle-1: Alberts, Bray & Hopkin (ABH). Essential Cell Biology, 4.utg, 2013, s. 591-601 (Sand et al. Menneskets fysiologi, 2.utg. 2014: Kap. 8 s.323-351) 18/10 Ryggmargen og spinale reflekser Brodal, Kap. 6, s. 101-107; Kap. 21, s. 307-310;315-322 18/10 Motorisk kontroll og sentrale motoriske baner Brodal: Kap. 22, s. 329-350
Momentliste Motorisk kontroll og sentrale motoriske baner - Hierarkisk organisering av motoriske systemer; somatotopi - Pyramidebanen (tractus corticospinalis): utspring, forløp og funksjon - Nedstigende baner til ryggmargen fra hjernestammen: indirekte kortikospinale signalveier (kortiko-retikulospinale baner); tektospinale baner; vestibulospinale baner; rubrospinale baner - Kontroll av automatiske bevegelser: postural kontroll, gangbevegelser; rytmegeneratorer - Motoriske barkområder (M1, PMA, SMA, pre-sma) og kontroll av viljestyrte bevegelser; funksjonell organisering av motorisk korteks; innlæring av bevegelser; speilnevroner; beredskapspotensial - Transkraniell magnetstimulering (TMS) - Kliniske symptomer ved avbrytelse av sentrale motoriske baner: negative og positive symptomer; plantarrefleksen; spasmer; spastisitet; spinalt sjokk; kapsulær hemiplegi
Hierarkisk organisering - interaksjon mellom ulike motoriske sentra Motoriske ferdigheter (skilled movements) Igangsetting Valg av motoriske programmer Reléstasjon CS Kroppsstilling (posture) Øyebevegelser Motorisk koordinering og korreksjon 1 2 RS VS RbS Muskel-bevegelse og kontraksjon Spinale reflekser Bevegelse / gange (locomotion) (Fra Squire et al., 2003; Fig 28.8) Summarizing scheme of the interaction between different motor centers. The different major compartments of the motor system and their main pathways for interaction are indicated. The basic functions of the different compartments and descending tracks are summarized to the left and below the scheme. CS, corticospinal; RbS, rubrospinal; VS, vestibulospinal; RS, reticulospinal.
Cerebral cortex og nedstigende motorisk kontroll M1 S1 Corticospinal Descending pathways projecting from the brain that mediate motor actions to the spinal cord. From the cerebral cortex, including M1, a number of neurons project directly to the spinal cord to both motoneurons and interneurons. In addition, they also project to different motor centers in the brain stem, which in turn send direct projections to the spinal cord. One of these centers is the red (rubrospinal) nucleus, which influences the spinal cord via the rubrospinal pathway. Corticospinal and rubrospinal pathways act on the contralateral side of the spinal cord and have somewhat overlapping functions. They are sometimes referred to as the lateral system, as most of the fibers descend in the lateral funiculus of the spinal cord. Vestibulospinal and reticulospinal pathways are important both for regulating posture and for correcting perturbations and mediate commands initiating locomotion. Rubrospinal Reticulospinal Tractus corticospinalis Tractus corticobulbaris Tectospinal The different reticulo- and vestibulospinal pathways are sometimes lumped together as the medial system, as most of the axons project in the medial funiculus of the spinal cord. Vestibulospinal (Fra Squire et al., 2003; Fig 28.7)
Cerebral cortex og nedstigende motorisk kontroll M1 S1 Corticospinal Descending pathways projecting from the brain that mediate motor actions to the spinal cord. From the cerebral cortex, including M1, a number of neurons project directly to the spinal cord to both motoneurons and interneurons. In addition, they also project to different motor centers in the brain stem, which in turn send direct projections to the spinal cord. One of these centers is the red (rubrospinal) nucleus, which influences the spinal cord via the rubrospinal pathway. Corticospinal and rubrospinal pathways act on the contralateral side of the spinal cord and have somewhat overlapping functions. They are sometimes referred to as the lateral system, as most of the fibers descend in the lateral funiculus of the spinal cord. Vestibulospinal and reticulospinal pathways are important both for regulating posture and for correcting perturbations and mediate commands initiating locomotion. Rubrospinal Reticulospinal Tractus corticospinalis Tractus corticobulbaris Tectospinal The different reticulo- and vestibulospinal pathways are sometimes lumped together as the medial system, as most of the axons project in the medial funiculus of the spinal cord. Vestibulospinal (Fra Squire et al., 2003; Fig 28.7)
Somatotopi Gyrus precentralis (M1) Organization of the primary motor cortex (M1). The different parts of the body are represented in a somatotopic fashion in M1, with the legs represented most medially, arms and hand more laterally, and the oral cavity and face even more so. Foot Trunk Hand Face Note that the two areas that are represented with disproportionally large regions are the hand with fingers and the oral cavity. They are represented in this way due to the fine control required in speech and fine manipulation of objects with the fingers. Tongue Sulcus lateralis (Fra Squire et al., 2003; Fig 28.6)
Cortex cerebri - M1 og S1 M1 Precentral gyrus S1 Postcentral gyrus Sulcus centralis Mikrofotografi av snitt gjennom gyrus pre- og postcentralis hos ape. Merk at barken i M1 er tykkere enn i S1. De mørkere prikkene i dypere deler av cortex (lamina V) er pyramideceller som er retrograd merket (markørstoff sprøytet inn Betz ske kjempepyramideceller i hjernestammen med opptak i corticospinale og corticobulbære fibre). Brodal (2016) Fig 22.4
Pyramidebanen - utspring - forløp - funksjon
Corticospinale baner M1 (pyramidebanen) Capsula interna Corticobulbære og corticospinale baner. THALAMUS Pyramidebanen (tractus corticospinalis) har hovedsakelig fibre som krysser midtlinjen nederst i den forlengede marg (deccusatio pyramis). Mange av hjernenervekjernene mottar både kryssete og ukryssete fibre ( bilateral innervasjon ) MESENCEPHALON PONS MEDULLA OBLONGATA Motoriske hjernenerve kjerner Pyramiden Pyramidekryssingen Tractus corticospinalis lateralis Motoneuroner (Fra Brodal, 2001; Fig 12.3)
Pyramidebanens forløp gjennom capsula interna og hjernestammen Capsula interna Pyramiden Pyramidekrysningen Diffusjons MRI (dmri) traktografi Pyramidekrysningen Brodal (2016) Fig 22.2
Direkte (A) og indirekte (B) nedstigende baner til ryggmargen Brodal (2016) Fig 22.3
Utspringsområde pyramidebanen BA = Brodmann area 6 4 3,1,2 - Består av ca 1 million axoner: Capsula interna - 1/3 fra primær motorisk cortex (gyrus precentralis, BA 4) - 1/3 fra premotor cortex (BA 6) - 1/3 fra somatosensorisk cortex (BA 1,2 og 3) Nu. ruber - Pyramidebane-fibre hos ulike pattedyr har forskjellig diameter, korrelert med dyrenes evne til håndmanipulasjon og utviklingstrinn Tr. rubrospinalis Tr. corticospinalis lateralis Decussatio pyramidalis (Fra Kandel, 2000)
Pyramidebanen BA = Brodmann area 6 4 Tractus corticospinalis lateralis (LCT): 3,1,2 Capsula interna 3/4 av pyramidebanens fibre krysser i decussatio pyramidalis og danner LCT Terminerer i laterale forhorn i grå substans over flere spinalsegmenter Nu. ruber Har monosynaptiske koplinger, især for distal muskulatur, i lamina IX Har også multiple koplinger til internevroner, og flere muskler for å samordne aktivitet i disse Axoner fra somatosensoriske cortex (BA 1,2,3) terminerer i bakhornet og modifiserer sensorisk stimuli og modulerer reflekser. Tr. rubrospinalis Tr. corticospinalis lateralis (LCT) Decussatio pyramidalis (Fra Kandel, 2000)
Pyramidebanen BA = Brodmann area 6 4 Tractus corticospinalis ventralis (VCT): Capsula interna 1/4 av pyramidebanens fibre krysser ikke midtlinjen og danner VCT Descenderer i ipsilaterale ventrale del Nu. reticularis Nu. vestibularis av hvit substans Kontrollerer aksial og proksimal muskulatur bilateralt. Mediale hjernestamme baner (Fra Kandel, 2000)
Pyramidebanens lokalisering og somatotopisk organisering A Capsula interna Putaman Ansikt Arm Ben Ponskjernene Frontallappen Genu CC Nucleus caudatus (caput) Splenium CC Ben B Arm C Thalamus D Arm Ben E Post. Ansikt MESENCEPHALON Crus cerebri PONS Bakhodelappen A MEDULLA OBLONGATA Pyramiden Arm Ben B C D MEDULLA SPINALIS Tractus corticospinalis lateralis på ulike nivåer E axialsnitt (Fra Brodal, 2001; Fig 12.6) Ant. Tractus corticospinalis ventralis
Endeområder i medulla spinalis for kortikospinale fibre Pyramidebanenn Fibrene fra M1 ender lenger fortil enn fibrene fra S1 De ukryssede fibre De kryssede fibre ender i ender overveiende laterale motonevrongrupper medialt i forhornet (innerverer distal muskulatur) (innerverer proksimal muskulatur) Brodal (2016) Fig 22.8
Descenderende fibre i capsula interna og blodforsyning Capsula interna Somatomotor cortex Head of caudate Capsula interna Fremre ben Genu Corona radiata M 4 F Thalamus Lenticular nucleus A T L Bakre ben Sublenticular limb Retrolenticular limb A M 1 a. carotis interna Lenticulostriatale arterier B Corpus geniculatum laterale Corpus geniculatum mediale (Fra Haines, 2006; Fig 25-4) Descending fibers of the corticospinal and corticobulbar systems in the internal capsule in coronal (A) and axial (B) planes. The positions of fibers from face (F), arm-upper extremity (A), trunk (T), and leg-lower extremity (L) areas are shown in the internal capsule in the axial plane (B).
De viktigste kjernene i hjernestammen med nedstigende baner til ryggmargen Monoaminerge nevrongrupper er gule. Noen av kjernen påvirkes også fra cortex og inngår i corticospinale signalveier Brodal (2016) Fig 22.9
Grunnleggende funksjoner til nedstigende baner Cortico- og rubrospinale baner Overføring av instruksjoner for lærte (skilled) bevegelser Korreksjon av motoriske mønstre generert i ryggmargen Reticulospinale baner Aktivering av spinale motorprogrammer for trappe-gang og andre stereotype bevegelser Kontroll av oppreist kroppsstilling (postural kontroll) Vestibulospinale baner Produksjon av tonisk aktivitet i muskler som motvirker tyngdekraften (Fra Squire et al., 2003; Fig 28.8)
Kontroll av automatiske bevegelser - postural kontroll - gangbevegelser - rytmegeneratorer
Postural kontroll ( kontroll av kroppens stilling og balanse ) Automatiske justeringer av muskelspenningen i mange muskler når noe truer balansen: Sentral prosessering - cortex - lillehjerne - basalganglier - hjernestamme Det perifere vestibulære system Muskel-skjelettsystemet Øyet og synsbanene Det perifere nervesystemet Sentralnervesystemet Kilde: S.H. Glad Nordahl, UiB
Gangbevegelser / rytmegeneratorer Sir Charles Sherrington (1857-1952) Nobelpris 1932 Mekanismer: resiprok inhibisjon kjede-reflekser http://hkin.educ.ubc.ca/school/hkin500/keir/lecture%201%20figures.pdf
A central pattern generator is a system of neurons responsible for creating a particular motor pattern in a nervous system deprived of all sensory feedback regardless of whether all aspects of the motor pattern of the intact animal are produced or some part is missing Grillner & Wallen 1985 The term "central pattern generator (CPG)" first appeared in the refereed literature in the 1960s (Wilson and Wyman 1965 ) It is used to describe an ensemble of interneurons and possibly motoneurons, whose combined operation produces the fundamental spatiotemporal patterns of a wide variety of rhythmic movements including the various forms of locomotion. Higher brain centers send command signals to CPGs, which usually initiate their action but do not control fundamental CPG rhythmicity. Similarly, sensory input can influence strongly most aspects of CPG rhythmicity but the fundamental CPG action is nonetheless evident. (Stuart, 2007)
Byggestener for rytme-genererende nettverk, CPGs [ CPGs = Central Pattern Generator networks ] Cellulære egenskaper Synaptiske egenskaper Konnektivitets-egenskaper Terskel Frekvens-strømstyrke forhold Fyringsfrekvens adaptasjon Postburst hyperpolarisering Forsinket eksitasjon Postinhibitorisk rebound Platå-potensialer Bursting: - Endogen - Betinget Sign (EPSP / IPSP) Styrke Tids-forløp Transmisjon: - Elektrisk - Kjemisk Frisettings-mekanismer: - Spike - Gradert Multi-komponent postsynaptiske potensialer Fasilitering / depresjon: - Langtid - Korttid Resiprok inhibisjon Rekurrent inhibisjon Parallell eksitasjon og inhibisjon Gjensidig eksitasjon (Kandel, 2000; Tab. 37-1)
Motoriske barkområder: områder av neocortex som deltar i planlegging Prefrontal cortex og kontroll av frivillige bevegelser Area 6 SMA PMA Area 4 M1 Posterior parietal cortex Sulcus centralis S1 Area 5 Area 7 Motorisk cortex: Area 4 & 6 M1 (area 4) = primært motorisk barkområde PMA = premotorisk barkområde (reticulospinale nevroner -> proximale motoriske enheter) SMA = suplementært motorisk barkområde (distale motoriske enheter) (Fra Bear, 2007; Fig 14.7)
Områder av betydning for kontroll av bevegelser Angivelse av utbredelsen for de enkelte områdene er Sekvenserte bevegelser Rytme omtrentlig, dels basert på utbredelsen av Brodmann areae, Visuo-motorisk kontroll delse på resultater fra PET og fmri undersøkelser. Områder i prefrontal cortex med relasjon til Sanseinformasjon til handling Bruk av redskaper Speilnevroner kognitive aspekter av bevegelseskontroll (valg av mål, strategi, etc.) er ikke vist. PMA = premotorisk area Supramotoriske områder: SMA = supplementærmotorisk area Brodal (2016) Fig 22.10
Speilnevroner (mirror neurons) Et speilnevron er et nevron som fyrer (i.e. genererer aksjonspotensialer) når dyret utfører en bestemt adferd eller bevegelse, men også når dyret kun observerer den samme adferd eller bevegelse utført av et annet dyr (typisk av samme art). Følgelig vil et slikt nevron speile bevegelsen eller adferden til et annet dyr, som om dyret selv skulle utføre det samme. Slike nevroner har blitt påvist hos primater, og er antatt å eksistere hos mennesket og hos noen fuglearter. Hos menneske har hjerneaktivitet som er forenlig med speilnevroner blitt påvist i premotorisk hjernebark og i nedre parietal-cortex (Fig.2). Det er antatt at ikke enkeltnevroner viser denne oppførsel, men koplete nettverk av nevroner og at slike kretser er av betydning for imitasjonslæring (Fig.1) og for læring av språk. (Fig.1) Imitasjonsadferd fmri (Fig.2) Mirror neuron system in humans. Later view of human brain showing the areas (colored) that form the mirror neuron system. http://www.scholarpedia.org/article/mirror_neurons Speilnevroner er også postulert å ha betydning for vår såkalte theory of mind og at dette er dysfunksjonelt ved autisme. M. Iacoboni et al. Grasping the Intentions of Others with One's Own Mirror Neuron System PLOS Biology, February 22, 2005 http://biology.plosjournals.org/perlserv?request=get-document&doi=10.1371/journal.pbio.0030079 (Fig.3) The same part of the brain activates whether performing or observing an action. Activity increases (red in brain model) when the context of an observed action reveals intention.
Område i motorisk korteks (MI) som aktiveres ved fingertapping L R BOLD fmri-signal (fargekodet) er overlagret T1-vektet bilde. Områder med økt blodstrøm (økt nevronal aktivitet) er vist med farge (rødt venstre hemisfære, grønt høyre hemisfære, tilsvarende hhv. høyre og venstre hånd). Ved mer sammensatte bevegelser sees økt aktivitet ved fmri også i andre deler av hjernebarken. (S.J. Bakke) Brodal (2016) Fig 22.11
Motorisk kontroll av håndbevegelser M1 Random movements made without prior planning and in no particular order (A) result in increased activity in only the hand area of motor cortex (M1). A SMA M1 When the movement is planned and executed in a specific sequence (B), both motor and supplementary cortices (SMA) are active. B SMA (Fra Haines, 2006; Fig 25-20) When the movement is mentally planned and rehearsed but never executed (C), only the supplementary cortex is activated. C Bereitschaftspotential eller BP (fra tysk, beredskapspotensial"), kalles også pre-motor potential eller readiness potential (RP), er et uttrykk for cortical aktivering knyttet til den pre-motoriske planlegging av frivillige bevegelser og starter ca. 850 ms før bevegelsen.
Innlæring av bevegelser Innlæring av bevegelser Innlærte bevegelser
Kliniske symptomer ved avbrytelse av sentrale motoriske baner - negative og positive symptomer - plantarrefleksen - spasmer - spastisitet - spinalt sjokk - kapsulær hemiplegi
Kliniske aspekter - Skader i ulike deler av det motoriske system gir ulike utfall/symptomer - Avhengig av hva slags symptomer pasienten har, kan man resonere seg frem til hvor skaden sitter. Typiske manifestasjoner: - Hemiparese: Partiell lammelse/svekkelse av én side av kroppens muskler, for eksempel etter lesjon i pyramidebanen, ryggmargen (sjelden énsidig). - Hemiplegi: Paralyse av én side av kroppen, for eksempel etter et hjerneslag, cerebral parese, etc. - Diplegi - Quadriplegi
Kliniske aspekter - Spastisitet: Økt muskeltonus som fører til spasmer i de musklene som er affisert. Eksempel kan være et hjerneslag som fører til at nedstigende signaler til motornevroner med inhibitorisk bakgrunnsaktivitet blir koblet ut. Hvor sitter lesjonen? - Perifer skade ( f.eks. nerverot ): Muskelatrofi, fasikulasjoner, arefleksi, paralyse/parese - Sentral skade (f.eks. ryggmargen): Spastisitet, hyperrefleksi, muskelsvakhet
Tverrsnittslammelse spinalt sjokk Spinalt sjokk ble først beskrevet av Whytt i 1750 som tap av sensasjon ledsaget av motorisk paralyse med initialt tap og gradvis gjenvinning av reflekser som følge av skade av medulla spinalis (spinal cord injury, SCI) og typisk ved komplett transeksjon. Refleksene i medulla kaudalt for SCI er svekket (hyporefleksi) eller utslukket (arefleksi), mens reflekser rostralt for SCI er uaffisert. De fire faser i spinalt sjokk: Phase Time Physical exam findings Underlying physiological event Dype senereflekser JF Ditunno et al. Spinal shock revisited: a four-phase model. Spinal Cord 2004;42:383 395.
Spastisitet Spastisitet er en tilstand der visse muskler er vedvarende (og ufrivillig) kontrahert. Denne kontraksjonene forårsaker stivhet og forkortning i muskulaturen og vil påvirke bevegelsesmønstre knyttet til f.eks. talen eller gangen. Årsaken er som regel sykdom eller skade på deler av hjerne og ryggmarg som kontrollerer voluntære bevegelser. Spastisitet kan opptre i forbindlse med ryggmargskade (SCI), multippel sclerose (MS), cerebral parese (CP), ischemisk hjerneskade, hodetraumer, metabolske sykdommer (e.g. adrenoleukodystrophy), amyotrof lateral sclerose (ALS) og fenylketonuri (PKU). Symptomer kan inkludere hypertonisitet (økt muskeltonus), klonus (en serie av raske muskelkontraksjoner), forsterkede dype senereflekser, muskel-spasmer, saksing = scissoring (ufrivillig kryssing av bena), og fiksasjon av ledd. Grad av spastisitet kan variere fra lett stivhet i muskler til alvorlige, smertefulle og ukontrollerbare muskelspasmer. Spasmer kan vanskeliggjøre rehabilitering av pasienter med visse lidelser (f.eks. hjerneslag) og ofte interferere med daglige aktiviteter. http://www.ninds.nih.gov/disorders/spasticity/spasticity.htm
Infarkt i capsula interna med degenerasjon av pyramidebanen 19 år gammel mann. Akutt høyresidig hemiplegi (spesielt bortfall av presise fingerbevegelser) V H V H Lokalisering av infarktet 5 x 16 mm (fra CT-opptak 7 måneder etter slaget) T2-vektet MR bilde 2 måneder etter slaget CT skisse Brodal, 2001: Fig 12.10; 2016: Fig 22.14
Venstre-sidig hemiplegi Merk den karakteristiske stillingen av armen, med fleksjon i albue og håndledd. Det paretiske benet føres ut i en bue for at foten skal svinge fritt fra underlaget (sirkumduksjon) Dette skyldes bl.a. tendens til drop-foot fordi dorsalfleksorene i ankelen er mer svekket enn plantarfleksorene Brodal (2016) Fig 22.15 Haines (2006) Fig 25-10
Invertert plantarrefleks ved sentral lammelse (Babinski s tegn*) Plantar fleksjon av stortåen Dorsal ekstensjon av stortåen Normal plantarrefleks består i at tærne, inklusive stortåen, bøyes når en spiss gjenstand dras langs fotsålen (bakfra-forover) Brodal (2016) Fig 22.13 Ved sentrale lammelser (pyramidebaneskade) går stortåen motsatt vei av normalt. * Kan også opptre forbigående under generell anestesi og ved andre tilstander med generelt nedsatt hjernefunksjon.
TMS transkraniell magnetstimulering
Fysiske prinsipper for TMS Basert på Faraday s prinsipp for elektromagnetisk induksjon Åttetallspole Eddy current brain stimulation The stimulators and coils, used to develop about 1.5 2 Tesla (T) at the face of the coil, are thought to activate cortical neurons at a depth of 1.5 2 cm beneath the scalp http://intra.ninds.nih.gov/images/research_images/ wassermanne@ninds.nih.gov.jpg http://content.revolutionhealth.com/contentimages /images-image_popup-dn7_transcranial.jpg http://www.biomag.hus.fi/tms/thesis/fig1.jpg
TMS Transkraniell magnetstimulering (TMS) er en smertfri, ikke-invasiv metode for å undersøke ulike forhold ved hjernefunksjoner slik som språk, syn, motorikk samt endringer i funksjonell anatomi forårsaket av skade eller sykdom. TMS kan bruke for å eksitere eller inhibere spesifikke kortikale områder og derved aktivere eller undertrykke område-relaterte hjernefunksjoner og derigjennom etablere funksjonelle kart over kortikale regioner ( functional brain mapping ). TMS er i bruk innen klinisk nevrologi, i behandling av psykiatriske lidelser (spesielt alvorlig depresjon), og som et forskningsverktøy for å studerer hjernens plastisitet, emosjoner og kognisjon. http://www.bnl.gov/medical/tms/default.asp http://www.biomag.hus.fi/tms
Neste gang (fr 20/10) : Basalgangliene Brodal P, 5. utg., 2013, Kap. 23, s. 351-368 Espen Dietrichs. Bevegelsesforstyrrelser og basalganglienes funksjon. Tidsskrift for Den Norske Legeforening nr. 17, 2008; 128:1968-1971.