Basal ganglia The basal ganglia and the cerebellum may be viewed as key elements in two parallel reentrant systems that receive input from and return their influences to the cerebral cortex through discrete and separate portions of the ventrolateral thalamus. They also influence the brain stem and, ultimately, spinal mechanisms.

Basal ganglia The four principal nuclei of the basal ganglia are (1) the striatum, (2) the globus pallidus (or pallidum), (3) the substantia nigra (consisting of the pars reticulata and pars compacta), and (4) the subthalamic nucleus. The striatum consists of three important subdivisions: the caudate nucleus, the putamen, and the ventral striatum (which includes the nucleus accumbens – not shown).

Basal ganglia-thalamocortical circuit The anatomic connections of the basal ganglia-thalamocortical circuitry show the parallel direct and indirect pathways from the striatum to the basal ganglia output nuclei. Two types of dopamine receptors (D1 and D2) are located on different sets of output neurons in the striatum that give rise to the direct and indirect pathways. Inhibitory pathways are shown as gray arrows; excitatory pathways, as pink arrows. GPe = external segment of the globus pallidus; GPi = internal segment of the globus pallidus; SNc = substantia nigra pars compacta; STN = subthalamic nucleus. The direct pathway provides positive feedback and the indirect pathway negative feedback in the circuit between the basal ganglia and the thalamus. Activation of the direct pathway disinhibits the thalamus, thereby increasing thalamocortical activity, whereas activation of the indirect pathway further inhibits thalamocortical neurons. As a result, activation of the direct pathway facilitates movement, whereas activation of the indirect pathway inhibits movement.

Movement disorders and the basal ganglia The basal ganglia-thalamocortical circuitry under normal conditions and in Parkinson disease, hemiballism (undesired movements) and chorea (involuntary movement disorder). Inhibitory connections are shown as gray and black arrows; excitatory connections, as pink and red. Degeneration of the dopamine pathway in Parkinson disease leads to differential changes in activity in the two striatopallidal projections, indicated by changes in the darkness of the connecting arrows (darker arrows indicate increased neuronal activity and lighter arrows, decreased activity). Basal ganglia inhibitory output to the thalamus is increased in Parkinson disease and is decreased in hemiballism and chorea.

Parkinson disease – surgical therapies Lesions of the subthalamic nucleus (STN) (left) or internal segment of the globus pallidus (right) effectively reduce parkinsonian signs by respectively normalizating or eliminating abnormal and excessive inhibitory output from the internal pallidal segment.

Parkinson disease – drug therapies Parkinson disease ilustration in A Manual of Diseases of the Nervous System,1886 L-DOPA is produced from the amino acid L-tyrosine. L-DOPA crosses the protective blood–brain barrier, whereas dopamine itself cannot. Dopamine is formed by the decarboxylation of L-DOPA. L-DOPA is used to increase dopamine concentrations in the treatment of Parkinson's disease. L-DOPA is also converted into dopamine from within the peripheral nervous system causing side effects (fight-or-flight response). Therefore L-DOPA is administered with carbidopa and entacapon which prevent the peripheral synthesis of dopamine from L-DOPA. L – levadopa, C – carbidopa, E - entacapon „Awakenings” movie based on Oliver Sacks book telling true story of a discovery of beneficial effects of then-new drug L-DOPA in cataonic patients.

Parkinson disease – deep brain stimulation Implantation of electrode for deep brain stimulation. Globus pallidus interna (Gpi) and subthalamic nucleus (STN) are the stimulation targets.

Kora ruchowa Kora ruchowa stanowi zasadniczy element kontroli ruchowej średniego poziomu. Lokalizacja kory u różnych ssaków, w tym u małp (1870), potwierdziła lokalizacje kory i sekwencję obszarów (nogi, ręce, twarz) przewidzianą przez Jacksona. Motoryczny homunkulus otrzymany przez Penfielda i Rasmussena (1950) metodą stymulacji kory mózgowej.

Trzy obszary kory ruchowej Kora ruchowa znajduje się w płacie czołowym (frontal lobe), tuż przed bruzdą centralną (Central Sulcus) nazywaną też bruzdą Rolanda (Rolandic fissure) i jest podzielona na trzy wzajemnie połączone obszary, pierwszorzędową korę ruchową (MI), dodatkową korę ruchową (SMA) i korę przedruchową (PM). SMA i PM stanowią wspólnie drugorzędową korę ruchową (MII). Funkcjonalnie oznacza to wielokrotną reprezentację mapy ruchowej w korze mózgowej.

Stymulacja pierwszorzędowej kory ruchowej A. Stymulacja magnetyczna kory motorycznej lub odcinka szyjnego rdzenia kręgowego (cervical spine) aktywuje drogę drogę korowo-rdzeniową i wywołuje odpowiedz EMG mięśni. B. Zapisy z kontralateralnych mięśni ramienia i dłoni wykazują wcześniejszą odpowiedź na stymulacje rdzenia niż na stymulacje kory. Załamek S jest artefaktem związanym z przyłożonym impulsem magnetycznym. Pierwszorzędowa kora ruchowa kontroluje proste własności ruchu.

Elektryczna stymulacja pierwszorzędowej kory ruchowej Dokładniejsze studia za pomocą mikrolektrod implantowanych (intracortical microstimulation or ICMS) pokazały, ze neurony w pierwszorzedowej korze ruchowej (MI) aktywują nie tylko pojedyncze mięśnie oraz że te same mięśnie są aktywowane przez wiele różnych obszarów kory. Na wykresach widać miejsca w MI, stymulacja których wywołuje aktywność EMG (wskazując na połączenie monosynaptyczne) w mięśniu ramienia (deltoid muscle) i nadgarstka (extensor carpi radialis; ECR). Mapy topograficzne (1/próg stymulacji) ukazują zarówno redundancje jak i przekrywanie się reprezentacji. Umożliwia to aktywacje różnych grup mięśni w różnych zadaniach.

Obszary przedruchowe - połączenia U naczelnych istnieją cztery główne obszary przedruchowe. A. Wejścia do kory pierwszorzedowej u małpy: PMd (dorsal premotor area); PMv (ventral premotor area), S1 (primary sensory cortex), SMA (supplementary motor area.), CMA (cingulate motor area). B. Wejścia do kory przedruchowej: pola 5 i 7 Brodmana, kora przedczołowa (prefrontal cortex, pole Brodmana 46). Obszary 5 i 7 Brodmana zajmują się integracją multisensoryczną w celu planowania ruchu. Obszar 46 zajmuje się pamięcią operacyjną (working memory) i przetrzymuje w pamięci informacje o lokalizacji przestrzennej obiektów, w czasie wykonania ruchu. Występują również gęste połączenia pomiędzy obszarami przedruchowymi, nie pokazane na rysunku.

Połączenia z móżdżkiem i zwojami podstawy Kora przedruchowa i pierwszorzędowa kora ruchowa dostają również wejścia ze zwojów podstawy i móżdżku poprzez wzgórze. Zwoje podstawy i móżdżek nie wysyłają bezpośrednio połączeń do rdzenia kręgowego.

Plastyczność somatotopicznej organizacji kory ruchowej Organizacja kory ruchowej jest plastyczna i zmienia się pod wpływem uczenia i uszkodzeń. A. Widok normalny somatotopicznej organizacji kory ruchowej szczura z obszarami reprezentującymi mięśnie łap przednich, wąsów i okołooczne. B. Po przecięciu połączeń nerwowych z wąsami obszary mięśni łap przednich i okołooczne są zwiększone kosztem obszaru wąsów. Reorganizacja może się odbyć nawet w czasie paru godzin. Prawdopodobnie jest ona wynikiem utraty wejść sensorycznych z wąsów do kory ruchowej.

Plastyczność somatotopicznej organizaji kory ruchowej cd Ruchy zamierzone ulegają poprawie wraz z praktyką. B. Skany fMRI ukazujące aktywacje kory MI podczas wykonywania sekwencji ruchowej ćwiczonej przez 3 tygodnie 20 min. dziennie (prawo) oraz nowej sekwencji ruchowej (lewo). Reprezentacja wyćwiczonej sekwencji jest większa niż sekwencji kontrolnej. W eksperymencie tempo wykonania zadania było w obu sytuacjach takie samo.

Komórki V warstwy kory motorycznej dają początek drodze piramidowej Porównanie sześciu warstw kory w różnych obszarach mózgu. W V warstwie kory motorycznej widoczne ciała neuronów komórek Betza. Komórki Betza znajdują się głównie w obszarze ruchowym nogi. Z lewej: siedem warstw kory motorycznej wg. klasyfikacji Cajala. Warstwy są wyróżnione na podstawie względnej ilości dużych ciał neuronów (komórki piramidalne) i małych ciał neuronów (komórki piramidalne, gwiaździste i ziarniste). Z prawej: komórka Betza kory motorycznej obrazowana metodą Golgiego.

Równoległe drogi ruchowe Pośrednie i bezpośrednie połączenia kory ruchowej i pnia mózgu z boczną i przyśrodkową częścią rdzenia kręgowego. Bezpośrednia droga korowo-rdzeniowa (droga piramidowa, corticospinal tract) omija wybrzuszenie piramidowe w pniu mózgu i schodzi do pnia mózgu, gdzie tworzy połączenia polisynaptyczne (u wyzszych ssaków) lub monosynaptyczne (u naczelnych) z motoneuronami. 85 % włókien przekracza linię środkową i tworzy boczną drogę korowo-rdzeniową, pozostałe aksony tworzą grzbietową drogę korowo-rdzeniową. Drogi pośrednie: droga czerwienno-rdzeniowa i droga korowo-siatkowo-rdzeniowa.

Równoległe drogi ruchowe Przecięcie drogi korowo-rdzeniowej powoduje jednostronną słabość w mięśniach u małpy. Ustępuje ona po upływie paru miesięcy i zwierzęta odzyskują normalne funkcje ruchowe dzięki przejęciu funkcji przez drogi pośrednie. Jednakże indywidualne ruchy palców są utracone na zawsze.

Kodowanie siły mięśni Częstość odpalania neuronów w korze ruchowej koduje siłę mięśni. A1,2 - dwa rodzaje zachowania neuronów w korze ruchowej podczas momentu siły przyłożonego do nadgarstka. B. W obu rodzajach neuronów częstość odpalania wzrasta (liniowo) z siłą mięśni. (torque – ang. moment obrotowy)

Kodowanie populacyjne kierunku ruchu Kierunek ruchu jest kodowany w korze motorycznej poprzez populacje neuronów. (A) Wytrenowana małpa porusza ręką w ośmiu różnych kierunkach. (B) Aktywność neuronu ruchowego w korze podczas ruchów w ośmiu kierunkach. C.Krzywa strojenia neuronu. D. Wiele neuronów korowych jest aktywnych w trakcie ruchu w danym kierunku. Kierunek każdej linii reprezentuje preferowany kierunek danej komórki, a długość linii jest proporcjonalna do częstotliwości jej wyładowań. Wypadkowy ‘wektor’ aktywności (czerwona strzałka) koduje wykonywany kierunek ruchu (czarna strzałka) (Georgopoulos, 1982)

Potencjał przygotowujący W ruchach generowanych wewnętrznie, przed ruchem obserwowany jest ujemny potencjał w EEG w obszarze dodatkowej kory ruchowej (SMA) zanim nastąpi aktywacja pierwszorzędowej kory ruchowej. Jest to tzw. potencjał gotowości (ang. readiness potential RP lub niem. Bereitschaftspotential, BP), który sygnalizuje planowanie ruchu. W eksperymentach pokazano, że BP jest widoczny na ok. 400 ms przed zanim badany relacjonował świadom myślenie o wykonaniu ruchu. Doświadczenie Libeta (1983): świadomość, że chce się ruszyć palcem początek BP

Obszary przedruchowe – funkcje Visual cue: małpa miała dotykać paneli na podstawie ich podświetlania w pewnej sekwencji. Prior training: dotykanie paneli wg. wcześniej wyuczonej sekwencji. Neurony w korze ruchowej MI odpalały przed i w trakcie ruchu, tak samo w obu zadaniach. Dodatkowa kora ruchowa (SMA) była aktywna tylko przed i w trakcie zadania wyuczonego. Boczna kora przedruchowa była aktywna tylko przed i w trakcie zadania wykonywanego na podstawie informacji wzrokowej. Wniosek: dodatkowa kora ruchowa programuje programy motoryczne wyuczonych sekwencji ruchowych. Boczna kora przedruchowa bierze udział w przygotowaniu i wykonaniu ruchu w odpowiedzi na bodziec zewnętrzny. Po długotrwałym treningu, aktywność w dodatkowej korze ruchowej zanika – sekwencje wykonywane automatycznie ‘przenoszą się’ do kory pierwszorzędowej.

Obszary przedruchowe Neuron w bocznej grzbietowej korze przedruchowej staje się aktywny gdy małpa przygotowuje się do ruchu w lewo. Instrukcja (podświetlenie jednego z czterech paneli) wskazuje panel do naciśnięcia po bodźcu wyzwalającym (zapalenie się diody). Odpalanie neuronu rozpoczyna się po pojawieniu się instrukcji i trwa do wykonania zadania po bodźcu wyzwalającym. Wniosek: kora przedruchowa bierze udział w przygotowaniu i wykonaniu ruchu w odpowiedzi na bodziec zewnętrzny (w tym doświadczeniu - wzrokowy). Zachodzi w niej uczenie asocjacyjne (Associative learning) pomiędzy bodzcem sensorycznym a dana reakcja ruchowa.

Transformacja sensomotoryczna Transformacja reprezentacji sensorycznej otoczenia na sygnały kontroli mięśni nazywa się transformacją sensomotoryczną. Oddzielne, równoległe drogi zapewniają transformację wzrokowo-motoryczną wymaganą do sięgania i chwytania. PMd – premotor dorsal, PMv – premotor ventral.

Komórki zwierciadlane Komórki w bocznej grzbietowej korze przedruchowej wykazują aktywność gdy małpa wykonuje zadanie lub gdy obserwuje wykonanie zadania. Komórki te są więc zaangażowane w abstrakcyjną reprezentację ruchu. A. Aktywność neuronu podczas obserwacji chwytania wykonywanego przez inna małpę. B. Aktywność neuronu podczas obserwacji chwytania wykonywanego przez eksperymentatora. C. Aktywność neuronu podczas chwytania wykonywanego przez małpę. Neurony te nazwano neuronami zwierciadlanymi (mirror neurons).

Obwody ruchowe - synteza Ruch zamierzony rozpoczyna się ‘programem centralnym’, który aktywuje w odpowiedniej sekwencji obszary kory ruchowej. Włókna korowo-rdzeniowe pobudzają motoneurony. Motoneurony wywołują ruch mięśni. Poprzez kolaterale, włókna korowo-rdzeniowe pobudzają komórki czuciowe (informacja o wysłanych komendach). 5 i 6 Wyjścia czuciowe z mięśni, stawów i skóry dostarczają informacji zwrotnej o stanie skurczu mięśni i fazie wykonania ruchu.