L organizzazione gerarchica del controllo motorio Corteccia Motoria pianificazione e iniziazione dei movimenti volontari Tronco dell Encefalo tono muscolare, postura, orientamento a stimoli sensoriali, controllo della locomozione Nuclei della Base selezione Cervelletto coordinazione e apprendimento Input sensoriale (cinestetico, vestibolare, dolorifico, ecc) Interneuroni riflessi, coordinazione, locomozione Motoneuroni Midollo Spinale e Tronco dell Encefalo Muscoli Muscoli Scheletrici Scheletrici Muscoli Scheletrici
i Fusi Neuromuscolari Strutture specializzate all interno dei muscoli, sono i principali recettori cinestetici (importanti anche i recettori dello stiramento cutaneo, i corpuscoli del Ruffini). Forniscono al sistema nervoso centrale due ordini di informazione sullo stato degli arti: Statica: Posizione. Dinamica: Velocità di rotazione. Sono disposti in parallelo con le fibre muscolari normali (extrafusali), accompagnano quindi il muscolo nelle sue variazioni di lunghezza.
Due tipi principali di fibre differiscono per le proprietà meccaniche. Fibra a catena di nuclei nuclei e sarcomeri distribuiti lungo la fibra. Hanno proprietà visco-elastiche uniformi: se stirate l allungamento si distribuisce subito su tutta la fibra. Fibra a sacco di nuclei nuclei raggruppati nella zona centrale della fibra, sarcomeri alle estremità. Se stirate si allungano prima nella zona centrale (zona elastica) e poi lentamente riportano l allungamento sul resto della fibra (zona viscosa ed elastica). gamma MN gamma MN
Le afferenze sensoriali di tipo Ia e II hanno risposte diverse a variazioni di lunghezza del fuso. Ia Risposta dinamica (alla velocità di allungamento del fuso). Dovuta al rapido allungamento elastico della zona centrale delle fibre a sacco di nuclei, seguito da rilassamento quando la tensione si distribuisce al resto della fibra. Risposta statica (alla lunghezza del fuso). Dovuta all allungamento delle fibre a catena di nuclei. II Risposta statica (alla lunghezza del fuso). Dovuta all allungamento delle fibre a catena di nuclei.
Le fibre intrafusali sono innervate da una sottopopolazione di motoneuroni, i motoneuroni gamma. In generale contrazioni di un muscolo evocate dai motoneuroni alfa si accompagnano alla coattivazione dei motoneuroni gamma. Questo mantiene la tensione e capacità di risposta nelle le fibre intrafusali a fronte di accorciamento del muscolo. Inoltre, il livello di attività nei motoneuroni gamma regola la sensibilità delle risposte dei fusi (vedi figura), che può essere così modulata (ad es. durante task motori di maggior precisione).
Gli organi tendinei del Golgi Disposti in serie con il muscolo, segnalano la tensione esercitata dal muscolo. Il loro ruolo nella percezione cinestetica è incerto e marginale rispetto ai fusi neuromuscolari. Rispondono molto di più in seguito a contrazioni del muscolo che a stiramento passivo.
Decerebrazione e Spinalizzazione come modelli sperimentali La decerebrazione è una sezione completa a livello del mesencefalo. Elimina il controllo e la modulazione dei circuiti spinali da parte delle aree superiori. Compare un aumento del tono muscolare negli estensori degli arti: rigidità da decerebrazione. Associata a questa rigidità si ha una maggiore eccitabilità di alcuni riflessi. La spinalizzazione è una sezione completa a livello basso toracico. Elimina il controllo e la modulazione dei circuti spinali da parte del tronco dell encefalo ed altre aree superiori. Inizialmente si riducono drasticamente il tono muscolare ed i riflessi, una condizione detta shock spinale. In seguito, una riorganizzazione interna dei circuiti spinali porta ad un ritorno del tono e dei riflessi fino alla spasticità e clono. In entrambe i casi è possibile studiare il ruolo del midollo spinale del tronco dell encefalo nei riflessi e nella generazione dei movimenti ritmici stereotipati come la locomozione.
L organizzazione somatotopica dei motoneuroni I motoneuroni che innervano un muscolo sono organizzati in un nucleo (o pool) motorio che può estendersi su vari segmenti spinali adiacenti. I nuclei dei muscoli assiali e prossimali sono disposti nella zona mediale delle corna anteriori, mentre quelli dei muscoli distali sono disposti via via più lateralmente.
il Riflesso da Stiramento (o Miotatico) Si origina nei fusi neuromuscolari. In risposta allo stiramento di un muscolo: viene contratto per via monosinaptica lo stesso muscolo ed i suoi sinergisti. vengono inibiti i muscoli antagonisti tramite un interneurone inibitorio (detto di tipo Ia) interposto tra fibra afferente proveniente dai fusi neuromuscolari ed i motoneuroni (via di-sinaptica). Ha una componente dinamica mediata dalle afferenze Ia ed una statica mediata da entrambe le afferenze Ia e II. La componente statica coinvolge anche circuiti polisinaptici.
il Riflesso da Stiramento (o Miotatico) La deafferentazione fa scomparire questo riflesso e diminuire molto il tono muscolare. Il riflesso da stiramento ha notevole importanza nel mantenimento della postura e nella stabilizzazione delle articolazioni durante i movimenti volontari. Costituisce un meccanismo di feedback negativo utile al mantenimento dello stato di allungamento muscolare. E modulato a seconda delle necessità facilitando più o meno l attività dei motoneuroni gamma > quindi il tono delle fibre intrafusali. Test clinici come il riflesso patellare evidenziano patologie a carico del sistema nervoso centrale che coinvolgono l eccitabilità dei motoneuroni gamma.
i riflessi di Retrazione Mediano il rapido allontanamento da uno stimolo nocicettivo della zona del corpo stimolata. Nel caso di stimolo alle zone distali degli arti, porta al reclutamento flessorio di tutte le articolazioni ipsilaterali, accompagnate dall estensione dell arto controlaterale per sostenere il peso corporeo e mantenere l equilibrio. In questo caso prende il nome di Riflesso Flessorio ed Estensorio Crociato. L allontanamento dallo stimolo è molto preciso e ottimizzato per ogni punto del corpo. In generale può quindi reclutare tutti e quattro gli arti ed il busto.
i Movimenti Ritmici Stereotipati I circuiti nel sistema nervoso centrale che generano attività motoria stereotipata sono detti Central Pattern Generators (CPGs), o generatori centrali di schemi motori. Alcuni esempi: Compito Motorio Locomozione Respirazione Masticazione Localizzazione dei circuiti Midollo spinale (rigonfiamenti lombare e cervicale per il movimento degli arti, tutti i segmenti midollari per i muscoli assiali). Esperimenti classici di Graham Brown (1911) sull animale spinalizzato hanno dimostrato che il midollo spinale può generare da solo (anche dopo deafferentazione) il pattern locomotorio. Tronco dell encefalo (circuiti nel ponte e nel bulbo; motoneuroni sia nei nuclei craniali che in quelli spinali). Tronco dell encefalo (circuiti nel ponte e nel bulbo; motoneuroni nei nuclei craniali). Deglutizione Tronco dell encefalo (circuiti nel bulbo) Grattamento Midollo spinale Eiaculazione Midollo spinale (ciruiti nei segmenti lombo sacrali; motoneuroni somatici ed autonomici pre-gangliari negli stessi segmenti)
La Locomozione: i circuiti spinali generano contrazioni muscolari ritmiche coordinate Registrazioni elettromiografiche da molti muscoli nell uomo durante la deambulazione a diverse velocità (da Lacquaniti et al). I sinergisti di ogni articolazione tendono a contrarsi sincronicamente (SOLEO e GASTROCNEMIO LATERALE) Gli antagonisti si congraggono invece in alternanza (SOLEO e TIBIALE ANTERIORE)
I circuiti possono riconfigurarsi modificando la coordinazione fra estensori e flessori Il gatto spinale o decerebrato esprime le varie forme di locomozione dei quadrupedi a seconda della velocità della pedana. Questa riconfigurazione è indotta dai segnali cinestetici provenienti dagli arti. (Swing=Oscillazione o Trasferimento; Stance=Appoggio).
Organizzazione delle vie discendenti (fasci o tratti) dal tronco dell encefalo Formazione Reticolare Pontina e Bulbare: controllo dei movimenti soprattuto dei muscoli assiali e prossimali, controllo della postura in feedforward, controllo della locomozione, tono muscolare. I fasci decorrono nel cordone ventrale del midollo. Nuclei vestibolari: riflessi vestibolo-spinali, controllo della postura in retroazione. Il fascio vestibolo-spinale decorre lungo il cordone ventrale del midollo. Le proiezioni da entrambe terminano nell area mediale delle corna anteriori e della zona intermedia (controllo di motoneuroni ed interneuroni assiali e prossimali degli arti)
Organizzazione delle vie discendenti (fasci o tratti) dal tronco dell encefalo Collicolo superiore o tetto ottico (mesencefalo): movimenti di orientamento del capo verso stimoli dal mondo esterno. Il fascio collicolo-spinale decussa e decorre lungo il cordone ventrale del midollo. Termina nell area mediale delle corna anteriori e della zona intermedia (controllo di motoneuroni ed interneuroni assiali) Nucleo rosso (mesencefalo): controllo degli arti anteriori insieme alla corteccia motoria, da cui riceve direttamente segnali. Il fascio rubro-spinale decussa e decorre lungo il cordone laterale del midollo. Termina nell area laterale delle corna anteriori e della zona intermedia (controllo degli interneuroni distali degli arti)
Organizzazione delle vie discendenti dalla corteccia motoria Via diretta: il Tratto Cortico-Spinale detto anche tratto piramidale laterale, (è quello principale) che decussa a livello delle piramidi del bulbo e scende nel cordone laterale per il controllo dei muscoli distali degli arti. mediale, rimane ispilaterale e decorre nel cordone ventrale del midollo per il controllo dei muscoli prossimali. Via indiretta: il Tratto Cortico-Bulbare dalla corteccia motoria trasmette alla formazione reticolare i comandi motori da eseguire. Questa a sua volta programma gli opportuni aggiustamenti posturali e controlla i muscoli assiali e prossimali a livello spinale. Va menzionato fra le vie indirette anche il controllo corticale del nucleo rosso mesencefalico.
Il controllo della Postura Tenere una determinata postura, ad esempio quella eretta, richiede: 1. L attivazione tonica dei muscoli antigravitari. 2. Una opportuna compensazione dei disturbi, che possono essere Prevedibili. Controllo anticipatorio (o di tipo feed-forward) mediato dalla formazione reticolare Imprevisti. Controllo correttivo (o di tipo feed-back) mediato dall apparato ed i nuclei vestibolari, nonchè da riflessi spinali che coinvolgono la cinestesi.
Regolazione del tono dei muscoli antigravitari La formazione reticolare nella sua componente motoria è suddivisibile in due zone che lavorano in antagonismo: Nuclei Reticolari Pontini. Tramite il fascio reticolo-spinale pontino stimolano i nuclei motori antigravitari. I nuclei pontini hanno elevata eccitabilità e ricevono input dai nuclei vestibolari e altre aree superiori. Nuclei Reticolari Bulbari. Tramite il fascio reticolo-spinale bulbare inibiscono i nuclei motori antigravitari. Ricevono input diretto e indiretto dalla corteccia motoria. Questo input può far antagonizzare l effetto dei nuclei reticolari pontini e rilassare i muscoli antigravitari, oppure lasciare che prevalgano nel mantenimento della postura. La Rigidità da Decerebrazione Si spiega con l eliminazione degli input superiori corticali ai nuclei reticolari bulbari e conseguente spostamento dell equilibrio verso i nuclei pontini e vestibolari >>> eccitazione permanente dei muscoli antigravitari.
Il Controllo Corticale del Movimento Le vie del controllo volontario del movimento dei muscoli assiali, prossimali e distali degli arti provengono dalla corteccia motoria. Vie dirette: Corticospinale (le fibre si riuniscono nelle piramidi bulbari e sono dette anche tratto piramidale) La maggior parte traversa la linea mediana scende nel tratto corticospinale laterale e proietta nella zona laterale del midollo (controllo distale degli arti contralaterali); la parte rimanente scende nel tratto corticospinale ventrale e proietta medialmente e bilateralmente (controllo assiale e prossimale) Corticobulbare; ai nuclei motori cranici Vie indirette: Cortico Rubro Spinale (controllo distale degli arti) Cortico Reticolo Spinale (controllo assiale e prossimale degli arti)
Effetti di lesioni alla corteccia motoria o vie corticali discendenti Flaccidità muscolare contralaterale specifica a seconda della zona lesionata (vedi organizzazione somatotopica) Gli effetti più gravi sono a carico del controllo della muscolatura distale in quanto quella assiale riceve input bilaterale. Dopo la fase acuta si ha un recupero del tono (come dopo shock spinale) con segni particolare fra cui: Sindrome del Babinski Spasticità, iper-riflessia e clono (disinibizione dei centri del tono posturale nel tronco dell encefalo) Perdità del controllo dei muscoli distali della mano e delle dita (i movimenti di precisione in cui la corteccia gioca un ruolo più diretto sono compromessi)
La Corteccia Motoria Le principali aree sono: Area Motoria Primaria M1 Area Premotoria (dorsale e ventrale) Area Motoria Supplementare Ogni area contiene una rappresentazione o mappa motoria del corpo. Attacchi epilettici focali che coinvolgono la corteccia motoria primaria (Jacksoniani): Contrazioni che progrediscono lungo il corpo seguendo il percorso dell attività parossistica lungo la mappa corticale (es. dita, mano, braccio, spalla, viso). Esperimenti di Penfield (1930) durante neurochirurgia in pazienti umani. Stimolazione elettrica della superficie corticale >>> osservazione dei muscoli reclutati. Rappresentazione come omuncolo motorio.
L Area Motoria Primaria, la Premotoria e la Motoria Supplementare INPUT L area motoria primaria dalla motoria supplementare (SMA) ed aree premotorie dorsale (PMd) e ventrale (PMv) Aree Corticali Somatosensoriali (S1) ed Area Associativa Parietale Posteriore (5 e 7; integrazione sensoriale multimodale) Aree della corteccia prefrontale (memoria spaziale) Area Premotoria e Motoria Supplementare sono inoltre fortemente interconnesse fra loro. Tutte le aree della corteccia motoria ricevono anche input subcorticali da: Nuclei della Base (selezione) Cervelletto (apprendimento motorio, supervisione e correzione del movimento) OUTPUT Contribuiscono tutte alle vie cortico-bulbari e cortico-spinali dirette e indirette. Nuclei della base Cervelletto.
Le mappe somatotopiche motorie sono soggette a plasticità da lesione Esperimenti sul ratto in cui dimostrano riorganizzazione dell area motoria primaria in seguito a lesione del nervo cranico VII (facciale) contralaterale. Questa lesione abolisce l input sensoriale dalle vibrisse sul muso dell animale.
Area Motoria Primaria Area in cui la stimolazione elettrica evoca contrazione muscolare con la soglia più bassa. Neuroni piramidali giganti del V strato corticale (cellule di Betz) proiettano con l assone verso il bulbo e midollo spinale (fibre del tratto piramidale). Gli assoni grandi e mielinizzati conducono il potenziale d azione molto rapidamente. A livello spinale contattano più di un nucleo motorio:
Nuclei Subcorticali coinvolti nella Regolazione di molte attività della Corteccia Formano un anello di retroazione Corteccia>Nuclei>Talamo>Corteccia che modula l attività corticale. Aree corticali che proiettano ai nuclei della base
Anatomia Nuclei di ingresso Lo Striato: Putamen e Nucleo Caudato (riceve proiezioni cortico-striatali glutamatergiche) Sostanza Nera zona compatta SNc (riceve proiezioni da varie zone cerebrali e modula l attività dello striato ) Nuclei intermedi Globo Pallido segmento esterno GPe, Nucleo Subtalamico NST Nuclei di uscita Globo Pallido segmento interno GPi, Sostanza Nera zona reticolata SNr
Il circuito interno ai gangli della base (semplificato) Nuclei di ingresso Lo Striato: Putamen e Nucleo Caudato (riceve proiezioni cortico-striatali glutamatergiche) Sostanza Nera zona compatta SNc (riceve proiezioni da varie zone cerebrali e modula l attività dello striato ) Nuclei intermedi Globo Pallido segmento esterno GPe, Nucleo Subtalamico STN Nuclei di uscita Globo Pallido segmento interno GPi, Sostanza Nera zona reticolata SNr L uscita dei Nuclei della Base è Inibitoria!
L anello motorio è organizzato in maniera somatotopica Il controllo di diverse parti del corpo si mantiene segregato a ciascun livello del circuito: Corteccia Motoria >Putamen >Globo Pallido e Nucleo Subtalamico >Talamo (Nuclei Ventro-anteriori e Ventro-laterali) >Corteccia Motoria, principalmente area motoria supplementare (SMA). I nuclei della base infatti regolano soprattuto i movimenti eseguiti su iniziativa interna e non in risposta a stimoli esterni.
Neuroni e Convergenza Attraversi i Nuclei della Base 1. Neuroni detti medium spiny nello Striato ricevono gli input corticali su sinapsi poste lungo i dendriti. Su un neurone medium spiny convergono migliaia di neuroni corticali. In prossimità delle stesse sinapsi agiscono le fibre dei neuroni dopaminergici della Sostanza Nera zona compatta SNc (modulano l input sinaptico cortico-striatale). Interneuroni locali dello Striato agiscono sui dendriti prossimali influenzando così l integrazione dei pontenziali sinaptici di origine corticale. 2. I neuroni medium spiny sono gabaergici (inibitori) e si dividono in due gruppi a seconda della proiezione: Via diretta al globo pallido segmento interno GPi Via indiretta al globo pallido segmento esterno GPe 3. C e una notevole convergenza attraverso i nuclei della base
Via Diretta e Indiretta Via Diretta Via Indiretta Neurotrasmettitori: GABA (inibitorio) Glutammato (eccitatorio) Modulatori: Dopamina DA (eccitatorio sulla via diretta ed inibitorio su quella indiretta)
Gli aspetti del controllo motorio cui partecipano i Nuclei della Base Iniziazione di movimenti, particolarmente quelli eseguiti su decisione interna molti neuroni dei Nuclei della Base si attivano prima dell effettivo movimento (durante la fase di programmazione) in modo analogo a quello dell area motoria supplementare (SMA) il rilascio della tonica inibizione specifico ai movimenti che si intende eseguire non evoca automaticamente i movimenti ma apre il canale e ne permette la successiva espressione. Esecuzione fluida di movimenti complessi contemporaneamente alla disinibizione del movimento da eseguire, si aumenta l inibizione di altri tipi di movimenti antagonisti o indesiderati
Il Modello spiega la Sintomatologia di Patologie a Carico dei Nuclei Ipocinesia e Bradicinesia il Morbo di Parkinson s Insorgenza in età avanzata La seconda malattiva degenerativa del sistema nervoso dopo l Alzheimer Tremore a riposo, lentezza dei movimenti (bradicinesia), rigidità, assenza di espressioni facciali e forte riduzione dei movimenti spontanei (ipocinesia) Si accompagna a degenerazione progressiva dei Dopaminergici della Sostanza Nera zona compatta (SNc). I sintomi compaiono con più dell 80% di degenerazione. MPTP un modello sperimentale per l induzione del morbo. Il modello è sostenuto da osservazioni come quella che: una successiva lesione del Nucleo Subtalamico (STN) può compensare molti dei sintomi del morbo.
Controllano in parallelo non solo attività motorie, ma anche cognitive ed emozionali All interno dei nuclei della base queste varie modalità sono elaborate in parallelo, cioè con circuiti funzionalmente segregati fra di loro. Il ruolo dei Nuclei anche nelle attività cerebrali non prettamente motorie può aiutare a spiegare deficit cognitivi ed emozionali riscontrabili nelle patologie che li coinvolgono.
Il cervelletto puo essere suddiviso in base alle diverse sedi di provenienza delle afferenze: Cerebro-cervelletto, molto sviluppato nei primati; è coinvolto nella regolazione di movimenti altamente specializzati, nella pianificazione ed esecuzione di complesse sequenze spaziali e temporali dei movimenti, compresi quelli inerenti il linguaggio. Vestibolo-cervelletto, Flocculo e nodulo, riceve dai nuclei vestibolari e la sua funzione principale riguarda la regolazione dei movimenti alla base dell equilibrio e della postura. Spino-cervelletto, riceve proiezioni direttamente dal midollo spinale; la parte laterale è interessata nel controllo dei movimenti generati dai muscoli distali, la parte centrale (VERME) nel controllo dei muscoli prossimali e nel controllo dei movimenti oculari in risposta a segnali di natura vestibolare. Le connessioni tra il cervelletto e altre parti del SNC sono stabilite tramite i peduncoli, superiore (fibre efferenti), medio (fibre afferenti al cervelletto) e inferiore (Fibre afferenti ed efferenti).
Dalla corteccia cerebrale attraverso i nuclei pontini arrivano la maggiorparte delle proiezioni al cerebro-cervelletto. Le proiezioni allo spino cervelletto si distribuiscono secondo mappe somatotopiche. Queste mappe sono però frammentarie ogni piccola area della superficie corporea è rappresentata piu volte. Inoltre il Cervelletto di destra elebora informazioni relative alla metà destra del corpo e il cervelletto di sinistra alla metà sinistra del corpo.
Ad eccezione della proiezione diretta dal vestibolo-cervelletto ai nuclei vestibolari, la corteccia cerebellare proietta sempre ai nuclei cerebellari profondi (dentato, interpositi, fastigio) che a loro volta proiettano, attraverso ii talamo ai motoneuroni superiori della corteccia e al midollo spinale attraverso il tronco dell encefalo
Cellule GABA-ergiche. Il sistema efferente ha carattere inibitorio