Upload
jan5437
View
11
Download
2
Embed Size (px)
DESCRIPTION
motor
Citation preview
6‐5‐2015
1
Motoriek 2015
Neurosystemen
Tonny MulderBMW 3de jaarNov-dec 2012
Tonny MulderPB 1e jaarMei 2015
Neuro Fysiologie Neuro Anatomie
1
Motoriek Centraal & perifeerBasale ganglia & Cerebellum
Ch 16+17+18+19
Motoriek 2015
1ste vs 2de pijn
2
1: Hst 16
2: Hst 17
3: Hst 18
4: Hst 19
6‐5‐2015
2
Motoriek 2015
Ontwikkeling van het motor systeem
Aangeboren motor programma’sSlikken, spugen, huilen, hoesten, niezen
Van 0‐15 jaarVolwassen worden van het circuitLeren door doen, spelen.
Lopen, reikenFijn controle handen en vingers.
Alles onder invloed van het sensorischesysteemEvenwichtsorgaan, ogen, spier en huidreceptoren
Motoriek 2015
Brein input
4
6‐5‐2015
3
Motoriek 20155
Brein input
Motoriek 2015
Van sensorisch naar motorcrossing the central sulcus
6‐5‐2015
4
Motoriek 2015
Motor systems
7
Motoriek 20158
6‐5‐2015
5
Motoriek 2015Penfield & Rasmussen The Cerebral Cortex of Man (1950), Redrawn by M.H. Schieber J Neurophysiol 2001
Stimulatie van de cortex in de mens
Corticale motor gebieden
Motoriek 2015
In de verdoofde aap wordt d.m.v. een microelectrode in laag 5 gestimuleerd.
‘Flick‐like’ spiertrekkingen van lichaamsdelen in de contralateralekant van het lichaam.
Grove somatotopie.
Alhoewel vanuit verschillendeplekken het zelfde lichaamsdeelbeweegt.
HC Kwan et al. J Neurophysiol 41:1120 1978, redrawn by Shieber J Neurophysiol 2001.
Corticale motor gebieden
6‐5‐2015
6
Motoriek 2015
Corticale motor gebieden
Motoriek 2015
Corticale motor gebieden
6‐5‐2015
7
Motoriek 2015
Cingulate cortex
• Vertegenwoordigd het hoogstelevel van motor controle
• Besluiten over acties en hunuitkomst
• Abstract denken, besluitvormingVerwachte uitkomst van de actie
Motoriek 2015
Premotor Area
• Zelfde topografischeorganizatie als M1
• Verantwoordelijk voorcomplexe motor patronen
• Regelen van doel positiet.o.v. de hand positie en coderen van de gewenstebeweging (verplaatsen van de hand)
• SpiegelNeuronen
6‐5‐2015
8
Motoriek 2015
De ontdekking
• Ergens rond 1995 in het lab van Rizzolatti in Parma, Italie.• Onderzoeks gebied
– Motor activiteit in Premotor gebied in apen.
• De aap heeft pauze, zit stil en is nog steeds aangesloten.• Gallese neemt ook pauze en eet en drinkt wat .• Opeens vuurt het neuron.• Gallese denkt: He wat is dat?• Maar de aap beweegt niet dus de conclusie is,
– Complexe visuele reacties in het motor gebied
• Het heeft een paar jaar geduurd voordat de realisatiekwam dat het wel eens ‘mirror Neurons’konden zijn
15
Motoriek 2015
Spiegel neuronen in premotor area
16
6‐5‐2015
9
Motoriek 2015
Video
17
Motoriek 2015
Video
18https://www.youtube.com/watch?v=NZQJ_1FqddQ
6‐5‐2015
10
Motoriek 2015
F5 is Homologous to Area 44/45 of Broca’s Area
Rizzolatti and Arbib 1998
Broca's Area: Areas 44 + 45
Monkey Human
Motoriek 2015
Supplementary Motor Area
• Eveneens een topografischeorganizatie
• Verzorgd bilaterale contractie
‐ bilaterale grijp bewegingen(Klimmen)‐ attitude gerelateerde beweging‐ Fixatie bewegingen‐ Bewegingen van hoofd en ogen
6‐5‐2015
11
Motoriek 2015
Posterior Parietale Cortex
• Afstellen arm propioceptie met beeld van de hand
• Compute handpositie in zichtcoordinaten.
• Compute doelpositie in zichtcoordinaten.
Motoriek 2015
Primaire Motor Cortex (MI)
• Vezels via de ‘pyramidal tract’, cortico‐spinal tract
• Zet de gewenste beweging om in spieractivatie patronen en stuurt deze naar het ruggemerg
• Meer dan de helft van M1 codeert voorhandbewegingen en spreek spieren.
• Vuren van een enkel motor neuron veroorzaakt een specifiek patroon van beweging, maar geen specifieke spier
• Lesies leiden tot specifieke verlammingen
6‐5‐2015
12
Motoriek 2015Moran & Schwartz, J Neurophys 1999
Binnen een grijpbeweging gaat de activiteit in premotor cortex voorafaan de activiteit van de M1
Corticale motor gebieden
Motoriek 201524
6‐5‐2015
13
Motoriek 2015
The Contributions of Posterior Parietal and Prefrontal Cortex
• Neuronal Correlates of Motor Planning (Evarts)
– “ready”‐ Parietal and frontal lobes
– “set”‐ Supplementary and premotor areas
– “go”‐ Area 6 (M1)
Motoriek 201526
Betz Celles: 5% of all motor neuronsLikely to play a role in controlling lower motor neurons in brainstem and spinla cord that innervate distal extremities
Non Betz: all other upper motor neuronsProject via corticobulbar and corticospinal tracts
6‐5‐2015
14
Motoriek 201527
• CorticoSpinal– To spinal cord
• Corticobulbar– To brainstem nuclei
– Facial movement
Motoriek 201528
• Visual guidance task
• Recording pyramidal cells
– Tuning curve for action
– Preferred direction of movement for each neuron
– All directions covered
6‐5‐2015
15
Motoriek 2015
Lesies van de perifere zenuw naar de snorharen: Motor cortex reorganizatie
Corticale motor gebieden
Motoriek 2015
vibrissae
forelimb_
++
Corticale Buurt regios zijnverbonden via inhibitoireinterneuronen.
Lesies verlagen de synaptische effectiviteit van de inhibitie van het snorhaarnaar het voorpootgebied.
Stimulatie van de snorharenleidt nu tot voorpootbewegingen.
(Sensorische banen blijvenintact)
Corticale motor gebieden
6‐5‐2015
16
Motoriek 2015
• Rechter arm amputatie, boven de pols
• TMS stimulatie van de Motor cortex
• Spier activiteit in biceps en labiiinferioris.
• De lip, en 1ste en 5de vingers wordenaangeraakt
• en evoked potentials gemeten.
Contralateral to the intact arm
Contralateral to the stump
Karl A. et al. (2001) J Neurosci 21:3609
Motor representatie van de biceps is groter contralateraal van de stomp
Corticale motor gebiedenAmputatie verandert de ‘Motor Map’
Motoriek 2015
Herorganisatie Somatosensorische cortex
32
6‐5‐2015
17
Motoriek 2015
Corticale Herorganizatie
Op 11 jarige leeftijdamputatie van rechterarm
MEG + MRI
Hand: GroenBovenarm: BlauwGezicht: rood
Ramachandran 1999
Gezonde Armrepresentatie
Geamputeerderepresentatie
33
Motoriek 2015
Corticale Herorganizatie
Ramachandran 1999
4 weken6 maanden
34
6‐5‐2015
18
Motoriek 2015
12 juni: Aftrap WK door verlamdpersoon in een exoSkelet
Motoriek 2015
Aapjes voeren?!
• Univ of Pittsburg
• Experiment only
• Ook
http://www.youtube.com/watch?NR=1&v=pz_DV7elpxw&feature=endscreen
6‐5‐2015
19
Motoriek 2015
Aapjes voeren?!
• Univ of Pittsburg
• Experiment only
• Ook
http://www.youtube.com/watch?NR=1&v=pz_DV7elpxw&feature=endscreen
Motoriek 2015
Aapjes voeren?!
6‐5‐2015
20
Motoriek 2015
Donoghue et al/Brown University
http://www.theguardian.com/science/video/2012/may/16/mind‐controlled‐robotic‐arm‐video
Multi‐Electrode developed byMcNaughton Group
Motoriek 2015
Brain‐machine interface
• Brown University New England• Experimenteel in mensen uitgetest• BrainGate
• vanaf 4:20• http://www.youtube.com/watch?NR=1&v=qOXTnNPgAX0&feature=endscreen
6‐5‐2015
21
Motoriek 2015
Motoriek 2015
6‐5‐2015
22
Motoriek 2015
. Geef de namen van de aangegeven corticale motorgebieden
• 1: premotor; 2: primair motor; 3: supplementary motor; 4: cingulaire cortex
• 1: primair motor; 2: supplementary motor; 3: premotor; 4: cingulaire cortex
• 1: supplementary motor; 2: primair motor; 3: cingulaire cortex; 4: premotor
• 1: cingulaire cortex; 2: primair; 3:supplementary motor; 4: premotor
Motoriek 2015
. Geef de namen van de aangegeven corticale motorgebieden
• 1: premotor; 2: primair motor; 3: supplementary motor; 4: cingulaire cortex
• 1: primair motor; 2: supplementary motor; 3: premotor; 4: cingulaire cortex
• 1: supplementary motor; 2: primair motor; 3: cingulaire cortex; 4: premotor
• 1: cingulaire cortex; 2: primair; 3:supplementary motor; 4: premotor
6‐5‐2015
23
Motoriek 2015
Exoskeleton
http://www.theguardian.com/science/video/2014/apr/01/robotic‐exoskeleton‐world‐cup‐debut‐video
Motoriek 2015
Exoskeleton
6‐5‐2015
24
Motoriek 2015
Motoriek 2015
6‐5‐2015
25
Motoriek 2015
Motoriek 2015
“To move is all that mankind can dofor such the sole execution is muscle,
whether in whispering a syllable or in felling a forest.”
Charles Sherrington
Sherrington introduceerde de term “synaps”
Nobel prijs in 1932
6‐5‐2015
26
Motoriek 2015
1ste vs 2de pijn
51
1: Hst 16
2: Hst 17
3: Hst 18
4: Hst 19
Motoriek 2015
Ruggemerg
6‐5‐2015
27
Motoriek 2015
Ruggemerg tentamen
1. Dit is een typische doorsnede op cervicaal niveau, maar zou ook sacraal kunnen zijn2. Dit is een typische doorsnede op thoracaal niveau , maar zou ook cervicaal kunnen zijn3. Dit is een typische doorsnede op sacraal niveau, maar zou ook lumbaal kunnen zijn4. Dit is een typische doorsnede op lumbaal niveau , maar zou ook cervicaal kunnen zijn
Motoriek 2015
Ruggemerg
6‐5‐2015
28
Motoriek 2015
Van Ruggemerg naar de spier
• Motor Neuron
55
Molnar & Brown, NNR, 2010
Motoriek 2015
1ste vs 2de pijn
56
6‐5‐2015
29
Motoriek 2015
1ste vs 2de pijn
57
Motoriek 2015
Motoriek
58
Postural controlMaintenance of balance
Execution of skilled behavior
6‐5‐2015
30
Motoriek 2015
Motoriek
59
Medial local circuit neuronsLong distanceProject to many spinal cord segmentsBilateralPostural controlRhythmic movements upper and lower limbsMaintenance of balance
Lateral local circuit neuronsShort distanceProject to a few spinal cord segmentsipsilateralExecution of skilled behavior
Motoriek 2015
Ruggemerg: Reflexboog
6‐5‐2015
31
Motoriek 2015
Motoriek
61
Sherrington: Motor‐unit
Motoriek 2015
Mediale septum
Nucleus diagonale band van Broca
Acetylcholine synthese
6‐5‐2015
32
Motoriek 2015
Detail nucleus diagonale band van Broca
Motoriek 2015
The structure of the nACh synaps
No reuptakeBut acetylcholine esterase
Organophosphates block acetylcholine esterase
SARIN!Neuromusculaire verlamming
6‐5‐2015
33
Motoriek 2015
Myasthenia Gravis
Autoimmuun ziektenACh receptoren op de spieren worden aangevallen
MEPP: End plate potentials
Motoriek 2015
Motoriek
66
Sherrington: Motor‐unit
6‐5‐2015
34
Motoriek 2015
Two types of motorneurons
67
Alpha motor neuronsExtrafusal muscle fibersStriated muscle fibersGenerate forces needed for posture and movement
Gamma motor neuronsIntrafusal muscle fibersCombined with sensory input that send information about the length of the muscle.
Setting of appropriate muscle length
Motoriek 2015
Motor unit types: Size principle
68
Slow motor units (S, 25% of total): sustained – upright positionFast Fatiqable resistant motor units (FR): intermediateFast Fatiqable motor units (FF): brief but large forces: jumping
6‐5‐2015
35
Motoriek 2015
Regulation of muscle force: Size principle
69
Motoriek 201570
Regulation of muscle force
Hand spieren
6‐5‐2015
36
Motoriek 201571
Stretch reflexes
Muscle spindlesSensory receptors OutputGamma motor neuron Input
Reflex adjustments
Ia: Phasic response to small stretches
II: sustained fiber stretchHz in proportion to degree of stretch
Motoriek 2015
Stretch reflex
72
6‐5‐2015
37
Motoriek 2015
Motoriek
73
Geen direct control mogelijkSpindle heeft ‘signaalgat’
Door ook de spindle aan te spannen (Gamma motor neurons) blijf je controle houden over de actie. Veel betere controle bij moeilijke bewegingen
Gamma motor activity Gain afhankelijk van gewenste activiteit
Motoriek 2015
Golgi tendon organ
74
Stretch, veel activiteit in Spindlesweinig activiteit verschil in golgi tendon
6‐5‐2015
38
Motoriek 2015
Golgi tendon organ
75
Contraction, weinig activiteit in SpindlesVeel activiteit in golgi tendon
Golgi tendon: Negative feedback system regulating muscle tension.
Via Ib naar inhibitory interneuronsProtection of the muscle!
Motoriek 2015
Motoriek
76
6‐5‐2015
39
Motoriek 2015
Feedback
77
Muscle Spindle system:Feedback system (Ia, II afferents)Monitors and maintains muscle length
Golgi tendon systemFeedback system (Ib afferents)Monitors and maintains muscle force
Motoriek 2015
Arm prothese
• Univ of Rome
• http://www.youtube.com/watch?v=ppILwXwsMng&feature=related
6‐5‐2015
40
Motoriek 2015
Motoriek
79
ReflexBoog‐ Interactie tussen Flexor en Extensor in beide benen‐ Anders val je om!
Motoriek 2015
Central pattern generators
6‐5‐2015
41
Motoriek 2015
Central pattern generators: Leech
Dorso ventrale beweging
Motoriek 2015
Central pattern generators Lamprey
Laterale beweging
6‐5‐2015
42
Motoriek 2015
Central pattern generators Lobster
Two rhythmic movements of lobster gutOnly if information from sensory systemGastric Mill movement : Grinding the foodPyloric movement: Transport food to hind gut
Motoriek 2015
Central pattern generators (CPGs)
• Voorgeprogrammeerde microcircuits voor een specifieke taak
84
6‐5‐2015
43
Motoriek 2015
Central pattern generators (CPGs)
• Voorgeprogrammeerde microcircuits voor een specifieke taak
85
Motoriek 2015
Motoriek
86
6‐5‐2015
44
Motoriek 2015
Central pattern generators (CPGs)
• ‘Decerebrate’ cat: Hersenstam‐ruggemerg intact
87Decerebrate cathttp://www.youtube.com/watch?v=wPiLLplofYw
Motoriek 2015
Subcorticale motor patronen
• Hypothalamus– Autonome functies
• Temperatuur regulatie
• Voedsel en water inname
• Motor programma’s om het te krijgen
• Basale Ganglia– Initiatie van motor gedrag
– Twee regio’s• Input gebied: dorsaal en ventraal striatum, GABAerg, stil tijdensrust periodes, inhibeert het pallidum
• Output gebied: pallium, GABAerg, actief tijdens rust periodes
• Ziekte van Parkinson, Geen Dopamine (Substantia nigra, VTA)
88
6‐5‐2015
45
Motoriek 2015
1ste vs 2de pijn
89
1: Hst 16
2: Hst 17
3: Hst 18
4: Hst 19
Motoriek 2015
De BASALE GANGLIA verzorgen de selectieen initiatie van (doelgerichte) bewuste
bewegingssequenties
Het CEREBELLUM is de ‘fine tuner’ van
kleine fijne bewegingen
(met name van de vingers).
Basale ganglia en cerebellum
6‐5‐2015
46
Motoriek 2015
Functie van de basale ganglia
Basale ganglia zijn betrokken in de
regulatie van doel gerichte vrijwillige
bewegingen:
• Motor learning
• Motor pattern selection
Motoriek 2015
Basal Ganglia
NeostriatumCaudate nucleusPutamenVentral striatum (nucleus accumbens)
PaleostriatumGlobus pallidus external segment (GPe)Globus pallidus internal segment (GPi)
Substantia NigraPars compacta (SNc)Pars reticulata (SNr)
Subthalamic nucleus (STN)
6‐5‐2015
47
Motoriek 2015
Basal Ganglia
NeostriatumCaudate nucleusPutamenVentral striatum (nucleus accumbens)
Corpus Striatum: Striped Body
Motoriek 2015
Basal Ganglia
NeostriatumCaudate nucleusPutamenVentral striatum (nucleus accumbens)
6‐5‐2015
48
Motoriek 2015
Basal Ganglia
NeostriatumCaudate nucleusPutamenVentral striatum (nucleus accumbens)
PaleostriatumGlobus pallidus external segment (GPe)Globus pallidus internal segment (GPi)
Substantia NigraPars compacta (SNc)Pars reticulata (SNr)
Subthalamic nucleus (STN)
Motoriek 2015
Basal Ganglia
NeostriatumCaudate nucleusPutamenVentral striatum (nucleus accumbens)
PaleostriatumGlobus pallidus external segment (GPe)Globus pallidus internal segment (GPi)
Substantia NigraPars compacta (SNc)Pars reticulata (SNr)
Subthalamic nucleus (STN)
6‐5‐2015
49
Motoriek 2015
Basal Ganglia
NeostriatumCaudate nucleusPutamenVentral striatum (nucleus accumbens)
PaleostriatumGlobus pallidus external segment (GPe)Globus pallidus internal segment (GPi)
Substantia NigraPars compacta (SNc)Pars reticulata (SNr)
Subthalamic nucleus (STN)
Motoriek 2015
Input van basaleganglia
6‐5‐2015
50
Motoriek 2015
Lateral view Medial view
Corticale input van de Basale ganglia (blauw)
Motoriek 2015
Neuronen van de basale ganglia
6‐5‐2015
51
Motoriek 2015
Dopamine Neurons and their projections
Synthese: Substantia nigra (SN) Ventral tegmental area (VTA).
Projectiebanen,1) nigro-striataal2) mesocorticaal3) meso-limbisch
MotivationRewardReinforcement
Reuptake via DATCocaine, Amphetamine
Dopamine: Metabotropic receptors
Motoriek 2015
Dopamine synthese gebieden
VTA
Substantia nigra
6‐5‐2015
52
Motoriek 2015
Dopamine projectie gebied
Motoriek 2015
Smith and Bolam 1990
Synaptic input to and output from striatal medium spiny neurons
Hyman & Malenka 2001
6‐5‐2015
53
Motoriek 2015
Medium spiny neuron projecties
Motoriek 2015
Output via thalamus naar cortex
6‐5‐2015
54
Motoriek 2015
Basal ganglia Motor loops
Motoriek 2015
Input Output and internal circuitry
6‐5‐2015
55
Motoriek 2015
Motoriek 2015
Regulatie van oogbewegingen
6‐5‐2015
56
Motoriek 2015111
Motoriek 2015112
6‐5‐2015
57
Motoriek 2015113
Motoriek 2015114
6‐5‐2015
58
Motoriek 2015
Cortex
VA/VL
GPi/SNr
Striatum
Modified from Wichmann and Delong, Curr Opin Neurobiol. 6:751-758, 1996.
* * tonically active~100 Hz
GPe
STN
*
Direct pathway
Excitation (glutamate)
Inhibition (GABA)
Motoriek 2015
Direct pathway
Brain stem/Spinal cord
VA/VL
Striatum
Modified from Wichmann and Delong, Curr Opin Neurobiol. 6:751-758, 1996.
Direct pathway:facilitatesmovement
* * tonically active~100 Hz
GPe
STN
*Disinhibition
Cortex
GPi/SNr
Excitation (glutamate)
Inhibition (GABA)
6‐5‐2015
59
Motoriek 2015
Disinhibition
Brain stem/Spinal cord
VA/VL
Striatum
Modified from Wichmann and Delong, Curr Opin Neurobiol. 6:751-758, 1996.
* * tonically active~100 Hz
STN
*
Indirect pathway:inhibitsmovement
Cortex
Indirect pathway
GPe
GPi/SNr
Excitation (glutamate)
Inhibition (GABA)
Motoriek 2015
Cortex
Brain stem/Spinal cord
VA/VL
GPi/SNr
Striatum
Modified from Wichmann and Delong, Curr Opin Neurobiol. 6:751-758, 1996.
Direct pathway:facilitatesmovement
* * tonically active~100 Hz
GPe
STN
*
Indirect pathway:inhibitsmovement
D1D2
SNc
Excitation (glutamate)
Inhibition (GABA)
6‐5‐2015
60
Motoriek 2015
Cortex
Brain stem/Spinal cord
VA/VL
GPi/SNr
Striatum
GPe
STN
*
Motoriek 2015
Gerfen Nat. Neurosci. 2006
Direct and indirect pathways in mouse brain
6‐5‐2015
61
Motoriek 2015
Hypokinetic disorders
• insufficient direct pathway output
• excess indirect pathway output
Hyperkinetic disorders• excess direct pathway output
• insufficient indirect pathway output
Motor behavior is determined by the balance between direct/indirect striatal outputs
Motoriek 2015
Parkinson’s disease
PathophysiologyPrimary: loss of nigrostriatal DA projection
SNc
Striatum
Michael J. Fox Muhammad Ali Pope John Paul II Janet Reno Katherine Hepburn
6‐5‐2015
62
Motoriek 2015
NormalParkinson’sdisease
Motoriek 2015
PET scan in hersenen van gezonde persoon en Parkinson’s patient
Dopamine binding insubstantia nigra
6‐5‐2015
63
Motoriek 2015
Parkinson’s disease
Motoriek 2015
Parkinson’s disease
6‐5‐2015
64
Motoriek 2015
Deep Brain Stimulation
Motoriek 2015
Deep Brain Stimulation (DBS)
• Wordt op dit moment vooral succesvol toegepast bijmotorische stoornissen (Parkinson’s; Tourette).
• Vooral stimulatie van Nucleus substhalamicus is succesvol.
• Experimenteel onderzoek bij OCD (Denys), epilepsie, verslaving.
Link naar PD patient
http://www.youtube.com/watch?v=h8tWlYv1Ykc
6‐5‐2015
65
Motoriek 2015
Transplants increased striatal dopaminergic activity
Motoriek 2015
6‐5‐2015
66
Motoriek 2015
Motoriek 2015
Hyperkinetic disorders: choreatic syndromes
1. Huntington’s chorea
2. Dystonia
3. Tardive dyskinesia
4. DOPA-induced dyskinesia
5. Hemiballismus
6. Tourette’s syndrome
Causes:Genetic (autosomal dominant)
Genetic or idiopathic
Chronic neuroleptic use
Parkinson’s therapy
Unilateral vascular accident,typically subthalamic nucleus
Excessive D2-subtypeDA receptor expression(?)