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Neurofisiologia

Appunti di neurofisiologia basati su appunti personali del publisher presi alle lezioni del prof. D'Avella dell’università degli Studi di Messina - Unime, facoltà di Medicina e Chirurgia, Corso di laurea magistrale in medicina e chirurgia. Scarica il file in formato PDF!

Esame di Fisiologia umana docente Prof. A. D'Avella

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ESTRATTO DOCUMENTO

preparati deafferentati,

- dei in cui è stata fatta una sezione delle radici dorsali per

eliminare le influenze da parte delle afferenze sensoriali delle efferenze motorie.

preparati immobilizzati,

- dei in cui si è ottenuta la paralisi dei muscoli mediate d-

tubocurarina (inibitore Ach).

Generatori centrali di schemi motori nella lampreda

I vertebrati inferiori sono stati utilizzati come modello di organizzazione della circuteria

spinale.

La lampreda è un vertebrato primitivo dalle caratteristiche segmentari, il cui atto locomotorio

è il nuotare in acqua spingendosi in avanti con andamento periodico del corpo (come un’onda

che si propaga) che deriva da cicli di contrazione e rilasciamento alternati dei muscoli dei due

lati.

Il meccanismo identificato si basa sull’attivazione dei motoneuroni dei lati opposti da un

gruppo di interneuroni eccitatori che, oltre ad eccitare i rispettivi motoneuroni, eccitano

anche dei neuroni commessurali che hanno una proiezione inibitoria controlaterale: questo

schema di emi-centro con alternanza permette che venga bloccato, quando è attivo

l’emicentro di un lato, l’attività dell’emicentro del lato opposto (abbiamo osservato lo stesso

meccanismo nell’ambito del riflesso flessorio).

Flessibilità degli schemi motori

preparati spinali deafferentati immobilizzati

Gli schemi locomotori dei o sono molto più

semplici di quelli del cammino normale, consistendo semplicemente in scariche alternate di

attività dei motoneuroni dei muscoli flessori ed estensori.

spinali immobilizzati

- Negli animali possono essere generati schemi più complessi

dopo un periodo di addestramento o con la somministrazione di farmaci che attivano i

CPG; decerebrati

- negli animali (tronco dell’encefalo ancora connesso ai CGP) schemi

deafferentazione;

complessi si ottengono anche dopo

decerebrati immobilizzati

- negli animali gli schemi locomotori si modificano in

funzione di segnali afferenti.

Si conclude che la rete neuronale del midollo spinale che genera gli schemi motori goda di

un’organizzazione funzionale e due livelli: un livello di generazione del ritmo, in un circuito di

emicentri come quello ideato da Brown, ed uno di modulazione che rende lo schema

flessibile e in grado di produrre, in funzione delle richieste, diversi tipi di attività ritmiche.

Regolazione tramite segnali afferenti

circuiti spinali

I che generano gli schemi motori ritmici della locomozione integrano i

segnali afferenti sensoriali per adeguare gli schemi (a perturbazione e altre condizioni attese

o inattese, come variazioni del terreno).

Nei gatti spinali decerebrati, la frequenza del passo dipende dalla velocità con cui si muove la

piattaforma mobile: quindi, il generatore di schemi si adatta agli stimoli fasici che arrivano

dall’attivazione dei propriocettori; in questo modo i segnali afferenti regolano la durata del

periodo di appoggio. transizione dalla fase di appoggio a quella di oscillazione

Nel gatto decerebrato, la viene

dell’anca

controllata dalle informazioni relative all’estensione (indotta dallo sperimentatore),

che comporta l’inibizione del semi-centro dei muscoli estensori e la flessione del ginocchio.

Se per qualche motivo il programma motorio non segue quello pianificato (per una causa

esterna che può essere ad esempio la perdita di contatto non prevista), il circuito spinale

compensa inducendo la transizione più rapidamente.

organi tendinei di Golgi

La stimolazione delle afferenze dagli dei muscoli estensori prolunga

la fase di appoggio, esercitando su di essi un’azione eccitatoria (in questa condizione si ha di

fatto un comportamento opposto del riflesso miotatico inverso); la riduzione della tensione

degli estensori segnala invece la fine della fase di appoggio.

propriocettivi

Analogamente nell’uomo, due segnali afferenti contribuiscono a regolare

queste transizione, in cui è necessario trasferire il peso corporeo da un arto all’altro:

flessori primari

- da un lato, i fusi neuromuscolari dei muscoli dell’anca (ileopsoas) sono

stirati dall’estensione durante l’appoggio e facilitano la flessione e l’inizio

dell’oscillazione (quindi c’è una sorta di riflesso miotatico dei muscoli flessori dell’anca,

che dopo essersi stirati si contraggono flettendo l’anca, alla base transizione appoggio-

oscillazione) estensori

- dall’altro, gli organi tendinei di Golgi dei muscoli producono un aumento

estensori,

dell’eccitabilità dei motoneuroni che innervano i muscoli in un circuito

feedback positivo

eccezionalmente a di tensione che prevede l’inversione stato-

dipendente dell’azione inibitoria usuale (riflesso miotatico inverso) allo scopo di

assicurare un tono estensorio sufficiente a sostenere il peso corporeo durante la fase di

appoggio.

Un sopraggiunto stimolo durante la fase di oscillazione porterà ad una flessione per evitare

l’ostacolo, durante la fase di appoggio porta ad un aumento dell’estensione per evitare di

perdere il supporto dalla gamba.

Regolazione tramite vie discendenti

I meccanismi alla base della generazione dello schema motorio della locomozione sono

spinali, centri superiori avviare

essenzialmente ma il controllo da parte dei è necessario per

adattarla

la locomozione ed alle diverse condizioni.

L’avvio della locomozione e le modificazioni volontarie dello schema del passo sono controllate

da varie strutture sovraspinali:

Tronco encefalico:

- avvia e controlla la velocità della locomozione.

regione locomotoria mesencefalica (RLM)

La stimolazione della contribuisce ad

l’avvio

avviare il passo e modularne la frequenza: dà al cammino quando un animale

ritmo

decerebrato viene posto su una piattaforma in movimento; il dell’attività

locomotoria dipende dall’intensità della stimolazione.

In realtà, più precisamente, stimolata la regione mesencefalica si ha una proiezione alla

formazione reticolare mediale del bulbo e del ponte, la quale proietta poi al midollo spinale.

Cervelletto:

- regola la cinematica del passo modificando la coordinazione

intersegmentale, adattando lo schema locomotorio in risposta a segnali di feedback

provenienti dagli arti.

Lesioni del cervelletto provocano gravi deficit della locomozione (atassia, “cammino

dell’ubriaco”).

Esso riceve infatti informazioni propriocettive dagli arti (tramite i tratti dorsali delle vie

spinocerebellari) e sullo stato dei generatori centrali degli schemi motori (CPG)

attraverso le vie centrali spinocerebellari, nonché una copia dei comandi motori: si

ipotizza allora confronti i movimenti eseguiti con quelli che si vogliono eseguire: in caso

errore

di avvierà una correzione del programma motorio tramite la proiezione nuclei

del tronco encefalico.

Corteccia motoria:

- è responsabile delle modificazioni volontarie e del controllo

visuomotorio della locomozione (guida i movimenti degli arti in risposta a segnali

visivi). aree corticali motorie

L’attività delle è correlata alle fasi del passo quando occorre

modificare volontariamente il cammino in base ad informazioni visive, come nel caso

del superamento di un ostacolo.

A livello di corteccia parietale c’è anche un’attività di pianificazione di un particolare

movimento, in una sorta di memoria dello schema di lavoro.

Addestramento nei pazienti spinali

Questa capacità del midollo spinale di organizzare degli schemi motori può essere utilizzata

negli approcci riabilitativi per i pazienti con lesioni spinali.

lesioni spinali

Le frequentemente portano ad una perdita della funzione deambulatoria;

oggetto di ricerca è la possibilità che i circuiti spinali caudali rispetto alla lesione possano

riorganizzarsi (sfruttando la plasticità del circuito spinale) consentendo di recuperare almeno

in parte la funzione deambulatoria.

addestrati

Pazienti miolesi a camminare su un tappeto mobile dopo aver alleggerito il peso

corporeo tramite un sistema di sgravio (esoscheletro robotico) recuperano una cinematica del

migliorano

passo comparabile a quella normale e la loro capacità di camminare.

Controllo modulare del cammino

Si ritiene che i CPG (generatori centrali degli schemi motori) del cammino possano beneficiare

di un’organizzazione modulare: l’attività di un numero limitato di moduli interneuronali nel

midollo spinale potrebbe semplificare la generazione di schemi motori e l’integrazione di

segnali afferenti discendenti.

Nello studio dell’aspetto modulare del controllo degli schemi motori, un approccio funziona è

quello di cercare di identificare caratteristiche modulari che possono essere combinate; da

studi elettromiografici sull’uomo sono stati individuate sinergie muscolari (diversi gruppi

muscolari attivi in maniere coordinata) che combinate secondo diversi schemi di attivazione

temporale, correlano, per esempio, a diversi cammini con diverse velocità.

Primitive locomotorie

La decomposizione delle attività muscolari in componenti temporali indica che i generatori

centrali di schemi motori per la locomozione sono innati, ma moduli presenti nel neonato e

moduli che si aggiungono maturano con lo sviluppo.

Due schemi motori primitivi nel neonato sono infatti mantenuti durante lo sviluppo, e due

nuovi schemi si aggiungono nel bambino che compie i primi passi; con la maturazione del

cammino tali schemi motori primitivi si adattano secondo specifiche necessità biomeccaniche.

Confrontando le attivazioni muscolari dei neonati con quelle dell’adulto si osserva una

struttura diversa: nel neonato si osserva un’attivazione propriamente sinusoidale che

nell’adulto si concentra fortemente con scariche maggiori nell’unità di tempo.

Delle quattro componenti temporali osservate nell’adulto, soltanto due sono simili o

corrispondenti a quelle del neonato.

In definitiva, primitivi schemi di locomozione come di schemi motori innati che sono presenti

nel neonato, ma ancora non adatti a generare la locomozione; per il controllo e

l’implementazione biomeccanica della locomozione adulta bipede sono necessari adattamenti

degli schemi motori innati e la generazione di nuovi.

Primitive simili sono presenti in differenti specie animali.

Postura

- Equilibrio e orientamento

- Risposte posturali automatiche

- Aggiustamenti posturali anticipatori

- Integrazione di informazioni sensoriali di modalità diverse

- Schema corporeo

- Controllo nervoso della postura

Equilibrio e orientamento

Per postura si intende la configurazione degli angoli articolari e la posizione relativa dei vari

segmenti articolari rispetto agli altri, alla gravità e all’ambiente circostante.

Il mantenimento della postura richiede il controllo dell’equilibro e dell’orientamento dei

segmenti del corpo.

Equilibrio posturale:

- sviluppo di una resistenza attiva in grado di contrastare le forze

esterne che agiscono sul corpo (come il tono muscolare antigravitario) e richiede il

controllo del centro di massa del corpo tramite risposte posturali automatiche a

perturbazioni inattese e aggiustamenti posturali anticipatori per perturbazioni attese.

Orientamento posturale:

- posizione assunta dai vari segmenti del corpo gli uni

rispetto agli altri e rispetto all’ambiente circostante.

Controllo del centro di massa

Centro di massa del corpo:

- posizione media della massa corporea totale, nell’uomo

posto anteriormente alle vertebre lombari (mantenuto grazie alla piccola attivazione

del gastrocnemio ed in parte del quadricipite)

Forza di reazione del suolo:

- forza netta di reazione del suolo (tramite i punti di

contatto)

Centro di pressione:

- punto (immaginario) di applicazione al suolo della forza di

reazione verticale. centro di massa

Il mantenimento dell’equilibrio richiede che la proiezione del cada

base di appoggio

all’interno della (poligono formato dai punti di tra le piante dei due piedi):

in caso contrario, si ha una caduta che non può essere arrestata e non si ha la possibilità di

spostare il punto di applicazione delle forze di reazione vincolare (centro di pressione) al di

fuori della base di appoggio per compensare.

centro di pressione

Un disallineamento del rispetto al centro di massa provoca

spostamento

un’attivazione muscolare che porta allo del centro di massa (anche da fermi in

posizione eretta, di per sé altamente instabile, in realtà il centro di massa non è mai fermo ma

sempre in continua oscillazione). In realtà la contrazione muscolare e lo stesso tono

muscolare antigravitario mantengono una certa stabilità, vincolando con la propria elasticità

minimi spostamenti del centro di massa (se esso si sposta, alcuni muscoli saranno allungati e

svilupperanno una forza di richiamo elastica che lo riporterà in posizione).

Posizione eretta

I meccanismi legati all’elasticità intrinseca dei muscoli non sono però sufficienti a garantire la

stabilità posturale perché non generano forze sufficienti a contrastare le diverse

perturbazioni.

Per mantenere la posizione eretta occorre:

1. Contrastare la gravità, tramite il controllo dell’altezza del centro di massa: il supporto

antigravitario è prodotto dall’attivazione tonica (tono muscolare) dei muscoli estensori e

delle forze passive che si scaricano sulle ossa.

2. Mantenere l’equilibrio, tramite il controllo della traiettoria del centro di massa nel piano

orizzontale grazie all’attivazione di muscoli che producono forze in particolari direzioni

(che lo riportano al centro della ideale superficie orizzontale ove deve essere mantenuto).

Risposte posturali automatiche

Sono strategie per mantenere il centro di massa all’interno della base di appoggio in seguito

disturbo improvviso,

ad un che prevedono:

spostamento del centro di massa rispetto alla base di appoggio,

- Lo mantenendo i

piedi fissi al suolo

L’allargamento della base di appoggio,

- attraverso un passo o un punto di appoggio

aggiuntivo.

Possono essere coinvolti tutti i muscoli del corpo, non solo i muscoli del tronco o delle regioni

prossimali; il reclutamento di ciascun muscolo dipende dal mantenimento dell’equilibrio (non

si tratta quindi di un semplice riflesso da stiramento). temporali spaziali

Le risposte posturali automatiche hanno caratteristiche e particolari:

Caratteristiche temporali:

- il movimento improvviso della superficie di appoggio di

un gatto in posizione eretta evoca un’attività EMG dopo 40-60 ms; nell’uomo invece le

latenze sono di 80-120 ms, si tratta quindi di risposte più veloci delle risposte

volontarie ma più lente del riflesso da stiramento.

Caratteristiche direzionali:

- ciascun muscolo risponde ad un numero limitato di

curva di sintonizzazione

direzioni delle perturbazioni, ed ha quindi una

caratteristica.

I muscoli non vengono attivati indipendentemente ma sono reclutati in sinergie muscolari:

ogni sinergia ha una specifica curva di sintonizzazione relativa non solo alla direzione della

perturbazione, ma anche alla stabilità della superficie di risposto, le sue dimensioni ed altre

caratteristiche.

Le risposte posturali dipendono quindi anche dalle condizioni biomeccaniche; ad esempio,

sono adottate due diverse strategie posturali in risposta ad uno sbilanciamento in avanti:

Strategia d’anca:

- quando la superficie è piccola, si ha un’attivazione dei muscoli

flessori del tronco sull’anca

Strategia di caviglia:

- quando la superficie è molto stabile, la strategia sarà quella di

attivare i muscoli della caviglia.

Il passaggio da una strategia all’altra è graduale.

Aggiustamenti posturali anticipatori anticipata movimenti volontari

Essi consistono in una compensazione degli effetti dei

sull’orientamento e sull’equilibrio, iniziano prima del movimento volontario e dipendono

dalle condizioni biomeccaniche.

Se sono necessari tali aggiustamenti posturali anticipatori, anche la risposta ad uno stimolo

sensoriale e l’esecuzione volontaria del movimento stesso è ritardata.

Ad esempio, in un soggetto in posizione eretta che ha il compito di tirare una maniglia, per cui

sarà necessario applicare ad essa un forza contraendo i muscoli flessori del gomito (come il

bicipite brachiale), forza che avrà come effetto uno sbilanciamento in avanti, si osserva una

risposta posturale anticipatoria allo spostamento in avanti del centro di massa da parte dei

muscoli degli arti inferiori (bicipite femorale e gastrocnemio).

Orientamento posturale

Il posizionamento dei vari segmenti dei vari segmenti del corpo dipende dal compito motorio.

In alcuni compiti motori è importante stabilizzare una parte del corpo nello spazio (es.

camminare trasportando un bicchiere colmo), in altri è necessario stabilizzare una parte del

corpo rispetto un’altra (es. camminare leggendo un libro).

Integrazione multisensoriale un’integrazione

Il mantenimento dell’equilibrio e dell’orientamento posturale richiede

multisensoriale, in quanto le informazioni da una singola modalità sensoriale possono essere

ambigue: grazie ad essa si ottiene una rappresentazione interna del corpo (schema

corporeo).

Le informazioni saranno:

Somatosensoriali,

- caratterizzate da risposte rapide tramite fibre afferenti Ia e Ib, in

assenza delle quali le risposte sono ritardate.

Vestibolari,

- che permettono il mantenimento dell’equilibrio su superfici instabili e

durante i movimenti del capo. I segnali vestibolari influenzano la sintonizzazione

direzione delle risposte posturali (al variare ad es. dell’inclinazione della piattaforma).

Visive,

- che permettono l’anticipazione di situazioni destabilizzanti e l’orientamento

nell’ambiente circostante. Il flusso ottico induce risposte posturali (come nel caso

dell’illusione della rotazione in presenza di una superficie rotante che copre parte del

campo visivo); la visione riduce le oscillazioni del corpo in posizione eretta.

Tuttavia, l’elaborazione dell’informazione visiva è troppo lenta per influenzare

significativamente le risposte posturali ad una perturbazione improvvisa.

Schema corporeo

Lo schema corporeo consiste nella rappresentazione centrale del corpo e dell’ambiente

circostante che integra le informazioni provenienti da più sistemi sensoriali: non si tratta solo,

quindi, di una mappa sensoriale, ma incorpora modelli interni della relazione del corpo con

l’ambiente. Si ritiene che venga utilizzato per elaborare reazioni posturali anticipatorie ed

automatiche.

Un semplice modello interno per valutare l’orientamento della superficie d’appoggio potrebbe

consistere nel valutare l’inclinazione del corpo rispetto alla verticale, l’inclinazione del corpo

rispetto al piede e del piede rispetto alla verticale.

Controllo nervoso della postura

Tronco dell’encefalo:

- la formazione reticolare potrebbe essere la responsabile

dell’organizzazione delle sinergie muscolari per le risposte posturali automatiche.

Cervelletto:

- responsabile dell’adattamento delle sinergie posturali alle condizioni

biomeccaniche.

In realtà, probabili candidati per l’organizzazione delle sinergie muscolari necessarie per le

risposte posturali automatiche sono, in particolare:

Vestibolo-cerebello nuclei vestibolari,

- e le cui lesioni inducono deficit nel controllo

della postura del capo e del tronco

Spino-cerebello formazione reticolare,

- e le cui lesioni inducono oscillazioni

posturali, atassia e risposte posturali ipermetriche a perturbazioni improvvise.

Ciò che si osserva in ogni caso è che il midollo spinale da solo non è in grado di mantenere

l’equilibrio: gatti con sezione completa del midollo spinale sono del tutto privi del controllo

dell’equilibrio e non sono presenti risposte posturali automatiche in seguito allo spostamento

della superficie di appoggio.

Vie discendenti e tronco encefalico

- Organizzazione del controllo motorio discendente

- Vie corticospinali e corticobulbari

- Centri del controllo motorio nel tronco encefalico

Organizzazione del controllo motorio discendente

I motoneuroni del midollo spinale e nel tronco encefalico che innervano i muscoli

inferiori)

(motoneuroni sono influenzati da proiezioni discendenti che derivano da neuroni

superiori)

(motoneuroni dei centri del tronco encefalico e di diverse aree corticali del lobo

frontale: tronco encefalico

- I centri del controllo motorio nel sono il nucleo vestibolare, la

formazione reticolare, la regione locomotoria mesencefalica e collicolo superiore,

importanti per il controllo della postura, della locomozione e dei movimenti di

orientamento. corteccia motoria primaria aree

- Le aree corticali invece sono soprattutto la e le

premotorie del lobo frontale, responsabili della pianificazione e del controllo dei

movimenti volontari.

Vie discendenti e organizzazione somatotopica dei motoneuroni spinali

Le vie discendenti dal tronco encefalico e dalla corteccia motoria hanno bersagli differenti nel

midollo spinale:

Tronco encefalico

- cordone anteriore parte mediale del corno anteriore

 

(bilaterale, molti segmenti) muscoli assiali e prossimali degli arti postura,

 

equilibrio e orientamento

Corteccia cerebrale

- (decussazione a livello del bulbo) cordone laterale parte

laterale del corno anteriore (controlaterale, pochi segmenti) muscoli distali degli

arti movimenti volontari precisi e fini.

Fasci corticospinali e corticobulbari

Gli assoni dei motoneuroni superiori delle aree motorie della corteccia cerebrale, lasciata la

corteccia, formano il peduncolo cerebrale a livello del mesencefalo, a livello bulbare formano

le piramidi bulbari (da cui il nome di vie piramidali), visibili sulla superficie ventrale del

l’80%

bulbo: a livello caudale del bulbo di queste fibre decussano nel cordone laterale

controlaterale, mentre un 20% rimangono nel tratto ventrale dello stesso lato. Alcune di

terminano tronco encefalico

queste fibre in realtà nel (proiezioni cortico-bulbari, una

piccola parte delle quali termina ai nuclei gracile e cuneato modulando l’informazione

midollo spinale

sensoriale), mentre le altre terminano al (proiezioni cortico-spinali).

Centri del controllo motorio nel tronco encefalico

Numerose strutture nel tronco encefalico, quali i nuclei del complesso vestibolare, la

formazione reticolare, il collicolo superiore e il nucleo rosso (in misura minore dell’uomo, in

cui poche fibre che costituiscono il tratto rubro-spinale scendono nel cordone laterale ed

innervano la muscolatura distale degli arti) contengono motoneuroni superiori responsabili

muscoli assiali prossimali

dell’organizzazione di movimenti dei e degli arti.

Vie vestibolo-spinali mediali e laterali

Molti neuroni dei nuclei vestibolari, che ricevono le informazioni sensoriali dai canali

semicircolari e dagli organi otolitici, sono motoneuroni superiori che proiettano nelle regioni

del corno ventrale che controllano i muscoli assiali e i muscoli prossimali degli arti:

mediali vestibolo-spinale mediale

- Gli assoni dei nuclei vestibolari formano il tratto

che termina in entrambi i lati del midollo cervicale; sono i responsabili dei riflessi

vestibolo-cervicali, ricevendo soprattutto informazioni dai canali semicircolari.

laterali vestibolo-spinale laterale

- Gli assoni dei nuclei vestibolari formano il tratto

che termina sui motoneuroni che controllano i muscoli prossimali degli arti; sono i

responsabili delle risposte posturali automatiche, in particolare dell’eccitazione dei

muscoli estensori (antigravitari) e dell’inibizione dei flessori, ricevendo soprattutto

informazioni dagli organi otolitici. rigida degli arti

Rigidità da decerebrazione: un’estensione si instaura quando il

tronco encefalico viene sezionato al di sopra del livello dei nuclei vestibolari o quando

è presente una lesione pontina alta.

In condizioni normali la via vestibolare laterale (che gode di per sé di una frequenza di

scarica elevata) è inibita dalle proiezioni discendenti dalla corteccia cerebrale.

Il sistema vestibolare è importante per il mantenimento del tono muscolare.

Formazione reticolare e vie reticolo-spinali

Per formazione reticolare si intende una complessa rete di circuiti che si estende dalla parte

rostrale del mesencefalo alla parte caudale del bulbo, simile alla sostanza grigia intermedia

del midollo spinale.

Essa svolge svariate funzioni:

- Controllo cardiovascolare e respiratorio, riflessi, movimenti oculari, sonno e veglia

- Coordinazione spazio-temporale dei movimenti degli arti e del tronco.

Le vie reticolo-spinali terminano principalmente nelle parti mediali del corno ventrale e

influenzano gli interneuroni che controllano i muscoli assiali e prossimali degli arti; in

particolare: pontina estensori,

Parte (mediale) è responsabile dell’eccitazione dei muscoli ha

quindi un’azione antigravitaria;

bulbare

- La formazione (laterale) è responsabile dell’inibizione dei muscoli

estensori, ha quindi un’azione gravitaria.

aggiustamenti posturali anticipatori,

Essa è inoltre responsabile degli per via delle

proiezioni che dalla corteccia vanno, attraverso la formazione reticolare, al midollo spinale

(via cortico-reticolo-spinale).

Collicolo superiore e vie tetto-spinali

Il collicolo superiore è localizzato nel mesencefalo dorsale e contribuisce alle vie dei

motoneuroni superiori che controllano i motoneuroni inferiori nel midollo spinale (via

collicolo-spinale o tetto-spinale).

La maggior parte delle proiezioni dal collicolo superiore al midollo transita per la formazione

movimenti

reticolare, ed è responsabile del controllo della muscolatura assiale del collo per i

di orientamento della testa.

Lesioni delle vie discendenti

Le lesioni delle proiezioni discendenti dei motoneuroni superiori (della corteccia o del tronco,

in seguito ad esempio ad un danno ischemico) danno origine ad una serie di sintomi detti

sindrome dei motoneuroni superiori

complessivamente (a volte si utilizza il nome di

sindrome piramidale, con l’idea che le fibre cortico-spinali fossero quelle coinvolte in questo

tipo di sindrome; in realtà la lesione delle fibre a livello corticale comporta sempre una

lesione di altre ve extra-piramidali): questo quadro clinico si differenzia nettamente dalla

motoneuroni inferiori

sindrome dei dovuta a danno al loro corpo cellulare o ai loro assoni.

corteccia motoria

Lesioni della o delle fibre discendenti della capsula interna causano

flaccidità

immediata nei muscoli del lato opposto del corpo; si osserva un periodo iniziale di

shock spinale

ipotonia o dovuto alla diminuzione dell’attività dei circuiti spinali privati dagli

stimoli provenienti dalle vie discendenti.

Dopo diversi giorni, i circuiti del midollo recuperano molte delle loro funzioni e si manifestano

vari sintomi:

spasticità:

- caratterizzata da un aumento del tono muscolare, da iperattività dei riflessi

da stiramento e dal clono muscolare (contrazioni e distensioni oscillatorie dei muscoli

in risposta allo stiramento), causata dalla mancanza delle influenze inibitorie della

corteccia sui centri posturali del tronco encefalico, ossia i nuclei vestibolari e la

formazione vestibolare

Segno di Babinski:

- la risposta allo sfregamento della pianta del piede è l’estensione

dell’alluce e l’apertura a ventaglio delle altre dita al posto della normale risposta di

flessione dell’alluce e delle dita.

Controllo corticale del movimento

- Aree motorie della corteccia cerebrale

- Mappe motorie e plasticità

- Codifica dei parametri del movimento

- Circuiti parietofrontali per il controllo del raggiungimento e della prensione.

Movimento volontario

Il movimento volontario:

- richiede trasformazioni sensorimotorie flessibili ed adattabili;

- è avviato a seguito di processi cognitivi ed esprime l’intenzione di agire per

raggiungere uno scopo;

- richiede apprendimento tramite esperienza

- è fondato su un sistema distribuito di aree della corteccia cerebrale.

Corteccia cerebrale e sue aree motorie

La corteccia dell’uomo è soggetta ad una suddivisione citoarchitettonica proposta da

Brodmann: la stimolazione elettrica delle aree 4 e 6 di Brodmann è in grado di provocare

risposte motorie che consistono in movimenti discreti nella metà controlaterale del corpo.

Sono state individuate:

corteccia motoria primaria:

- una sua stimolazione di minima intensità è in grado di

evocare movimenti premotoria ventrale dorsale

- aree premotorie laterali: area (PMv) e (PMd)

supplementare del giro

- aree premotorie mediali: area motoria (SMA) e aree motorie

del cingolo (CMA) rappresentazione somatotopica

Corteccia motoria primaria:

La corteccia motoria primaria dispone di una rappresentazione somatotopica (mappa

motoria). La cronostoria di questa evidenza:

- La stimolazione elettrica della corteccia provoca la contrazione sul lato opposto del

corpo (Fritsch e Hitzig 1870, David Ferrier 1875);

- I movimenti anomali che si verificano durante alcuni tipi di attacchi epilettici si

propagano sistematicamente da una parte all’altra del corpo (John Hughlings Jackson

ipotizza che la corteccia motoria contenga una mappa dei muscoli del corpo)

- Mappe motorie dettagliate della corteccia delle grandi scimmie antropomorfe vengono

ottenute tramite stimolazione elettrica focale (Charles Sherrington 1906)

- Mappe motorie della corteccia umana vengono ottenute tramite stimolazione elettrica

focale (superficiale) di pazienti durante interventi neurochirurgici (Penfield 1950).La

mappa motoria è definita come “homunculus motorio” per via della sproporzione della

rappresentazione di faccia e mani.

- La microstimolazione corticale (dal 1960 a oggi) ha confermato l’organizzazione

grossolana delle mappe, ma ha rivelato una sovrapposizione dei diversi muscoli.

Ad esempio, grazie alla registrazione dell’attività neuronale durante il movimento di

differenti dita, si è potuto osservare che i neuroni corticali che controllano i movimenti

delle dita sono distribuiti in tutta l’estensione dell’area della mano della corteccia

motoria primaria.

Si è inoltre notato che i cortico-motoneuroni che controllano un singolo muscolo della

mano sono presenti in tutta l’estensione della mappa motoria, e che cortico-

motoneuroni che proiettano a muscoli diversi sono distribuiti in aree sovrapposte.

Convergenza e divergenza tra corteccia motoria primaria e muscoli

Le connessioni della corteccia motoria con i muscoli sono caratterizzate da:

Convergenza:

- lo stesso muscolo può essere attivato da più punti della corteccia

motoria primaria

Divergenza:

- lo stesso punto della corteccia proietta a più muscoli.

Tale divergenza delle connessioni cortico-spinali permette l’organizzazione di sinergie

muscolari, combinando sinergie nuove o organizzate a livello spinale.

Si deduce così che la mappa motoria è meno precisa della mappa somatosensoriale.

Corteccia motoria primaria: struttura corteccia agranulare,

La corteccia motoria primaria è anche detta essendo mancante dello

strato granulare interno (IV); alcune delle cellule piramidali dello strato corticale 5 sono delle

cellule di grandi dimensioni (cellule di Betz) che hanno connessioni monosinaptiche con i

motoneuroni inferiori dei muscoli distali.

Effetto di un cortico-motoneurone sull’attività muscolare

La registrazione dell’attività di un cortico-motoneurone simultaneamente a quella muscolare

permette di osservarne l’effetto medio di facilitazione o inibizione su multipli muscolari

(quindi sul suo campo muscolare).

Lesione del tratto cortico-spinale

La lesione del tratto piramidale abolisce la capacità di eseguire movimenti di precisione

accurati.

Rappresentazione corticale di sinergie muscolari?

La divergenza delle connessioni cortico-spinali permette l’organizzazione di sinergie

muscolari, combinando sinergie nuove o organizzate a livello spinale.

La microstimolazione delle aree motorie corticali evoca un’attivazione muscolare sincrona e

movimenti che convergono verso particolari posture, e la maggior parte delle sinergie tempo-

invarianti estratte dalle attivazioni evocate sono simili alle sinergie estratte dai movimenti

volontari.

Plasticità

La mappa motoria viene continuamente rimodellata dall’esperienza motoria.

Dopo una lesione focale, alcuni movimenti che erano evocati dal tessuto leso possono essere

evocati dalla corteccia adiacente: tale riorganizzazione funzionale rappresenta un possibile

meccanismo di recupero dopo un infarto cerebrale localizzato.

Nel ratto, dopo la sezione del nervo facciale la stimolazione dei siti corticali che in precedenza

attivavano i muscoli delle vibrisse provoca la contrazione dei muscoli rappresentati nelle

regioni adiacenti della mappa normale.

Plasticità con l’apprendimento

Anche l’apprendimento di una nuova abilità motoria può indurre una riorganizzazione

funzionale. Nella scimmia, l’addestramento a compiere movimenti fini delle dita porta ad

un’espansione dell’area della mappa motoria dalla quale la microstimolazione evoca

movimenti delle dita.

Nell’uomo, grazie alla risonanza magnetica funzionale (fMRI), si è osservato che

l’apprendimento di specifiche sequenze di movimenti delle dita induce un’espansione

dell’area attivata dalla sequenza ma non da altre sequenze.

Codifica dei parametri di movimento

La corteccia motoria primaria rappresenta parametri cinematici e cinetici: la codifica dei

registrazione

parametri di movimento è stata studiata principalmente tramite la dell’attività

di singoli neuroni nella corteccia motoria.

L’attività neuronale anticipa il movimento, ma varia a seconda delle sue caratteristiche: la

forze direzione

corteccia motoria codifica infatti sia le sia la del movimento, e la codifica

avviene a livello di popolazione di neuroni.

Ad esempio, un neurone del tratto piramidale scarica prima e durante i movimenti di

estensione del polso, ma non durante quelli di flessione.

La scarica di un neurone del tratto piramidale è correlata con le variazioni della direzione e

rappresentazione corticale

d’intensità della forza. Questo suggerisce la presenza di una

della direzione del movimento: ciascun neurone ha una propria curva di sintonizzazione

direzionale, risponde cioè durante l’esecuzione di movimenti in più direzioni, ma con una

direzione preferita.

frequenza di scarica massima in una

Dal momento che nell’intera popolazione di neuroni sono presenti tutte le direzioni preferite

(dove ciascuna direzione preferita è rappresentata da un vettore), la somma dei vettori di

di popolazione)

tutti i neuroni (vettore corrisponde alla direzione del movimento.

Il vettore di popolazione dipende dalla direzione di carichi esterni imposti durante il

movimento: ad esempio, la direzione del movimento e l’attività muscolare necessaria a

generare forze sono dissociate nei movimenti del polso con l’avambraccio in diverse posture.

cambiano la direzione

Alcuni neuroni nella corteccia motoria primaria (M1) infatti

preferita con la postura come i muscoli, mentre altri neuroni in M1 e nella corteccia

invariante.

premotoria ventrale (PMv) hanno una direzione preferita

Rappresentazione dei movimenti intenzionali

La microstimolazione della corteccia motoria per durate simili a quelle dei movimenti

volontari evoca movimenti intenzionali e importanti da un punto di vista etologico.

Pianificazione ed esecuzione del movimento

Il sistema motorio corticale è implicato, oltre che nei processi di organizzazione

dell’esecuzione di movimenti volontari, in molti dei processi percettivi e cognitivi necessari

pianificazione

per la scelta e la di un’azione; nessuna area corticale contiene una popolazione

omogenea di neuroni dedicati solo all’una o all’altra cosa, sebbene si osservi che i neuroni

motoria primaria

della corteccia scaricano prevalentemente durante l’esecuzione, mentre le

premotorie parietali

cortecce e contengono più neuroni che vengono attivati durante la

pianificazione.

Circuiti parietofrontali per il controllo del raggiungimento e della prensione

aree premotorie

Le (premotoria dorsale e ventrale, motoria supplementare, motorie del

midollo spinale, corteccia motoria

cingolo) hanno connessioni dirette con il con la

primaria corteccia parietale posteriore.

e con le aree associative della comportamenti controllati dalla vista.

I circuiti parietofrontali guidano diversi tipi di mano,

Nei primati, sono particolarmente importanti i comportamenti che coinvolgono la

raggiungimento prensione

ossia il e la di un oggetto, che prevedono delle trasformazioni

localizzazione oggetto

delle informazioni visive sulla di un nello spazio in appropriati

movimenti verso l’oggetto stesso.

circuito F4-VIP (area premotoria ventrale – area

In particolare, è stato associato il

intraparietale ventrale) spazio peripersonale

alla codifica dello ed all’organizzazione dei

raggiungimento ed evitamento

movimenti di all’interno di questo spazio.

5, SPL

Nell’area o (lobulo parietale posteriore) sono presenti neuroni reaching con scarica

solo in caso di movimento verso l’oggetto di interesse, in cui posizione e direzione sono

codificati da un sistema di riferimento centrato sulla spalla (coordinate polari di azimut,

elevazione, distanza): i neuroni delimitano una distribuzione media di vettori di popolazione

uniforme allo spazio peripersonale.

corteccia parietale superiore

Pazienti con lesioni della hanno difficoltà nei movimenti di

ottica),

raggiungimento (atassia cioè nella guida visiva dei movimenti del braccio verso gli

oggetti (che sono comunque riconosciuti), per via dell’interruzione dei circuiti neurali che

convertono le informazioni visive sui bersagli e sul braccio in piani motori.

proprietà tridimensionali di un oggetto

Invece, la trasformazione visuomotoria delle in

prensione F5-AIP (area premotoria

appropriati movimenti di è stato correlato al circuito

ventrale – area intraparietale anteriore), che si attiva per risposte visive, motorie e

visuomotorie permettendo la codifica di azioni finalizzate ad uno scopo piuttosto che singoli

movimenti, e rappresentando la gamma di opportunità di azione (affordance) su di un

oggetto. F5c-PF/PFG (area 6, parte inferiore del lobulo parietale inferiore IPL)

Ancora, il circuito riconoscimento di azioni:

è stato correlato al alcuni neuroni dell’area F5 hanno le stesse

caratteristiche dei neuroni motori implicati nella prensione, con la peculiarità che scaricano

non solo quando l’animale compie un determinato gesto di prensione, ma anche quando

osserva un altro individuo compiere lo stesso gesto: questi neuroni sono stati definiti

specchio)

“mirror” (neuroni e si attivano quindi quando la scimmia osserva un individuo

eseguire un’azione simile a quella codificata in termini motori da tali neuroni.

riconoscimento

Un simile sistema nell’uomo potrebbe avere una duplice funzione: favorire il

delle azioni eseguite da altri e permettere l’apprendimento di azioni attraverso l’imitazione

delle azioni osservate (che nell’adulto può riguardare l’acquisizione di gesti specifici, come

nelle tecniche di allenamento sportivo, e nel bambino può costituire una base per lo sviluppo

delle attività motorie più complete e mature).

Cervelletto

- Organizzazione anatomica

- Circuiti intrinseci

- Funzioni del cervelletto

Organizzazione anatomica anteriore, posteriore, flocculo-nodulare.

La corteccia cerebellare è suddivisa in tre lobi:

lobuli folia cerebelli.

Ogni lobo è costituito da più composti da pieghe trasversali o

verme, regione

La corteccia è inoltre suddivisa in compartimenti longitudinali:

paravermale, emisferi cerebellari. del fastigio,

Sotto la corteccia si trova la sostanza bianca ed i nuclei profondi:

interpositi, dentato. peduncoli.

È connesso al tronco encefalico attraverso tre

Suddivisione

Gli emisferi cerebellari possono essere suddivisi in tre parti dal punto di vista

filogenetico ed in base alle connessioni afferenti ed efferenti:

Vestibolo-cerebello

- (archicerebellum). È la parte filogeneticamente più antica,

nuclei

formata dal lobo flocculo-nodulare; è connesso reciprocamente con i

vestibolari del bulbo ma riceve anche afferenze dirette dai canali semicircolari

e dagli organi otolitici. Risulta coinvolto nel riflesso vestibolo-oculare e nella

regolazione dell’equilibrio e dell’orientamento posturale.

Spino-cerebello

- (paleocerebellum). È filogeneticamente più recente del

vestibolo-cerebello, occupa la zona mediale (verme) e paramediale degli

emisferi cerebellari; riceve proiezioni direttamente dal midollo spinale. La parte

laterale distali,

(paramediale) è coinvolta nel controllo dei muscoli la parte

mediale prossimali

(verme) è coinvolta nel controllo dei muscoli e certi

oculari.

movimenti

Cerebro-cerebello

- (neocerebellum). Occupa la maggior parte degli emisferi

cerebellari laterali; riceve indirettamente proiezioni da molte aree della

corteccia cerebrale. È molto sviluppato nei primati, particolarmente nelle

scimmie antropomorfe e nell’uomo, dove sembra essere coinvolto nella

pianificazione esecuzione sequenze

ed di complesse spaziali e temporali di

movimenti (incluso il linguaggio).

Peduncoli e nuclei profondi

peduncoli cerebellari

I connettono il cervelletto con il tronco encefalico:

Superiore

- (brachium conjunctivum): fibre efferenti

Medio

- (brachium pontis): fibre afferenti (nuclei pontini)

Inferiore

- (corpo restiforme): fibre afferenti ed efferenti.

nuclei profondi

I cerebellari sono la principale via efferente del cervelletto: nucleo

dentato, nuclei interpositi (globoso ed emboliforme), nucleo del fastigio.

Vie afferenti

Dalla corteccia cerebrale

- controlaterale (fonte principale di afferenze): al

sullo stesso lato

cerebro-cervelletto in modo indiretto, tramite nuclei pontini

degli emisferi di origine (fibre pontine trasverse) attraverso i peduncoli medi,

ciascuno dei quali è costituito da oltre 20 milioni di assoni.

Dalle vie sensoriali:

- vestibolari

Informazioni dal nervo vestibolare e dai nuclei vestibolari al

o vestibolo-cerebello

propriocettive

Informazioni allo spino-cerebello dal nucleo dorsale di

o Clarke (parti inferiori del corpo) e dal nucleo cuneato esterno (parti

superiori del corpo)

Sulla base delle afferenze alle regioni dello spino-cerebello è possibile

riscontrare anche qui la presenza di mappe somatotopiche omolaterali ad

esse e frammentate.

Dal nucleo olivare inferiore:

- al cervelletto tramite il peduncolo inferiore

dall’oliva inferiore controlaterale: i neuroni dell’oliva ricevono proiezioni dalla

corteccia cerebrale (tramite la porzione parvocellulare del nucleo rosso), dalla

formazione reticolare e dal midollo spinale e contengono numerose giunzioni

comunicanti. Questa afferenza sembra dare al cervelletto un segnale di errore

nel caso di un movimento sbagliato (ricalibraggio dei parametri per la

correzione e l’apprendimento motori).

Vie efferenti:

Alla corteccia cerebrale:

- tramite i nuclei profondi (in particolare, dal cerebro-

cerebello tramite il nucleo dentato e dallo spino-cerebello tramite i nuclei

talamo.

nucleo ventrale laterale (VL) del

interpositi) ed il cerebro-cerebello,

Nel dettaglio, dal tramite il nucleo dentato, si ha la

decussazione del peduncolo cerebellare superiore e proiezione alle aree

premotorie dei

del lobo frontale, che giustifica la sua funzione di pianificazione

movimenti volontari e la sua attivazione precedente a quella muscolare, per la

non-motorie

pianificazione dei movimenti volontari, ma anche ad aree (in

particolare alla corteccia prefrontale e parietale) della corteccia, per la

costituzione “circuiti chiusi” con le afferenze dalla corteccia. nucleo

Inoltre delle collaterali sono inviate alla porzione parvocellulare del

rosso che proietta all’oliva inferiore, per la costituzione di un circuito a

feedback.

spino-cerebello,

Dallo tramite il nucleo del fastigio ed il peduncolo inferiore si

hanno proiezioni al tronco encefalico; tramite i nuclei interpositi ed il peduncolo

corteccia

superiore al talamo ed alla (nei primati non-umani tramite i nuclei

interpositi si hanno proiezioni anche al midollo spinale via la parte

magnocellulare del nucleo rosso, attraverso il tratto rubro-spinale).

vestibolo-cerebello,

Dal tramite il peduncolo inferiore ai nuclei del complesso

vestibolare.

Al collicolo superiore:

- per il controllo dei movimenti oculari

Al tronco encefalico:

- tramite il peduncolo inferiore ai nuclei della formazione

reticolare e del complesso vestibolare per il controllo della muscolatura assiale

e prossimale degli arti.

Circuiti intrinseci cellule di

La destinazione finale delle vie afferenti alla corteccia cerebellare sono le

Purkinjie.

In particolare, come abbiamo visto:

corteccia cerebrale

- le afferenze dalla controlaterale giungono in modo

cellule dei granuli

indiretto: dalla corteccia cerebrale ai nuclei pontini, alle

fibre muscoidi)

della corteccia cerebellari (a cui giungono come e da queste

fibre parallele,

alle cellule del Purkinje tramite le cosiddette perché parallele

all’asse delle folia inferiore fibre rampicanti,

- l’afferenza dall’oliva è diretta, attraverso le ognuna

delle quali prende numerosi contatti sinaptici con una singola cellula di

Purkinje.

Le cellule di Purkinjie caratterizzano il cervelletto dal punto di vista istologico;

presentano una complicata arborizzazione dendritica disposta su un piano

perpendicolare all’asse delle folia ed alle fibre parallele, ognuna delle quali forma

sinapsi con decine di migliaia di cellule di Purkinje, ognuna delle quali a sua volta

forma circa 200 mila sinapsi con le fibre parallele.

Principali tipi cellulari

Purkinje:

- Cellule di

Nello strato delle cellule di Purkinje

o Ricevono sinapsi eccitatorie dalle fibre parallele

o Ricevono sinapsi fortemente eccitatorie dalle fibre rampicanti

o Inviano assoni ai nuclei cerebellari profondi (unici neuroni di proiezione della

o inibitorie

corteccia cerebellare) dove formano sinapsi (GABA)

granuli:

- Cellule dei

Nello strato delle cellule dei granuli

o Ricevono sinapsi eccitatorie dalle fibre muscoidi

o Inviano assoni allo strato molecolare (fibre parallele)

o canestro

- Cellule a

Nello strato molecolare

o Formano sinapsi inibitorie attorno ai corpi cellulari delle cellule di Purkinje

o stellate

- Cellule Nello strato molecolare

o delle cellule di Purkinje

Formano sinapsi inibitorie sui dendriti

o Golgi

- Cellule di

Corpo cellula nello strato delle cellule dei granuli, dendriti nello strato

o molecolare

Formano sinapsi inibitorie sulle cellule dei granuli

o

Ruolo degli interneuroni inibitori nei circuiti cerebellari

- Cellule stellate e cellule a canestro: inibizione a feedforward laterale

- Cellule di Golgi:

Inibizione a feed-forward (fibra muscoide cellula di Golgi granulo)

o Inibizione a feed-back (fibra muscoide granulo cellula di Golgi granulo).

o

Circuiti cerebellari

È un circuito ripetuto in tutta la corteccia cerebellare, che rappresenta il modulo

fondamentale di funzionamento del cervelletto. Esso ha due livelli:

Circuito inibitorio locale: risposta inibitoria

- integrazione in una delle cellule del

Purkinje dei segnali afferenti delle fibre muscoidi e rampicanti e dei segnali dei

circuiti locali inibitori che coinvolgono cellule di Golgi, stellate e a canestro

Circuito eccitatorio profondo:

- le collaterali delle fibre muscoidi e rampicanti

attivano nuclei cerebellari profondi, modulata

i neuroni dei la cui attività è pero dai

inibitori

segnali che provengono dalla corteccia cerebellare (quindi dal circuito

integrano

inibitorio, ossia dalle cellule di Purkinje che gli stessi segnali afferenti delle

fibre muscoidi e rampicanti e i segnali dei circuiti locali inibitori e rispondono con un

segnale inibitorio).

I circuiti intrinseci del cervelletto sono pertanto formati dalle proiezioni eccitatorie delle

afferenze (fibre muscoidi e rampicanti) sui neuroni dei nuclei profondi (circuito eccitatorio

profondo) e dalle proiezioni inibitorie sugli stessi neuroni dalle cellule di Purkinje (circuito

inibitorio locale).

Circuiti cerebellari e apprendimento motorio

La modulazione dell’attività dei nuclei profondi da parte della corteccia cerebellare potrebbe

motorio.

essere responsabile dell’apprendimento

La correzione degli errori è mediata dalle fibre rampicanti che modulano l’efficacia delle

sinapsi tra fibre parallele e cellule di Purkinje; tale correzione è esercitata durante

l’esecuzione dei movimenti ed è mantenuta per tempi lunghi come apprendimento motorio.

errore motorio

Le fibre rampicanti trasmettono un segnale di alle cellule di Purkinje; l’oliva

inferiore infatti riceve afferenze dalla corteccia cerebrale e dal midollo spinale ed un feedback

fibra

inibitorio dal cervelletto: la forte depolarizzazione causata da molte sinapsi di una

rampicante riduce le risposte fibre parallele

sulla cellula di Purkinje alle afferenze delle

depressione a lungo termine

producendo una (LTD) dell’efficacia sinaptica delle fibre

parallele attivate simultaneamente. semplici

Nelle cellule di Purkinje, potenziali d’azione sono prodotto dai segnali afferenti

complessi

trasmessi dalle fibre muscoidi, mentre potenziali d’azione sono generati dalle

sinapsi delle fibre rampicanti, dalla bassa frequenza spontanea, che inducono una

depolarizzazione prolungata (una serie di scariche, un treno di impulsi).

LTD: meccanismi cellulari

L’associatività deriva dall’azione combinata di due distinte vie di trasduzione del segnale:

1. Il Glu liberato dalle fibre parallele attiva i recettori AMPA e mGluR inducendo

depolarizzazione e attivazione di IP3/DAG

2. L’attivazione delle fibre rampicanti induce un forte ingresso di Ca2+

rilevatori di coincidenza

Le due vie agiscono come e inducono l’internalizzazione dei

recettori AMPA.

Il RE ha infatti dei recettori per IP3 che permette il rilascio di Ca2+ all’interno della cellula, di

cui già l’afferenza rampicante induce un forte ingresso: proprio il calcio attiva una pkC che

fosforila e provoca l’internalizzazione dei canali AMPA.

Fibre rampicanti e apprendimento

Sperimentalmente si osserva che durante l’esecuzione inaccurata di un movimento le fibre

rampicanti riportano l’errore e deprimono la forza sinaptica delle fibre parallele implicate in

tale errore, come dimostrato in registrazioni effettuate durante l’adattamento a un nuovo

carico durante il movimento del polso da parte di una scimmia.

Funzioni del vestibolo-cerebello

movimenti oculari.

Regola l’equilibrio e i

Riceve informazioni vestibolari e proietta ai nuclei vestibolari:

- Nuclei vestibolari laterali muscoli assiali ed estensori equilibrio posturale

 

- Nuclei vestibolari mediali movimenti oculari (movimenti lenti di inseguimento)

Funzioni dello spino-cerebello

Modula i sistemi motori discendenti:

- Verme nucleo del fastigio formazione reticolare e nuclei vestibolari laterali

  

muscoli oculari e muscoli assiali e prossimali degli arti

- Parte intermedia nuclei interpositi talamo corteccia motoria primaria

   

muscoli degli arti

Riceve informazioni propriocettive dal midollo spinale e copia del segnale efferente dei

motoneuroni spinali, che gli permettono di eseguire:

Confronto

- tra movimento pianificato e movimento eseguito;

Anticipazione

- dei comandi necessari in base all’esperienza di ripetuti errori motori.

Attività delle cellule di Purkinje e dei nuclei profondi

Sia le cellule di Purkinje sia i neuroni dei nuclei profondi scaricano in rapporto con i

movimenti volontari:

- Correlazione con la direzione e velocità del movimento

- Organizzazione somatotopica dei nuclei

- Temporizzazione della modulazione della scarica simile a quella della corteccia

motoria

- Circuiti chiusi cortico-cerebellari

Controllo dell’andamento temporale delle contrazioni muscolari

Esperimenti basati sull’inattivazione reversibile dei nuclei profondi, che comporta una

controllo a feed-

mancanza di accuratezza nel movimento, dimostrano l’esistenza di un

forward (predittivo) da parte dello spino-cerebello dell’andamento temporale

dell’attivazione dei muscoli agonisti ed antagonisti.

Cervelletto e modelli interni

Pazienti con atassia cerebellare non sono in grado di compensare alterazioni delle forze di

torsione che si sviluppano nei movimenti multiarticolari (come ad esempio un movimento di

estensione della spalla durante la flessione del gomito, causato da una mancanza di

compensazione e bilanciamento delle forse tramite l’attivazione di muscoli che la

stabilizzino).

Funzioni del cerebro-cerebello

Il cerebro-cerebello fa parte di un circuito a feedback (riceve informazioni esclusivamente

dalla corteccia cerebrale e ritrasmette informazioni alla corteccia cerebrale) per la

pianificazione regolazione

dei movimenti e per la dei programmi motori corticali: si osserva

infatti i neuroni del nucleo dentato scaricano prima (circa 100 ms) dell’inizio del movimento e

che lesioni alterano la pianificazione dei movimenti e provocano un aumento dei tempi di

reazione. percettive cognitive,

Gli si riconoscono anche funzioni e basate sull’evidenza che sue lesioni

provocano anche deficit nel valutare gli intervalli di tempo in compiti mentali e cognitivi.

Apprendimento motorio

Il coinvolgimento del cervelletto nell’apprendimento motorio riguarda diversi processi:

- Adattamento del riflesso vestibolo-oculare: normalmente la testa e gli occhi si

muovono in modo coordinato per mantenere stabile l’immagine sulla retina: così, ad

esempio, facendo indossare alla scimmia delle lenti che rimpiccioliscono, nel momento

in cui gli occhi compiono un movimento troppo ampio rispetto allo spostamento

dell’immagine sulla retina quando la testa si muove, il VOR viene ricalibrato e adattato

in maniera tale che, a scopo compensatorio, gli occhi si spostino per distanze minori

rispetto ai movimenti della testa.

Questo invece non si verifica dopo una lesione della parte laterale del vestibolo-

cerebello.

- Condizionamento classico della risposta di ammiccamento degli occhi

- Adattamento della coordinazione occhio-mano (ad es. a occhiali prismatici).

Conseguenze delle lesioni cerebellari

Lesioni o malattie cerebellari compromettono le normali funzioni di modulazione e

coordinazione dei movimenti in corso di esecuzione.

Atassia cerebellare:

- difficoltà a produrre movimenti fluidi e ben coordinati. Si

esprime con movimenti scomposti in azioni discontinue ed imprecise e difficoltà

nell’iniziare i movimenti.

Dismetria:

- difficoltà nel controllo dell’ampiezza dei movimenti.

Adiadococinesia:

- incapacità di eseguire movimenti alternati (ad es. la prono-

supinazione della mano) con un ritmo regolare.

Tremore intenzionale:

- oscillazioni al termine del movimento a causa della

contrazione ritardata dei muscoli antagonisti e successive correzioni errate.

Sintomi motori:

Nuclei della base

- Organizzazione anatomica

- Proiezioni e circuiti intrinseci

- Disturbi del movimento

Organizzazione anatomica

I nuclei della base esercitano un ruolo importante di modulazione, selezione e di avvio del

movimento ma anche funzioni cognitive di pianificazione dell’esecuzione del movimento e di

controllo comportamentale ed emotivo.

Dal punto di vista anatomico si tratta di una serie di nuclei situati alla base del telencefalo:

Striato: nucleo caudato putamen,

- e separati dalla capsula interna, rappresentano

l’ingresso dei nuclei della base

Pallido: globo pallido parte reticolata della sostanza nera,

- e rappresentano invece

l’uscita. Il globulo pallido è diviso in segmenti interni ed esterni e la sostanza nera in

una parte reticolata ed una compatta.

Nuclei subtalamici

-

Proiezioni afferenti

striato corteccia cerebrale;

Lo riceve afferenze da quasi tutte le regioni della le proiezioni

hanno una organizzazione somatotopica e si mantengono segregate in diversi circuiti

funzionali. In particolare:

Caudato: associative

- dalle cortecce multimodali e dalle aree motorie del lobo frontale

movimenti oculari

che controllano i

Putamen: somatosensoriali, visive, uditive, motorie premotorie.

- dalle aree e

cortico-striatale)

Gli assoni che raggiungono la striato (nel complesso definite via

vie parallele

comprende in realtà molteplici con funzioni diverse, che coinvolgono assoni

collaterali delle vie cortico-corticali, cortico-talamiche e cortico-spinali.

dopaminergiche parte compatta sostanza

Lo striato riceve inoltre afferenze dalla della

nera.

Neuroni spinosi nel caudato e putamen

piramidali corticali

Gli assoni dei neuroni formano sinapsi (Glu) sulle spine dendritiche di

neuroni spinosi dopaminergici

di taglia media; gli assoni dei neuroni della parte compatta

della sostanza nera invece formano sinapsi alla base delle spine dendritiche modulando

quindi le afferenze dalla corteccia (permettono cioè che la depolarizzazione dalle spine

raggiunga il corpo cellulare). proiettano

I neuroni spinosi dello striato, a loro volta, ai neuroni del globo pallido o della

parte reticolata della sostanza nera.

prima dell’inizio

Essi risultano attivi di un movimento, in particolare:

- Caudato: movimenti oculari

- Putamen: movimenti degli arti e del tronco

selezione

e sono coinvolti nei processi di del movimento da avviare rispetto altri potenziali in

competizione con esso.

Circuiti intrinseci e proiezioni efferenti

striato

I neuroni spinosi dello danno origine a proiezioni inibitorie (GABA) che terminano nel

globo pallido parte reticolata

e nella della sostanza nera (le due vie sono parallele e

convergenza

coinvolgono gli stessi tipi di neuroni) con un elevato grado di (100 milioni di

divergenza

neuroni nello striato, 700 mila nel globo pallido) e di (oggi assone dello striato

contatta molti neuroni del globo pallido).

Dal globo pallido e dalla parte reticolata della sostanza nera si hanno altre proiezioni

efferenti inibitorie:

segmento interno corteccia motoria nuclei

- Dal del globo pallido alla attraverso i

ventrale anteriore ventrale laterale

(VA) e (VL) del talamo (coinvolto quindi nel

circuito motorio)

parte reticolata collicolo superiore corteccia

- Dalla della sostanza nera al e alla

oculomotorie).

(nelle regioni di controllo

Si hanno anche efferenze al nucleo peduncolopontino, che ha proiezioni ai nuclei di origine

delle vie reticolospinali.

Si pensa che in assenza della corteccia, i nuclei della base assumano un ruolo più diretto

sull’atto motorio (esperimenti su topi dimostrano che, una volta appreso un atto motorio

come premere una leva con un preciso intervallo temporale, se la corteccia motoria è

asportata chirurgicamente la sequenza motoria è svolta ugualmente).

È possibile dividere il circuito dei nuclei della base in blocchi funzionali.

striato

Mentre i neuroni spinosi dello hanno bassa attività a riposo, i neuroni spinosi delle

aree di proiezione inibizione

hanno livelli elevati di attività spontanea, determinando una

tonica del talamo e del collicolo.

Via diretta: circuito di disinibizione- ruolo dei nuclei della base nell’avvio del movimento

via diretta

La che va dalla corteccia cerebrale allo striato al segmento interno del globo

rimuovere l’inibizione

pallido o alla parte reticolata della sostanza nera permette di tonica

facilitare la selezione e l’avvio del movimento volontario:

ai motoneuroni superiori e

proiezioni corticali

Le eccitano le cellule nello striato che inibiscono le cellule inibitorie nelle

aree di proiezione, esattamente:

putamen segmento interno

- Il inibisce il del globo pallido, dando luogo ad una

talamiche

disinibizione delle proiezioni alla corteccia.

caudato parte reticolata

- Il inibisce la della sostanza nera, dando luogo, prima di un

movimento oculare (saccade) ad una disinibizione dei motoneuroni superiori del

collicolo superiore.

Via indiretta via indiretta aumenta

Esiste anche una che si oppone all’attività della via diretta perché il

inibizione

livello di tonica dei neuroni di proiezione:

- Lo striato inibisce il segmento esterno del globo pallido

- Dal segmento esterno inibito non può inibire né il nucleo subtalamico (che quindi

eccita il segmento interno) né il segmento interno stesso direttamente, che quindi è

libero di inibire il talamo e la corteccia, riducendone la disinibizione operata dalla via

diretta.

Via iperdiretta

via iperdiretta

La coopera con la via indiretta: qui la corteccia eccita direttamente il nucleo

subtalamico. Anche questa via riveste una certa importanza, basti considerare che le

proiezioni dal nucleo subtalamico al segmento interno sono più diffuse di quelle dallo striato.

Organizzazione centro-periferia facilitano selezione

I circuiti dei nuclei della base non solo la di un programma motorio, ma

inibiscono anche i programmi in competizione; per questo motivo si interpreta la presenza di

focalizzata”

queste vie antagoniste secondo una chiave di “selezione o di “organizzazione

centro-periferia” in grado di bloccare programmi che potrebbero interferire con l’esecuzione

del programma motorio specifico.

Modulazione dopaminergica

dopaminergiche

Le proiezioni dalla parte compatta della sostanza nera ai neuroni spinosi

modulano afferenze corteccia,

dello striato le risposte alle dalla formando sinapsi

eccitatorie via diretta

con i neuroni spinosi della (dove sono presenti recettori D1, associati

stimolano inibitorie via indiretta

a proteine G che la produzione di cAMP) ed con quelli della

inibiscono

(dove sono presenti recettori D2, associati a proteine G che la produzione di cAMP).

dopamina disinibire

In entrambe le vie, l’effetto della è di le proiezioni ai motoneuroni

superiori (della corteccia o del collicolo).

Da studi recenti emerge che tale modulazione ha un ruolo nella selezione dello specifico

motivazione ricompensa.

comportamento e atto motorio legata alla e alla

codificano ricompensa:

I neuroni dopaminergici infatti l’arrivo o il mancato arrivo della la

(quindi non dipende dalle caratteristiche del

loro attività non viene modulata dal movimento

movimento, come invece avviene a livello della corteccia), ma:

- aumenta subito dopo aver ricevuto una ricompensa

- è presente in risposta ad un segnale sensoriale predittivo della ricompensa

- si riduce quando una ricompensa attesa non è somministrata.

Adattamento motorio basato sul rinforzo

Per questo motivo, si ritiene che l’attività di neuroni dopaminergici è utilizzata nei processi di

apprendimento motorio basato sul rinforzo: infatti, la codifica di un errore nella

rinforzare

predizione della ricompensa contribuisce a le sinapsi che sono coinvolte nel

potenziamento e depressione a

comportamento da ricompensare tramite meccanismi di

lungo termine afferenze corticali e dello striato

delle sinapsi tra neuroni spinosi (come

studiato in un modello computazionale circa l’apprendimento con rinforzo basato su

differenze temporali). motorio

È stato studiato anche il ruolo dello striato nell’apprendimento e nella formazione

movimenti abituali,

delle caratteristiche dei che sembra quindi possano essere costituiti da

unità comportamentali concatenate sequenze di

che possono essere per programmare

movimenti (come osservato negli uccelli canori, in cui l’apprendimento dei canti, tramandati

da padre in figlio, dipende dall’integrità dei nuclei della base).

Circuiti paralleli frontostriatali

Le proiezioni dalla corteccia cerebrale allo striato hanno un’organizzazione topografica che

viene conservata nei circuiti dei nuclei della base, in cui si distinguono compartimenti

funzionali che proiettano a differenti aree del lobo frontale.

È stato visto quindi che i nuclei della base formano dei circuiti chiusi non solo con le aree della

corteccia e con l’area del lobo frontale coinvolta nei movimenti oculari, ma anche con altre

regioni: si individuano in particolare un circuito motorio, uno oculomotorio, uno prefrontale e

uno limbico.

Disturbi del movimento

Morbo di Parkinson:

- caratterizzato dalla perdita progressiva dei neuroni

dopaminergici negrostriatali (della parte compatta della sostanza nera) per via di

ipocinesi:

fattori ambientali e genetici e conseguente la perdita delle proiezioni

dopaminergiche provoca infatti un aumento dell’inibizione tonica sul talamo e altre

anormalità delle caratteristiche di scarica dei neuroni.

È la malattia degenerativa del sistema nervoso più comune dopo il morbo di Alzheimer,

caratterizzata da tremore a riposo, lentezza dei movimenti (bradicinesia), rigidità degli

arti e del collo, ridotta mimica facciale, passi corti e postura ricurva, micrografia.

Malattia di Huntington:

- caratterizzato da una degenerazione dei neuroni spinosi che

proiettano al segmento esterno del globo pallido (via indiretta) e conseguente

ipercinesi: la degenerazione dei neuroni spinosi dello striato che proiettano al

segmento esterno del globo pallido diminuisce l’inibizione tonica del talamo (il

segmento esterno, non inibito, inibisce il segmento interno, che non inibisce il talamo e

la corteccia).

Si tratta di una malattia ereditaria con meccanismo autosomico dominante provocata

da un’alterazione del cromosoma 4.

Essa prevede la comparsa graduale di deficit comportamentali, cognitivi e motori a

partire da un’età compresa tra i 40 e i 50 anni e porta a morte nell’arco di 10-20 anni;

sintomi possono essere la presenza di movimenti involontari rapidi e a scatti che

possono interessare tutti i segmenti corporei (corea di Huntington), depressione,

alterazioni del comportamento, deficit cognitivi.

Emiballismo:

- caratterizzato da una lesione del nucleo subtalamico con conseguente

ipercinesi (il nucleo subtalamico non può contribuire all’attivazione del segmento

interno, che non inibisce il talamo e la corteccia).

Movimenti oculari

- Azioni e innervazione dei muscoli extraoculari

- Tipi di movimenti oculari

- Controllo nervoso dei movimenti saccadici

- Controllo nervoso dei movimenti lenti di inseguimento

Funzione dei movimenti oculari fovea

I movimenti oculari permettono di orientare la verso bersagli visivi di interesse

(foveazione) e di compensare eventuali perturbazioni che deviano la fovea.

Questo avviene grazie a diverse strategie di analisi della scena visiva, tramite un processo

attivo che mediante movimenti balistici degli occhi (saccadi, necessarie dal momento che, se

fissate sulla retina, le immagini “scompaiono” rapidamente) possa porre attenzione sulle parti

della scena che contengono le informazioni più significative e allo stesso tempo sopprima

l’informazione visiva durante il veloce movimento saccadico (3-4 saccadi al secondo) affinché

non raggiunga lo stadio di percezione e siano anzi le cortecce visive superiori a costruire

integralmente una rappresentazione unitaria interna da cui ricavare l’oggetto che genera

maggiore interesse per cui sarà maggiore la durata di fissazione, correlata quindi con

l’attenzione.

Muscoli extraoculari

Si tratta di tre paia di muscoli antagonisti, responsabili di movimenti secondo tre assi

differenti:

- Retto laterale e retto mediale;

- Retto superiore e retto inferiore;

- Obliquo superiore e obliquo inferiore.

Essi sono responsabili di movimenti secondo tre assi differenti:

- Orizzontali (medialmente: adduzione; lateralmente: abduzione)

- Verticali (elevazione, abbassamento)

- Torsione (parte superiore dell’occhio medialmente: interna; lateralmente: esterna)

movimenti orizzontali

Mentre i sono sempre controllati esclusivamente dal retto laterale e

movimenti verticali

mediale, i invece derivano dall’azione combinata dei muscoli retto

superiore e inferiore e dei muscoli obliqui; il contributo relativo di ciascuno dipende dalla

posizione orizzontale dell’occhio:

- In abduzione: retto superiore e inferiore

- Sguardo dritto:

Elevazione: retto superiore e obliquo inferiore

o Abbassamento: retto inferiore e obliquo superiore.

o

Innervazione dei muscoli extraoculari

Essi sono innervati dai motoneuroni che formano tre nervi cranici:

- Oculomotore (III): retto mediale, superiore e inferiore, obliquo inferiore. Il suo nucleo

motore si trova a livello mesencefalico.

- Trocleare (IV): obliquo superiore (controlaterale). Il suo nucleo motore si trova nel

mesencefalo appena caudalmente rispetto a quello oculomotore (unico nervo la cui

emergenza apparente è dorsale).

- Abducente (VI): retto laterale. Il suo nucleo motore si trova a livello pontino.

Tipi di movimenti oculari

Spostamento

- della direzione dello sguardo

Saccadi: movimenti balistici rapidi degli occhi che determinano un

o cambiamento del punto di fissazione, in cui la latenza tra stimolo e risposta è di

circa 200 ms. Sono detti balistici perché non sono modificati se cambia la

posizione del bersaglio grazie ad un controllo a feed-forward, e se il bersaglio si

muove è generata una seconda saccade per correggere l’errore.

Movimenti lenti di inseguimento: permettono di mantenere uno stimolo

o visivo in movimento allineato con la fovea. È necessario allenamento per

effettuare movimenti lenti di inseguimento in assenza di un bersaglio visivo in

movimento.

Quando il bersaglio inizia a muoversi, quasi istantaneamente (con una latenza

spesso anche più breve di quella dei movimenti saccadici) si ha l’inizio del

movimento: gli occhi non sono ancora sul bersaglio, ma cominciano a seguirlo

con la stessa velocità. Dopo qualche secondo segue un movimento saccadico che

porta l’occhio a ridurre l’errore relativo alla distanza posizionale “agganciando”

il bersaglio e permettendo di mantenerne l’inseguimento ad una la velocità

costante, in un sistema di controllo a feed-back basato sulla velocità del

bersaglio.

Movimenti di vergenza: permettono di allineare la fovea di ciascun occhio a

o non

bersagli visivi posizionati a diverse distanze. Si tratta quindi di movimenti

coniugati (o disgiunti) coinvolti nell’inseguimento di un bersaglio che si

avvicina o si allontana.

Triade riflessa dell’oggetto vicino: convergenza, accomodazione del cristallino

(tramite la contrazione del muscolo ciliare che determina il cambiamento della

curvatura della faccia interna del cristallino per aumentare il potere diottrico),

restringimento della pupilla (miosi, che influenza la profondità di campo).

Fissazione

- dello sguardo

Riflessi vestibolo-oculari: esso permette di mantenere lo sguardo fisso su un

o oggetto durante il movimento della testa tramite dei movimenti oculari che

compensano i movimenti della testa.

Sono stati trattati nel capitolo delle vie vestibolari (vedi VOR). veloci

Tuttavia, il sistema vestibolare è efficiente per movimenti della testa ma

poco sensibile per movimenti lenti e prolungati.

Riflessi optocinetici: il sistema optocinetico è, al contrario del precedente,

o lenti

particolarmente sensibile ai movimenti (es. nistagmo optocinetico: un

soggetto che osserva un cilindro che gli ruota intorno lo segue e, arrivato alla

fine dell’escursione, compie un movimento saccadico che riporta gli occhi nella

posizione che consente di continuare a seguire l’oggetto).

Essi agiscono assieme per fissare la direzione dello sguardo rispetto al mondo

esterno, compensando i movimenti della testa e quando si osserva una scena in

movimento veloce.

Controllo nervoso dei movimenti oculari saccadici

Il controllo nervoso agisce sull’ampiezza e sulla direzione dei movimenti saccadici

(considerando lo spostamento dello sguardo come un vettore avente direzione e ampiezza):

durata motoneuroni:

- L’ampiezza è codificata dalla dell’attività dei il livello tonico di

scarica dipende comunque dalla posizione dell’occhio nell’orbita, essendo necessaria a

vincere le forze elastiche dei tendini e dei muscoli oculari.

direzione

- La dipende dal livello di attivazione di più muscoli oculari ed è regolata dagli

due centri dello sguardo:

interneuroni di

Formazioni reticolare pontina paramediana (FRPP) movimenti

o orizzontali. Si trova vicino al nucleo motore nel n. abducente (quindi, ad es.,

attiva il retto laterale di un occhio e poi, tramite il fascicolo longitudinale

mediale, proietta al nucleo oculomotore controlaterale che attiva, come

movimento coniugato, il retto mediale dell’altro occhio.

Nucleo interstiziale anteriore (mesencefalo) movimenti verticali.

o

Controllo dei centri dello sguardo

Il segnale che arriva ai due centri a sua volta viene generato da centri di controllo

oculomotore. In particolare, due regioni proiettano ai centri dello sguardo del tronco

encefalico e contribuiscono alla trasformazione sensoriali che indicano la posizione nello

spazio di bersagli visivi in comandi oculomotori, e sono quindi importanti per l’avvio ed il

preciso orientamento delle saccadi:

Collicolo superiore

-

- Un’area della corteccia frontale (subito anteriore all’area premotoria) e una della

campo oculare frontale

corteccia parietale (nel solco intraparietale), che formano il

(aree 6 e 8 di Brodmann) mappa topografica

Entrambe le regioni contengono una dei vettori dei movimenti oculari e

scaricano prima

rappresentano due vie parallele e complementari che delle saccadi tramite

un meccanismo di disinibizione dei neuroni (come avviene nella via diretta dei nuclei della

base) che proiettano ai centri dello sguardo inviando una informazione codificata da una

scarica più o meno lunga (secondo la distanza) e distribuita nei due centri verticale ed

orizzontale (secondo la direzione).

Collicolo superiore

Il collicolo superiore è costituito da tre strati: superficiale, intermedio e profondo.

L’attivazione di un particolare sito del collicolo superiore (o del campo oculare frontale)

direzione distanza

produce movimenti saccadici in una specifica e a una determinata (in

base alla posizione sulla mappa motoria): la risposta all’attivazione è quindi un particolare

vettore di movimento indipendente dalla posizione iniziale degli occhi (per quanto riguardo il

collicolo, in questo aspetto sembra essere coinvolto lo strato profondo).

stimoli visivi:

Alcune cellule del collicolo superiore rispondono a è pertanto presente una

mappa spazio visivo

ordinata dello grazie alle proiezioni retiniche e dalle aree visive

corticali della via dorsale allo strato superficiale.

Ogni collicolo ha la rappresentazione topografica del campo visivo controlaterale. Spostandosi in

direzione caudale si sposta l’eccentricità, in direzione rostrale ci si sposta verso l’alto e in direzione

laterale ci si sposta verso il basso. Quindi nella posizione più vicina rostrale si ha un angolo zero (ed in

effetti qui si trovano i neuroni di fissazione collicolare, attivi per mantenere lo sguardo di fissazione in

un punto); quando i neuroni disposti nelle rispettive regioni sono disinibiti dalla corteccia, sia

direttamente sia tramite i nuclei della base, si genera il movimento saccadico corrispondente.

coordinate dei movimenti,

Le saccadi nel collicolo vengono codificate nelle non in quelle

retinotopiche, come dimostra il fatto che, anche dopo un suo spostamento molto breve, i

movimenti saccadici riportano lo sguardo sul bersaglio finale (quindi la mappa tiene conto

anche di eventuali spostamenti.

Si hanno risposte anche a stimoli uditivi e somatici.

multisensoriale

È perciò presente una mappa allineata con la mappa motoria che genera il

movimento degli occhi.

lesioni

Sue modificano la latenza e la velocità delle saccadi, con l’abolizione dei movimenti

saccadici rapidissimi.

Campo oculare frontale proietta

Il campo oculare frontale indirettamente tramite il collicolo superiore e direttamente

ai centri dello sguardo.

lesioni

Sue impediscono solo inizialmente saccadi controlaterali, ma causano deficit

permanenti alla generazione di saccadi non guidate da un bersaglio esterno, quindi saranno

impossibili antisaccadi.

Le due vie di controllo lavorano in parallelo e in maniera coordinata: una delle ipotesi di

questo parallelismo è data dalla capacità del campo frontale della corteccia di selezionare,

possibilmente coadiuvata dai circuiti dei nuclei della base, il movimento desiderato quando ci

sono dei possibili distrattori visivi.

Evidenza di questo meccanismo di selezione-inibizione dei movimenti in competizione si ha

registrando il potenziale d’azione dei neuroni del campo oculare frontale della corteccia che

rispondono per stimoli visivi: quando il bersaglio è nel campo recettivo si ha un aumento

significativo della scarica, quando nel campo recettivo c’è uno stimolo visivo diverso dal

bersaglio si ha pure una scarica, ma minore; se il campo recettivo del neurone corrisponde ad

uno stimolo visivo vicino al bersaglio, il neurone è fortemente inibito, affinché non

interferisca.

Quindi la corteccia può selezionare il bersaglio tra diversi distrattori ed invia un comando di

un movimento saccadico inibendo comandi in competizione, in particolare quelli vicini dal

punto di vista spaziale.

Controllo nervoso dei movimenti lenti di inseguimento

Si ritiene che essi siano controllati dalle stesse strutture responsabili del controllo dei

movimenti saccadici, ossia il campo oculare frontale che proietta ai centri dello sguardo

direttamente o tramite il collicolo superiore.

In più si ha un’informazione visiva riguardo alla velocità di spostamento di un oggetto sulla

retina, quindi la valutazione di un potenziale errore di velocità (se quindi si cerca di seguire

l’oggetto, se lo si segue esattamente si avrà che la differenza di velocità tra occhio e oggetto è

zero, quindi l’oggetto appare fisso sulla retina).

Aree corticali visive striate ed extrastriate forniscono le informazioni necessarie: in

temporale mediale (MT)

particolare, l’area risponde selettivamente a bersagli visivi che si

spostano in una particolare direzione con una data velocità, difatti lesioni di quest’area

disturbano i movimenti lenti di inseguimento. Queste aree visive extrastriate proiettano

anche loro alle aree di controllo (collicolo e campo oculare frontale).

cervelletto regola il guadagno,

Il invece in modo che la velocità dei movimenti oculari

corrisponda a quella del bersaglio visivo; si tratta di un controllo cognitivo se lo stimolo è

predicibile (ad es., se ad un soggetto viene chiesto di tracciare uno stimolo sinusoidale che è

predicibile, dopo qualche secondo lo traccia senza alcun ritardo).

Sistema motorio viscerale (o autonomo)

- Caratteristiche distintive

- Divisione simpatica

- Divisione parasimpatica

- Componenti sensoriali

- Controllo centrale

Il sistema motorio viscerale ha un ruolo essenziale nel mantenimento dell’omeostasi, ossia del

mantenimento dei parametri fisiologici (pH, composizione ionica, temperatura) che

garantiscono il corretto funzionamento dell’organismo.

Primi passi

Solo a partire dalla fine del 1800 si è iniziato a comprendere il meccanismo di controllo delle

reazioni motorie involontarie:

- Walter Gaskell (1847‐1914): «ogni tessuto è innervato da due gruppi di fibre nervose

ad azione contrapposta» (1866)

- John Langley (1852‐1925): studia la funzione dei gangli autonomi e la applica alla

farmacologia. Conia il termine di «sistema nervoso autonomo».

- Walter Cannon (1871‐1945) Descrive le funzioni motorie viscerali in relazione ai

meccanismi omeostatici e alle emozioni in termini di “risposta «attacco‐o‐fuga»”.

Caratteristiche distintive del sistema motorio viscerale

I motoneuroni viscerali inferiori (neuroni gangliari) sono localizzati all’esterno del SNC, in

gangli autonomi plessi

vicino al midollo spinale (per la divisione simpatica) o in nervosi

all’interno o in prossimità dell’organo bersaglio (per le divisioni parasimpatica ed enterica),

neuroni pregangliari situati nel midollo spinale e nel tronco encefalico.

controllati da

La maggior parte dei bersagli autonomi sono innervati in modo antagonistico dal sistema

simpatico (noradrenalina) e parasimpatico (acetilcolina).

In realtà, gli assoni dei motoneuroni danno origine a molte terminazioni sinaptiche che

rilasciano una varietà di neurotrasmettitori e cotrasmettitori: si tratta quindi di sinapsi meno

differenziate delle giunzioni neuromuscolari, e gli effetti dell’attivazione viscerale variano

notevolmente.

Il sistema motorio viscerale è regolato dalle afferenze sensoriali viscerali tramite riflessi locali

e da vie discendenti dall’ipotalamo e dal tronco encefalico; esattamente, le azioni sono

coordinate da una serie strutture corticali e sottocorticali nelle porzioni ventrale e mediale del

prosencefalo e del tronco encefalico (che costituiscono la cosiddetta “rete autonoma

centrale”).

Divisione simpatica

Consente di far fronte a situazioni pericolose o difficili che richiedono il massimo

sfruttamento delle risorse corporee, quindi alle cosiddette situazioni di “attacco o fuga”; le

risposte saranno:

- Dilatazione delle pupille e ritrazione delle palpebre (per una maggiore acuità visiva)

- Costrizione dei vasi sanguigni della cute e dell’intestino (perché il flusso sanguigno

deve esse concentrato nei muscoli e nel cervello)

- Peli rizzati (nei primati per conferire un aspetto minaccioso)

- Dilatazione dei bronchi

- Aumento della frequenza e della forza di contrazione cardiaca

- Interruzione delle funzioni digestive

- Stimolazione della midollare del surrene a liberare adrenalina e noradrenalina e del

pancreas a secernere glucagone per aumentare l’utilizzazione delle riserve

energetiche.

Queste risposte sembrerebbero non essere omestatiche (in situazioni estreme infatti sono

messi in atto meccanismi che comportano un allontanamento dai valori di riferimento), per

questo il termine si è sostituito con il concetto di allostasi che include un adattamento

dinamico alle situazioni contingenti assecondate tramite cambiamenti fisiologici e

comportamentali.

Neuroni pregangliari simpatici

pregangliari

I neuroni formano una colonna nel midollo spinale (colonna intermedio-laterale

o corno laterale) a livello toracolombare (dal primo segmento toracico ai primi segmenti

lombari).

Gangli simpatici gangli

Gli assoni dei neuroni pregangliari terminano nei della catena simpatica o

paravertebrale (connettendosi ai nervi periferici formando i rami comunicanti bianchi); i

motoneuroni

neuroni dei gangli sono che innervano muscoli lisci, muscolatura cardiaca e

ghiandole, tutti raggiunti tramite gli assoni post-gangliari che si connettono ai nervi periferici

tramite fibre amieliniche che formano i rami comunicanti grigi.

gangli prevertebrali

I neuroni pregangliari innervano anche i nel plesso cardiaco, il ganglio

celiaco, i gangli mesenterici, nel plesso pelvico.

Divisione parasimpatica

Ha una funzione generalmente opposta a quella del sistema simpatico: consente di aumentare

o ricostruire le riserve metaboliche in una classica risposta del tipo “riposare e digerire”, che

prevede:

- Riduzione del diametro pupillare

- Riduzione della frequenza cardiaca

- Aumento dell’attività peristaltica dell’intestino

- Evacuazione dell’urina dalla vescica.

Neuroni pregangliari parasimpatici tronco encefalico

I neuroni pregangliari si trovano, in questo caso, solo nel (nucleo di

Edinger-Westphal, salivatori, ambiguo, vago)

nuclei nucleo nucleo motore dorsale del e nel

sacrale midollo spinale,

tratto del in una regione intermedia (anche se meno pronunciata)

che va anche qui a costituire un corno laterale.

Gangli parasimpatici negli organi

I gangli parasimpatici innervati dai neuroni pregangliari sono situati controllati

in loro prossimità:

o i neuroni dei gangli hanno pochi dendriti e sono innervati da un’unica

cellula pregangliare.

Sistema nervoso enterico

L’attività intestinale è regolata da entrambe le divisioni, simpatica e parasimpatica, del

sistema nervoso viscerale.

L’intestino possiede però un esteso sistema locale di cellule nervose nelle proprie pareti che

agiscono mediante meccanismi riflessi, com’è dimostrato dalla presenza di peristalsi in

segmenti di intestino isolati in vitro.

Distinguiamo in particolare due plessi enterici:

Plesso mienterico di Auerbach,

- che agisce sulla muscolatura liscia intestinale

Plesso sottomucoso di Meissner,

- responsabile del controllo della secrezione

ghiandolare.

Componenti sensoriali

segnali afferenti riflessi locali centri

I dai visceri attivano circuiti e proiettano ai di

superiori.

integrazione nucleo del tratto solitario

In particolare, il nel bulbo è la struttura del SNC che riceve

informazioni sensoriali viscerali.

I corpi cellulari delle fibre afferenti sono situati nei gangli delle radici dorsali e dei nervi

cranici.

Il loro prolungamento periferico raggiunge recettori sensibili alla pressione e alla distensione,

chemiorecettori e nocicettori.

Il loro prolungamento centrale termina su neuroni di secondo ordine e interneuroni,

responsabili del dolore riferito (percezione cosciente, nel sistema antero-laterale); si hanno

corni ventrali riflessi

terminazioni anche nei del midollo, che danno luogo a viscerali simili

ai riflessi somatici.

nucleo del tratto solitario

Il quindi integra le informazioni sensoriali viscerali e le trasmette

nuclei motori viscerali, formazione reticolare prosencefalo

ai alla e a diverse regioni del

ventrale e mediale, quindi solo poche informazioni raggiungono il livello di coscienza.

Controllo centrale

nucleo del tratto solitario

Il proietta quindi a centri superiori di integrazione:

Centri autonomi premotori

- della formazione reticolare (per il controllo ad esempio

della respirazione o della pressione arteriosa)

Amigdala

- Ipotalamo

- Nucleo parabrachiale,

- attorno al peduncolo cerebellare, che ritrasmette informazioni

talamo corteccia prefrontale

sensoriali viscerali all’ipotalamo, all’amigdala, al e alla

mediale insulare.

ed rete autonoma centrale,

Tutti questi fanno parte della insieme di strutture corticali e

sottocorticali che integrano informazioni sensoriali viscerali con informazioni da altre

modalità sensoriali e da centri cognitivi superiori: essa è la responsabile delle tante reazioni

autonome tra cui quelle emozionali, l’arrossamento in situazioni imbarazzanti, la

vasocostrizione in risposta alla paura, il comportamento sessuale.

Ipotalamo

L’ipotalamo in particolare è una struttura chiave di questa rete, che invia efferenze ai centri

autonomi della formazione reticolare e anche direttamente ai neuroni pregangliari del tronco

e del midollo.

Esso presenta una serie di nuclei associati alla regolazione omeostatica ed ha connessioni

dirette con la neuroipofisi (neuroni secretori) e controlla la secrezione di ormoni dalla

adenoipofisi (tramite fattori di rilascio o inibenti).

viscerali, endocrine comportamentali

Si può dire che esso integri le risposte e e regoli:

- Pressione arteriosa e composizione elettrolitica

- Metabolismo energetico (fame e sazietà, alimentazione, digestione)

- Comportamenti riproduttivi (sessuale e parentale)

- Temperatura corporea

- Comportamento di difesa

- Ciclo sonno-veglia.

Neurotrasmettitori

Esistono una serie di neurotrasmettitori e cotrasmettitori che sono utilizzati dal sistema

motorio viscerale, ma quelli principali sono:

L’acetilcolina pregangliari

- è il neurotrasmettitore principale dei neuroni sia

simpatici parasimpatici;

sia essa può legarsi a:

Recettori nicotinici (canali ionici ligando-dipendenti) risposte rapide

o Recettori muscarinici (associati a proteine G) modulazione più lenta.

o postgangliari simpatici noradrenalina

- In genere, i neuroni rilasciano e i neuroni

postgangliari parasimpatici acetilcolina:

rilasciano

Simpatico: due sottoclassi di recettori noradrenergici (α e β) da cui

o dipenderanno i diversi effetto dello stesso neurotrasmettitore in diversi

distretti (M1 e M2),

Parasimpatico: due sottoclassi di recettori colinergici muscarinici

o anch’essi determinanti effetti diversi.

Coordinazione motoria e sinergie muscolari

- Complessità del controllo motorio

- Modelli di sinergie muscolari

- Evidenza sperimentale dalla decomposizione delle attivazioni muscolari

- Basi neurali

Complessità del controllo motorio

Il controllo motorio (come l’organismo risolve dal punto di vista anatomico ed organizzativo il

problema computazione dell’arruolamento di fibre di muscoli diversi per lo svolgimento di

movimenti complessi) è particolarmente complesso. La sua difficoltà consiste soprattutto:

Dimensionalità,

- per via della dinamica multi-articolare (molteplici gradi di ogni

articolazione).

Attuazione muscolare,

- per via della

ridondanza muscolare: il numero di possibili combinazioni di attivazioni

o muscolari aumenta esponenzialmente con il numero di muscoli (motivo per cui

si parla di “maledizione della dimensionalità”), e sono tanti ad agire anche su un

singola articolazione: ogni movimento può essere ottenuto mediante diverse

combinazioni di forze sia spazialmente che temporalmente (sequenzialmente);

dipendenza della forza dalla lunghezza e velocità di accorciamento del muscolo;

o tensione muscolare in un solo verso.

o

Versatilità,

- per via della necessità di controllare molti comportamenti motori

differenti.

Per semplificare queste problematiche, il SN fa sì di controllare non tutti ma solo alcuni gradi

di libertà delle articolazioni, e coordinare le attivazioni muscolari in unità di controllo quali le

sinergie muscolari ottenute mediante l’implementazione di una rete neurale ricorrente

attraverso cui, grazie all’influenza dei neuroni su se stessi e su quelli vicini che varia i diversi

pesi sinaptici all’interno del circuito (potenziamento o depressione LT) servendosi degli

errori, e apprendere in questo modo le istruzioni per compiere le adeguate trasformazioni

sensori-motorie che saranno da guida per l’esecuzione del movimento.

Modelli di sinergie muscolari

Allo scopo di semplificare il controllo ed ottenere una sua flessibilità, pare quindi che il

controllo stesso goda di una organizzazione modulare, grazie alla quale la coordinazione delle

attivazioni muscolari può essere ottenuta tramite la combinazione di sinergie muscolari.

semplificare riduce il

L’organizzazione di sinergie muscolari può il controllo motorio perché

numero di parametri che devono essere specificati per definire una trasformazione

elementi modulari

sensorimotorie. Le sinergie dunque possono essere utilizzate come

perché rappresentano elementi invarianti nei comandi motori, utilizzati in una varietà di

movimenti differenti.

Nozione di sinergia muscolare

Neurofisiologia: attivazione coordinata di un gruppo di muscoli utile a semplificare il controllo

motorio

Neurologia: patologica

attivazione stereotipata di un gruppo di muscoli causata da una perdita

di controllo indipendente.

Modelli delle sinergie sinergie

I comandi motori sono generati da combinazioni di definite come:

- Attivazioni di gruppi di muscoli con un’ampiezza relativa (l’uno rispetto all’altro) che

tempo-invarianti spaziali).

non varia nel tempo (sinergie o Esse incorporano le

regolarità spaziali tra muscoli dei comandi motori.

- Profili temporali di attivazione condivisi tra gruppi di muscoli (sinergie o componenti

temporali). nei comandi motori.

Esse incorporano le regolarità temporali tempo-varianti

- Profili temporali di attivazione specifici per ciascun muscolo (sinergie

spaziotemporali).

o Esse incorporano le regolarità spaziotemporali nei comandi

motori.

Ogni sinergia può essere associata ad un coefficiente che rappresenta il grado di attivazione

dell’intera sinergia, quindi l’attivazione generale di un gruppo di muscoli può essere modulato

agendo esclusivamente su un singolo parametro. Dalla somma delle attività dei singoli

muscoli all’interno di ogni singola sinergia e dei diversi gradi di attivazione delle diverse

sinergie si possono ottenere moltissime combinazioni di profili di attivazione che consentono

l’esecuzione di movimenti complessi.

Identificazione tramite decomposizione

elettromiografica

A partire dall’attività (EMG) registrata simultaneamente da più muscoli si

algoritmi di decomposizione

sono ottenuti degli multi-dimensionale per le sinergie tempo-

algoritmi di ottimizzazione iterativa

invarianti e le componenti temporali, oltre che per le

sinergie tempo-varianti.

Simulazione della decomposizione

1. Le attivazioni di 3 muscoli sono generate come combinazione casuale di 2 sinergie

2. Viene aggiunto rumore

3. Le sinergie originali sono identificate tramite un algoritmo iterativo (NMF)

Decomposizione dei segnali EMG

Un numero limitato di sinergie è in grado di ricostruire le attivazioni muscolari in diversi

comportamenti motori e condizioni di movimento, come evidenziato da registrazioni in rana,

gatto, macaco, nonché nell’uomo dove intervengono nel controllo posturale, nella

locomozione, nei movimenti di raggiungimento ed intercettamento.

Richiama suoi esperimenti sulla rana spinale (campi di forza) e intatta, di cui sono stati studiati i

riflessi difensivi.

Mostra studi sul controllo posturale in gatto e uomo; su raggiungimento e prensione nel macaco.

Mostra suoi studi su movimenti di puntamento: movimenti veloci (<400 ms) in 8 direzioni sul piano

frontale e sagittale.

L’attività EMG viene registrata con elettrodi superficiali da molti muscoli del braccio

simultaneamente; si evidenzia che l’attività posturale (“tonica”) viene sottratta per ottenere

l’attività che genere movimento (“fasica”).

Struttura delle sinergie muscolari: la struttura di ciascuna sinergia ne suggerisce una funzione

specifica.

Sinergie per il puntamento: sommario

- La combinazione di 4 o 5 sinergie dipendenti dal tempo descrive bene l’organizzazione

spaziotemporale delle attività muscolari

- I coefficienti di ampiezza delle sinergie hanno una dipendenza direzionale come una

funzione coseno

- Le sinergie sono robuste per cambiamenti di carico e postura

Ricostruzione delle attività muscolari: le variazioni delle attività muscolari nei diversi momenti

sono spiegate da pochi coefficienti di combinazione delle sinergie.

Modulazione direzionale dei coefficienti: i coefficienti di ampiezza delle sinergie sono modulati

dalla direzione di movimento in modo semplice.

Le sinergie sono robuste: le sinergie estratte da movimento punto a punto con carico minimo e

avambraccio neutro sono in grado di ricostruire le attività muscolari in tutte le direzioni.

Sinergie fasiche e toniche: sommario

- Combinazioni di sinergie fasiche e toniche descrivono bene le attivazioni muscolari per

movimenti di puntamenti in differenti direzioni e con differenti velocità

- Entrambi i tipi di sinergie sono modulate in ampiezza e nel tempo dalla direzione di

movimento secondo una funzione coseno

- Solo le sinergie fasiche sono modulate dalla velocità.

Mostra suoi studi su puntamento a differenti velocità: movimenti in 8 direzioni nel piano

frontale con un’ampia distribuzione di durate. Le forme d’onda delle attivazioni muscolari a

differenti velocità sono normalizzate temporalmente e di eguale durata. Sinergie fasiche e

toniche.

Direzionalità delle sinergie: i coefficienti di ampiezza delle sinergie fasiche e toniche hanno una

dipendenza dalla direzione ben descritta da una funzione coseno.

Le sinergie fasiche sono modulate dalla velocità.

Sinergie per l’intercettamento: sommario

- La modulazione delle attivazioni muscolari per l’intercettamento di una palla con

differenti tempi di volo è ben descritta da due sinergie dipendenti dal tempo

- Una sinergia è reclutata ad un intervallo breve e fisso dal lancio

- La seconda sinergia è reclutata ad un intervallo fisso prima dell’impatto, suggerendo

una temporizzazione basata su una stima accurata del tempo di contatto.

Mostra studi sulla cinematica dell’intercettamento.

Sinergie per l’intercettamento: le sinergie dipendenti dal tempo caratterizzano sia le

somiglianze sia le differenze tra soggetti.

Primitive locomotorie: sommario

- Due schemi motori primitivi del neonato sono mantenuti durante lo sviluppo e due

nuovi schemi si aggiungono nel bambino che compie i primi passi

- Con la maturazione del cammino tali schemi motori primitivi si adattano secondo

specifiche necessità biomeccaniche

- Primitive simili sono presenti in differenti specie animali

Mostra studi sulla locomozione e del controllo nel cammino nell’uomo; sviluppo del cammino e

riflesso di deambulazione nel neonato (2-7 giorni dalla nascita). Attivazione muscolare

locomotoria. Sviluppo delle componenti temporali in neonati, bambini entro 3 anni, bambini in

età prescolare e adulti. Confronto tra specie.

Apprendimento motorio

L’apprendimento motorio si distingue in:

- apprendimento di nuove capacità motorie, che può consistere in un incremento della

velocità ed accuratezza di esecuzione o un apprendimento di sequenze

- adattamento di capacità esistenti, ad esempio movimenti di raggiungimento in

presenza di una trasformazione visuomotoria (occhiali prismatici) o di una

perturbazione dinamica.

Ruolo delle sinergie nell’apprendimento: l’apprendimento motorio può dipendere da una

combinazioni struttura

modifica delle o da una modifica della delle sinergie.

struttura

- Ipotesi 1: la modifica della delle sinergie è associata all’acquisizione di

nuove capacità motorie (processo adattativo lento)

combinazioni

- Ipotesi 2: la modifica delle di sinergie è associata all’adattamento

motorio (processo adattativo veloce).

Sinergie e rotazioni visuomotorie: sommario

- Il cambiamento nella preferenza direzionale delle attività muscolari è associato con il

cambiamento di direzione del cursore

- Un numero limitato di sinergie muscolari estratte dalla attività muscolari prima della

perturbazione ricostruiscono bene le attività muscolari durante e dopo la

perturbazione

- La struttura delle sinergie muscolari non cambia durante l’adattamento visuomotorio,

ma ruota la direzione preferenziale di attivazione delle sinergie.

Nei movimenti di raggiungimento dopo una rotazione della corrispondenza tra forza e movimento di

un cursore, riguardo a come cambiano le attivazioni muscolari durante l’adattamento ci si

aspetterebbe che si modifichino le combinazioni di sinergie.

Si verifica un adattamento della direzione preferenziale dell’attivazione muscolare.

Sinergie indipendenti dal tempo: le sinergie non cambiano durante l’adattamento.

Adattamento tramite rotazione della direzione preferenziale delle sinergie.

Adattamento ad una perturbazione non compatibile con le sinergie

Le sinergie permettono di apprendere in modo efficiente riducendo il numero di parametri

vincolano

coinvolti ma cosa può essere appreso.

validazione

L’adattamento motorio può quindi fornire dell’organizzazione neurale delle

sinergie.

Ciò lascia predire che se il controllo è effettivamente sinergistico, devono esistere

incompatibili

perturbazioni che sono più difficili da compensare perché sono con le sinergie.

Chirurgie virtuali: sommario

- Perturbazioni incompatibili con le sinergie muscolari sono più difficili da compensare

che perturbazioni compatibili

- Le sinergie non sono solo descrizioni compatte dei dati, ma moduli organizzati dal SNC

capaci di influenzare l’adattamento motorio

- L’acquisizione di nuove capacità motorie richiede l’organizzazione di nuove sinergie.

Adattamento ad una “chirurgia virtuale”: soggetti generano forze isometriche alla mano e

muovono un cursore (sfera virtuale) in base alle forze o alle attività EMG (controllo

mioelettrico) registrate.

Trasformazioni da EMG a forza: trasformazione lineare stimata tramite regressione multipla.

Sinergie muscolari: identificate da EMG utilizzando NMF

Chirurgie virtuali: rotazione nello spazio delle attivazioni muscolari che altera la

trasformazione da EMG a forza. La rotazione (trasferimento tendineo virtuale) può essere

compatibile o incompatibile con le sinergie. Protocollo sperimentale. Traiettorie del cursore

con controllo mioelettrico.

L’adattamento è più lento dopo una chirurgia incompatibile: nessuna differenza nel primo

blocco dopo la chirurgia, errori maggiori nell’ultimo blocco incompatibile.

La coordinazione motoria è alterata dopo una chirurgia incompatibile: la ricostruzione delle

attivazioni muscolari con le sinergie originali è peggiore dopo una chirurgia incompatibile.

Attivazioni muscolari dopo una chirurgia incompatibile.

Possibili substrati neurali

Come e dove il SNC organizza, modula e combina le sinergie muscolari?

midollo spinale

- Il è in grado di organizzare sinergie muscolari.

- La corteccia motoria, il cervelletto e i nuclei della base sono essenziali per il controllo

dei movimenti volontari.

la corteccia motoria

Il particolare, possiede molte delle caratteristiche necessarie per

l’organizzazione delle sinergie muscolari.

Sinergie nel midollo spinale

La stimolazione del midollo spinale della rana (tramite ionoforesi di NMDA) genera forze in

direzioni discrete ed un numero limitato di sinergie muscolari.

Nel topo, l’attivazione di pre-motoneuroni spinali tramite stimolazione fotonica di

canalrodpsina-2 genera risposte in multipli gruppi muscolari. Si ipotizza quindi la presenza di

interneuroni “codificatori di sinergie motorie”, una popolazione eterogenea che include

neuroni con specifici marcatori molecolari (Tfap2b, Satb1/2) localizzata nella lamina V

mediale, ipsilaterale, con un’estensione fino a 8 segmenti, che riceve input da afferenze

sensoriali e vie discendenti corticali.

Corteccia motoria. Rappresentazione corticale dei muscoli.

Convergenza: la distribuzione topografica di cortico-motoneuroni che convergono su un

singolo muscolo è ampia e sovrapposta con quella di altri muscoli.

Divergenza: ciascun cortico-motoneurone esercita un’azione sinaptica su più di un muscolo

(“campi motori”).

Combinazioni lineari: la stimolazione di due punti della corteccia motoria genera nel gatto

somma

attivazioni muscolari che sono la di quelle generate da un singolo punto.

Sinergie nella corteccia motoria

tempo-invariante

Ciascuna sinergia muscolare potrebbe essere generata da una popolazione

di neuroni corticali.

dipendente dal tempo

Una sinergia potrebbe essere generata da una traiettoria (neurale)

nello spazio delle attività di una popolazione di neuroni corticali.

Sinergie evocate dalla stimolazione corticale: sommario

- La microstimolazione elettrica delle aree motorie corticali evoca un’attivazione

muscolare sincrona e movimenti che convergono verso particolari posture.

- La maggior parte delle sinergie tempo-invarianti estratte dalle attivazioni evocate sono

simile alle sinergie estratte da movimenti volontari.

Microstimolazione intracorticale. Sinergie naturali ed evocate (sinergie da decomposizione di EMG di

raggiungimento e prensione- sinergie da decomposizione di ECG evocati da stimolazione).

Sinergie muscolari e neurali

Relazione tra sinergie spaziotemporali osservate nell’attività neurale e in quella muscolare attorno al

tempo della prensione dell’oggetto. La decomposizione dell’attività neurale e muscolare in sinergie

spaziotemporale rivela simile dimensionalità, modulazione temporale e modulazione in ampiezza.

Preferenza direzionale e postura: la direzione preferita dei neuroni della corteccia motoria è modulata

dalla posizione iniziale della mano. I neuroni possono presentare una codifica “estrinseca” o

“intrinseca” della direzione.

Modulazione posturale delle sinergie: l’attivazione o la struttura delle sinergie potrebbe essere

modulata da afferenze propriocettive.

Trasformazioni sensorimotorie: esse potrebbero essere implementate nei circuiti fronto-parietali

utilizzando una rappresentazione dei comandi motori a bassa dimensionalità fornita dalle sinergie. La

modulazione propriocettiva permetterebbe una mappatura diretta di un bersaglio visivo in attivazioni

muscolari.

Concetti chiave:

- Il controllo motorio è complesso perché richiede la coordinazione di molte articolazioni e

muscoli

- L’ipotesi che il controllo motorio sia semplificato da un’organizzazione modulare è stata

recentemente studiata valutando modelli di controllo basati su sinergie muscolari

- La decomposizione delle attività EMG indica che le attivazioni muscolari sono generate da

combinazioni di un numero limitato di sinergie

- L’organizzazione neurale delle sinergie coinvolge il midollo spinale e le aree motorie corticali.

Corteccia associativa e funzioni cognitive

- Struttura corticale e caratteristiche delle aree di associazione

- Cortecce di associazione

Lobo parietale e attenzione

o Lobo temporale e riconoscimento

o Lobo frontale e pianificazione

o

Funzioni cognitive

- Cognizione: conoscenza del mondo (improntata al controllo del comportamento o alla

memorizzazione di alcune caratteristiche interessanti)

Scienze cognitive: empiristi

- (la conoscenza è basata sull’apprendimento basato

sull’esperienza sensoriale), comportamentisti (descrive il comportamento in termini di

cognitivisti

stimolo-risposta e su queste basi studia le leggi dell’apprendimento), (la

mente umana rappresenta un sistema di elaborazione dell’informazione che dà valore

a ciò che giace tra stimolo e risposta).

Neuroscienze cognitive:

- la conoscenza del mondo non può basarsi solo sulle

conoscenze sensoriale perché spesso non sono sufficienti in quanto ambigue, per cui

esistono delle rappresentazioni interni (stati interni motivazionali, intenzioni e

coscienza) che influenzano la mappatura tra stimolo e risposte; non è quindi sufficiente

descrivere soltanto stimolo e risposte, ma conoscere gli stati interni e come essi siano

rappresentati. Negli ultimi 40 anni quindi esperimenti di tipo psicofisico ed indagini

filosofiche si combinano con lo studio dei substrati neurali delle funzioni cognitive,

nascono così le neuroscienze cognitive, che indagano in che modo le funzioni superiori,

cognitive (la “mente”), emergano dal funzionamento del sistema nervoso.

- Funzioni cognitive (consce o subconsce):

Attenzione agli stimoli esterni o alle motivazioni interne

o Riconoscimento ed identificazione del significato di tali stimoli

o Generazione di risposte appropriate

o

Aree di associazione della corteccia cerebrale

Le aree di associazione occupano la maggior parte della superficie della corteccia cerebrale

(escluse le aree di elaborazione primaria sensoriali o motorie) e mediano funzioni cognitive

quali la capacità di prestare attenzione, di identificare, di pianificare ed eseguire

comportamenti adeguati.

Le funzioni cognitive sono state studiate osservando i deficit di pazienti con lesioni corticali,

tramite l’analisi funzionale per immagini e mediante la registrazione dell’attività neuronale

nei macachi.

Circuiti neocorticali

Nonostante le variazioni tra diverse aree citoarchitettoniche, i circuiti corticali hanno alcune

caratteristiche comuni. afferenze

Ogni strato corticale ha una fonte principale di ed un bersaglio principale per le

efferenze. verticali orizzontali

Ogni strato ha inoltre connessioni (colonnari) e (laterali).

funzioni analoghe

Cellule con tendono a disporsi in gruppi allineati in senso radiale

(colonne).

Connessioni delle aree associative

nuclei talamici

Due forniscono la maggior parte delle afferenze sottocorticali:

pulvinar parietale

- Il proietta alla corteccia di associazione

nuclei mediali dorsali frontale

- I proiettano alla corteccia di associazione

altre regioni corticali.

Le afferenze a questi nuclei talamici provengono da

Le aree associative ricevono poi direttamente abbondanti proiezioni da altre aree corticali

corticocorticali)

(connessioni omolaterali e interemisferiche (tramite il corpo calloso).

neuromodulatorie

Ricevono altresì afferenze dai nuclei (dopaminergici, noradrenergici e

serotoninergici) del tronco encefalico, coinvolte nei processi di apprendimento, motivazione

ed attenzione.

Corteccia associativa del lobo parietale

Essa, situata soprattutto nelle regioni più ventrali del lobo parietale, è legata al controllo

dell’attenzione.

lesioni unilaterali

Sue comportano difficoltà nel prestare attenzione a oggetti ed eventi nel

di negligenza controlaterale):

campo visivo controlaterale (sindrome questa condizione,

dell’emisfero destro,

associata specificamente alle lesioni prevede l’incapacità di percepire e

prestare attenzione alla metà controlaterale del proprio corpo o di un oggetto, difficoltà a

compiere compiti motori che riguardino il lato negletto (aprassie).

La corteccia parietale destra controlla l’attenzione verso entrambe le metà del campo visivo e

del corpo, è quindi dominante nel controllo dell’attenzione dei soggetti normali.

Lesioni all’emisfero sinistro provocano invece solo una minima negligenza a destra.

macaco:

Le cortecce di associazione mediano le capacità cognitive anche nel ciò è stato

evidenziato tramite test comportamentali per la valutazione delle facoltà di attenzione,

riconoscimento e pianificazione e tramite la registrazione da singoli neuroni in animali svegli

e liberi di muoversi.

La registrazione dell’attività neuronale in macachi addestrati a prestare attenzione in modo

selettivo evidenzia che neuroni in specifiche regioni della corteccia parietale si attivano

quando l’animale presta attenzione ad un oggetto (questi rendono più “saliente”

l’informazione legata agli stimoli che sono sotto la luce intenzionale), e che il livello di

correlati ricompensa.

attenzione e la frequenza di scarica sono alla quantità di

In definitiva la funzione dell’attenzione sulle aree corticali sensoriali sembra essere quella di

amplificare le risposte dell’attività neurale e rendere quindi potenzialmente più efficace

l’attenzione facilita la percezione di uno stimolo

l’elaborazione dello stimolo: e potenzia le

risposte neuronali alle cortecce sensoriali.

lobo temporale

Corteccia associativa del

riconoscimento

Essa è predisposta al ed all’identificazione di stimoli complessi.

lesioni

Sue “focalizzate” comportano disturbi nelle facoltà di riconoscimento, identificazione

e corretta assegnazione del nome alle differenti categorie di oggetti (agnosie).

A differenza della sindrome di negligenza, i pazienti avvertono la presenza di uno stimolo ma

non riescono ad identificarlo. Le agnosie possono essere generali o specifiche; un esempio è la

prosopagnosia, ossia l’incapacità di riconoscere ed identificare le facce.

corteccia temporale

In dettaglio, studi con fRMI in soggetti sani hanno dimostrato che la

inferiore fusiforme) facce.

(giro risulta particolarmente attiva durante riconoscimento delle

Tramite analoghe registrazioni sul macaco sono stati lì individuati neuroni che rispondono in

modo selettivo alle facce, con risposte selettive per specifici punti di vista (se gli elementi di

un volto sono riorganizzati in maniera non corretta la risposta è molto più bassa).

codifica di popolazione:

Sembra essere presente quindi una ogni neurone può essere

sensibile ed enfatizzare alcuni aspetti, ma l’identità individuale nasce da una risposta

cooperativa e quindi dall’attività complessiva di una popolazione neuronale.

Sono presenti nella stessa regione colonne corticali che rappresentano differenti

oggetto,

combinazioni di caratteristiche di un come il suo orientamento o la classe di

appartenenza. lobo frontale

Corteccia associativa del pianificare prendere decisioni,

In essa risiede la capacità di e anche se in realtà possiede un

ampio repertorio di funzioni.

lesioni

L’evidenza è che sue provocano cambiamenti di “personalità” (intesa come modalità

con cui si prendono decisioni e si interagisce socialmente) dell’individuo nonché una

compromessa capacità di controllo, alterazioni intellettive, perseverazione, mancata

inibizione di risposte inappropriate, incapacità di pianificare azioni appropriate (il caso

Phineas Gage, operaio di una società che si occupava di costruzione di linee ferroviarie con il

compito di far saltare le masse di roccia tramite la polvere da sparo compattata con un’asta di

metallo, che per un errore procedurale penetrò l’orbita ed attraversando e distruggendo parte

della corteccia frontale uscì: il soggetto non perse conoscenza, si fece medicare e sopravvisse,

ma da quel momento cambiò personalità e tenne comportamenti sociali inappropriati).

Tali prestazioni, che risultano quindi limitate in pazienti con lesioni al lobo frontale, possono

Card Sorting Task”,

essere indagate tramite il test di ordinamento delle carte di o “Wisconsin

un test della capacità di pianificazione, che indica la capacità di modificare il proprio criterio

di scelta, selezione comportamentale che presuppone anche la capacità di mantenere la

“memoria di lavoro”, ossia una rappresentazione che supporti tali scelte: in esso sono

presentate quattro carte con simboli che differiscono per numero, forma e colore, l’istruzione

è quella di selezionare il gruppo di appartenenza delle carte pescate in base a criteri non

dichiarati [ma deducendo la regola (per simbolo, per numero, per colore) dal segnale di

risposta corretta]; il criterio viene cambiato dopo 10 risposte corrette ed il soggetto con

lesione del lobo frontale non riesce, una volta appresa la prima regola, a pianificare di

modificare il meccanismo automatico di risposta appena acquisito.

La corteccia prefrontale è quindi coinvolta nei processi di pianificazione, decisione e

dorsolaterale

inibizione di risposte inappropriate; in particolare, la corteccia prefrontale è

soppressione di una risposta inappropriata, preferenze

attiva durante la mentre

individuali per diversi tipi di ricompense sono correlate con differenze nell’attività della

ventromediale.

corteccia prefrontale

Nella scimmia, i neuroni della corteccia prefrontale durante un compito a risposta ritardata

(scegliere la vaschetta entro cui è stata inserita la ricompensa dopo che essa sia stata oscurata

alla vista per un certo intervallo di tempo) raggiungono la massima attività nel periodo di

ritardo: essi permettono quindi di mantenere (nella cosiddetta “memoria di lavoro”) la

rappresentazione di una scelta comportamentale.

Linguaggio

- Produzione e comprensione dei suoni linguistici

- Localizzazione e lateralizzazione

- Afasie

- Pazienti con il cervello diviso

- Mappatura delle funzioni linguistiche

Produzione di suoni linguistici

Il linguaggio è una forma di comunicazione basata sulla produzione e sull’emissione di suoni

linguistici con caratteristiche peculiari, ma anche sulla capacità di generare loro associazioni

tramite regole complesse, quindi parole, frasi ed associare ad esse un significato.

I suoni linguistici essi sono prodotti dalla vibrazione delle corde vocali modulata dal tratto

vocale.

Il flusso d’aria responsabile della produzione dei suoni linguistici ha origine dai polmoni e

laringe, fonazione:

percorre la trachea per raggiungere la vera sede della in essa si individua

la glottide, stretta apertura tra le corde vocali, fonte primaria delle oscillazioni del flusso

d’aria, la cui frequenza dipende dalla loro tensione: si avranno quindi frequenze fondamentali

e multipli di esse, quindi armoniche.

Infine il resto del tratto vocale, rappresentato da faringe, cavità orale, lingua, labbra e cavità

nasale sono strutture di risonanza, con la capacità di amplificare ma anche articolare le

frequenza conferendo un timbro caratteristico che enfatizzi determinate frequenze.

Modello fonte-filtro

I suoni linguistici non sono generati solamente dall’oscillazione primaria, bensì il tratto vocale

filtra

modula e la potenza della serie armonica prodotta dalla vibrazione delle corde vocali. Le

frequenze che hanno la potenza maggiore si chiamano “formanti” e rappresentano le

frequenze di risonanza caratteristiche dei diversi suoni linguistici.

Foni, fonemi, sillabe, parole

Foni:

- suoni linguistici fondamentali, divisi in

Vocali, basate su diverse combinazioni delle frequenze formanti, possono quindi

o essere mantenute in maniera continua.

Consonanti, legate più alla modulazione dinamica del flusso d’aria dal gesto

o articolatorio, non possono pertanto essere mantenute e per questo sono in

genere associate ad una vocalizzazione (occlusione-esplosione, suono sibilante

etc).

Fonemi:

- categorie percettive dei suoni linguistici (specifici di ciascuna lingua, circa

200 in tutte le lingue, da 30 a 100 in singole lingue)

Sillabe:

- unità del linguaggio parlato costituite da uno o più foni

Parole:

- sequenze di sillabe alle quali è associato un significato.

Decodifica del linguaggio parlato

La percezione di elementi distinti del linguaggio parlato (sillabe, parole) non corrisponde a

gesto articolatorio

distinzioni fisiche del segnale acustico, bensì alla percezione del

sottostante ai suoni linguistici. Tipicamente le categorie fonetiche sono acquisite in un

periodo critico, quindi se non si ha l’esposizione a quelle categorie fonetiche entro i primi 7-

10 anni di vita può essere molto difficile acquisirle successivamente insieme alla capacità

sintattiche.

Ruolo del contesto nella comprensione del linguaggio

ambiguità

Dal punto di vista percettivo, alcune possibili di significato possono essere risolte

contesto

in base al (come nel caso dell’omonimia, ad es. “pesca”).

Inoltre, per l’effetto McGurk (fenomeno percettivo che dimostra un'interazione tra l'udito e la

vista nel riconoscimento di una parola o di un singolo fonema) la visione del movimento delle

labbra modifica la percezione del fonema.

Frasi, morfologia e sintassi frasi

Una caratteristica del linguaggio umano è la capacità di costruire (sequenza di parole

che esprimono un pensiero completo e dotato di significato) attraverso regole di

- Morfologia: regole per la formazione appropriata di parole

- Sintassi: regole per la combinazione di parole per formare frasi appropriate

grammatica universale,

A partire dagli anni 50 Noam Chomsky propose l’idea di una

principi

secondo la quale esistono dei fondamentali comuni a tutte le lingue (preorganizzati,

parametri

determinati geneticamente) e un numero minore di specifici (che sono quelli che

possono essere appresi) che determinano la variabilità sintattica tra le lingue.

Localizzazione e lateralizzazione del linguaggio

Sebbene non sia chiara la presenza o meno di una predisposizione genetica per acquisire il

linguaggio, è nota la localizzazione di due regioni in particolare, indispensabili per

cortecce associative temporale e frontale

l’elaborazione del linguaggio: le (e più in

di Broca lobo frontale di Wernicke lobo temporale

particolare l’area nel e l’area nel

superiore) sinistro. lateralizzazione,

entrambe dell’emisfero Per questo motivo si parla di

efficiente distribuzione

intesa come (famiglie di neuroni che devono elaborare una funzione

complessa richiedono meno distanza fra i diversi elementi, meno connessoni) di funzioni

cognitive complesse tra i due emisferi, piuttosto che dominanza.

separata

La rappresentazione del linguaggio nelle cortecce associative è dai circuiti per il

controllo motorio degli organi di produzione di suoni verbali e dai circuiti per la percezione

uditiva e visiva delle parole; nelle aree del linguaggio si riscontra piuttosto una

simboli

rappresentazione di (per vari contenuti, concetti, significati) che è alla base del

linguaggio, il cui uso sottostà a precise regole (grammatica, sintassi, prosodia).

Per questo motivo, ad esempio, persone non udenti sono in grado di comunicare con il

linguaggio dei segni e nel caso di lesioni delle aree legate al linguaggio presenteranno tipi

equivalenti di disturbi legati alla generazione o alla comprensione non di suoni bensì di gesti

linguistici.

Afasie

La distinzione tra linguaggio e funzioni sensoriali e motorie è basata su pazienti con lesioni in

aree cerebrali specifiche, che comportano un’incapacità di comprendere e/o produrre il

linguaggio preservando la capacità di percepire gli stimoli e di emettere parole. Le

correlazioni tra disturbi nel linguaggio e specifiche lesioni corticali ha fornito le prime

indicazioni sulla localizzazione delle funzioni linguistiche.

Si distinguono in particolare:

Afasia di Broca

- (motoria o espressiva), dovuta ad una lesione della regione ventrale

posteriore del lobo frontale (area di Broca) che comporta la perdita della capacità di

produrre linguaggio.

Afasia di Wernicke

- (sensoriale o recettiva), dovuta ad una lesione del lobo temporale

posteriore e superiore che comporta la perdita della capacità di comprendere il

significato delle parole e la produzione di un discorso fluente ma privo di senso.

Pazienti con il cervello diviso

La conferma della lateralizzazione del linguaggio è stata data dallo studio di pazienti in cui il

corpo calloso era stato reciso (collosotomia) per curare gravi forme di epilessia, che sono stati

messi alla prova con il riconoscimento tattile di oggetti (stereognosi) con una sola mano e con

la presentazione breve (tachistoscopica) di uno stimolo visivo in un emicampo visivo: usando

l’emisfero sinistro, i pazienti erano in grado di dare un nome corretto all’oggetto (manipolato

con la mano destra o presentato nel campo visivo destro); usando l’emisfero dentro i pazienti

non erano invece in grado di dare una descrizione accurata dell’oggetto.

Mappatura delle funzioni linguistiche

Studi iniziali sono stati effettuati su pazienti con disturbi neurologici (Broca, Wernicke).

Il Test di Wada prevede l’anestetizzazione dell’emisfero sinistro, e dimostra che il 97% degli

individui ha una lateralizzazione a sinistra del linguaggio.

Si è ottenuta inoltre una mappatura accurata tramite stimolazione elettrica della corteccia

durante interventi chirurgici (W. Penfield).

Questa ha infatti dimostrato una notevole variabilità individuale della localizzazione dei siti di

rappresentazione del linguaggio.

Si è evidenziato, inoltre, che soggetti bilingue non usano necessariamente la stessa area

corticale per memorizzazione i nomi degli stessi oggetti in due lingue diverse.

Un’ampia gamma di parole quindi può evocare risposte in ogni sito di registrazione.

Altri studi sono stati effettuati mediante le tecniche di visualizzazione funzionale (PER, fMRI),

che hanno evidenziato che compiti linguistici come ascoltare parole e generare associazioni di

parole evocano l’attivazione delle aree di Wernicke e Broca, ma si attivano anche aree

sensoriali e motorie primarie e di associazione, in risposta a compiti linguistici sia attivi sia

passivi.

In particolare, regioni diverse del lobo temporale si attivano in risposta a categorie diverse di

parole, il che dimostrerebbe che il linguaggio è organizzato per categorie di significato

piuttosto che per singole parole.

Memoria

- Classificazione qualitativa e temporale

Priming e condizionamento

o Memoria episodica e semantica

o

- Sistemi cerebrali coinvolti nella formazione e nell’immagazzinamento

Memoria

Per memora si intende la capacità di immagazzinare le informazioni fornite dall’esperienza e

di recuperarle (consciamente o inconsciamente). Esattamente:

Apprendimento:

- processo di acquisizione di nuove informazioni

Memoria:

- meccanismo di codificazione, immagazzinamento e recupero delle

informazioni acquisite (contenuto informativo dell’apprendimento).

Le basi neurali della memoria sono rappresentate dalla plasticità neuronale e sinaptica,

indagata attraverso lo studio di disturbi della memoria nei pazienti con lesioni.

Classificazione della memoria

La memoria umana può essere classificata in base al tipo di informazioni immagazzinate:

Dichiarativa

- (esplicita): riguarda informazioni accessibili alla coscienza ed esprimibili

tramite il linguaggio (“dichiarate”)

Non-dichiarativa o procedurale

- (implicita): riguarda informazioni non accessibili

alla coscienza come associazioni e capacità motorie.

E in base alla durata:

Immediata:

- con cui si intende la capacità di tenere a mente per qualche frazione di

secondo un’esperienza in corso, specifica per ciascuna modalità sensoriale.

Di lavoro a breve termine:

- o con cui si intende la capacità di tenere a mente ed

elaborare informazioni per tempi che vanno dai secondi ai minuti (ad esempio per la

ricerca di un oggetto smarrito, per la ripetizione di una serie di cifre, per la quale la

capacità normale è di 7+o-2); essa dipende dall’attenzione.


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DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea magistrale in medicina e chirurgia (ordinamento U.E. - 6 anni)
SSD:
Università: Messina - Unime
A.A.: 2018-2019

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher iostudio7 di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Fisiologia umana e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Messina - Unime o del prof D'Avella Andrea.

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