HC12: Anatomie Parkinson en Ataxie

Algemene informatie

• Welke onderwerpen worden behandeld in het hoorcollege?
  • In dit college wordt besproken hoe het subcorticale motorsysteem werkt en beïnvloed wordt door de basale ganglia en het cerebellum
• Welke onderwerpen worden besproken die niet worden behandeld in de literatuur?
  • Alle onderwerpen in dit college worden ook behandeld in de literatuur
• Welke recente ontwikkelingen in het vakgebied worden besproken?
  • Er zijn geen recente ontwikkelingen besproken
• Welke opmerkingen worden er tijdens het college gedaan door de docent met betrekking tot het tentamen?
  • Er zijn geen opmerkingen over het tentamen gemaakt
• Welke vragen worden behandeld die gesteld kunnen worden op het tentamen?
  • Er zijn geen mogelijke vragen behandeld

Subcorticale motorsystemen

Subcorticale motorsystemen ontvangen informatie vanuit het corticofugale systeem en geven informatie terug aan de premotorcortex en de motorcortex. Er zijn 2 subcorticale motorsystemen:

• Extrapiramidaal systeem: de basale ganglia
  • In het telencephalon
    • Striatum: het centrum, een functionele eenheid
      • Nucleus caudatus
      • Putamen
    • Globus pallidus
      • De nucleus lentiformis is een morfologische eenheid die bestaat uit de globus pallidus en het putamen
  • In het diencephalon
    • Nucleus subthalamicus
  • In het mesencephalon
    • Substantia nigra
• Cerebellum

Corticale processen

Er zijn een aantal belangrijke "stations" in de cortex die nodig zijn om een beweging uit te voeren:

• Primaire motor cortex
• Premotor cortex
  • Hier ontspringt het cortico-bulbospinale systeem
• Primaire visuele cortex
• Posterior pariëtale cortex
• Prefrontale cortex

De informatie om een beweging aan te zetten volgt het volgende circuit:

1. Primaire visuele cortex
2. Posterior pariëtale cortex
3. Prefrontale cortex en premotor cortex
4. Primaire motorcortex en hersenstam + ruggenmerg

Visuele cortex:

Motoriek is voornamelijk visueel geregeld. De primaire visuele schors ligt mediaal in de lobus occipitalis. Als de informatie vanuit het oog in de primaire visuele schors komt, wordt deze opgesplitst in 2 parallele verwerkingsstromen:

• Ventrale stroom
  • Van de lobus occipitalis richting de fusiforme gyrus in de lobus temporalis
  • Hier wordt geanalyseerd wat de inhoud van het beeld is
• Dorsale stroom
  • Van de lobus occipitalis naar de posterior pariëtale schors
  • Hier wordt geanalyseerd waar in de omgeving het zich afspeelt

Posterior pariëtale cortex:

De posterior pariëtale cortex is een multisensorische cortex. Hier komt informatie uit alle zintuigsystemen samen. Er bevinden zich laagjes van "kaarten" die aangeven waar t.o.v. het lichaam iets aan het bewegen is:

• Visueel
• Auditorisch
• Somatosensibel
• Olfactorisch
• Vestibulair

In elk laagje zitten neuronen die specifiek gevoelig zijn voor specifieke prikkels. Zo is er een visueel neuron dat speciaal gevoelig is voor bewegingen in een bepaalde richting in een specifieke snelheid. Op basis hiervan wordt er uiteindelijk een "interceptie vector" (grasp factor) berekend. Deze vector geeft aan wat voor een beweging gemaakt moet worden. Dit wordt vervolgens doorgegeven aan de centrale patroon generator, die ervoor gaat zorgen dat de beweging daadwerkelijk wordt uitgevoerd.

Prefrontale cortex:

Vanuit de posterior pariëtale cortex gaat de informatie naar de prefrontale cortex. Dit is prefrontale cortex de basis van de cortex → de "executive cortex". Hierin ligt de uitvoerende controle over de cognitie → er worden conflicterende gedachten verwerkt.

Er wordt dus gefilterd op het belang van de stimulus. De "saliency" wordt bepaald → soms is het niet nodig om ergens op te reageren.

Premotorcortex:

Vanuit de posterior pariëtale cortex en de prefrontale cortex gaat de informatie naar de premotor cortex. Hier wordt de daadwerkelijke beweging voorbereid → de premotorcortex wordt altijd geactiveerd vóórdat er iets gaat gebeuren:

1. De premotorcortex beslist over het bewegingsdoel door de ontvangen informatie te koppelen: het "Bereitschaftspotential"
   • Op basis van de informatie uit de posterior pariëtale cortex en de prefrontale cortex wordt de beste actie gekozen
2. De actie wordt gepland
3. De geplande actie wordt doorgegeven aan de primaire motor cortex
   • Er komt dus informatie vanuit de premotor cortex en prefrontale cortex in de motor cortex
4. De beweging komt niet zomaar op gang: er moet input zin vanuit de thalamus om de beweging te initiëren → het Go-NoGo signaal

Basale ganglia

De basale ganglia vormen het 1e subcorticale motorsysteem. De activiteit van de thalamus wordt gereguleerd door de basale ganglia, die normaal de thalamus inhiberen:

1. De basale ganglia van het striatum controleren de activiteit van een specifieke thalamuskern, de nucleus lateralis ventralis
2. Alle corticofugale axonen geven een zijtakje af aan het striatum → het striatum krijgt alles te horen wat de cortex zegt
   • Dit heet een "efference copy"
3. Op basis hiervan besluit het striatum wat er met de thalamus gebeurt
4. Als het striatum voldoende informatie heeft van de gehele cortex, wordt de nucleus lateralis ventralis "ontremd"→ de thalamus geeft een signaal aan de primaire motor cortex en de premotor cortex dat het signaal naar de hersenstam en ruggenmerg kan gaan
5. Het cortico-bulbospinale systeem projecteert deels rechtstreeks op de motorneuronen en voor een groot deel op de interneuronen en de nucleus ruber

Er is dus input van de thalamus nodig om ervoor te zorgen dat de beweging geïnitieerd kan worden.

Striatale systeem:

De piramidebaan heet ook wel de corticospinale baan of de cortico-bulbospinale baan. Het extra-piramidale systeem heet ook wel het striatale systeem. Deze voert via een thalamuskern invloed uit op de motor cortex en premotor cortex, waarna de informatie via de cortico-bulbospinale baan naar beneden gaat. De cortico-bulbospinale baan is dus de "final common pathway" → alles wat via de cortex naar beneden gaat, gaat via de cortico-bulbospinale baan.

Van alle axonen die er voorbijkomen, gaat er één axon naar het striatum → het hele corticofugale systeem projecteert op het striatum. Dit noemt men ook wel het extrapiramidale systeem. Het striatum bestaat uit:

• Nucleus caudatus
• Putamen

De basale ganglia hebben via neurotransmitters invloed op elkaar:

1. Excitatie op het striatum met glutamaat
2. Het striatum heeft een inhiberend effect op de globus pallidus met GABA
3. De globus pallidus projecteert inhiberend op de nucleus ventralis lateralis oralis met GABA
4. De nucleus ventralis lateralis projecteert via een onbekende neurotransmitter exciterend op de (pre)motorcortex

Dezelfde informatie gaat ook naar de pons toe. Er komt een heleboel informatie tevoorschijn die wordt doorgegeven aan het striatum en het cerebellum.

Subcircuits:

De globus pallidus is spontaan actief → de nucleus ventralis lateralis wordt altijd onderdrukt → om beweging te laten plaatsvinden moet de globus pallidus geremd worden.

Bij dit systeem zijn enkele subcircuits:

• Subcircuit 1: een inhiberende GABA-projectie vanuit de globus pallidus op de subthalamicus, dat via glutamaat terug projecteert
• Subcircuit 2: een inhiberende GABA-projectie vanuit het striatum naar de substantia nigra, dat met dopamine exciterend terug projecteert

Hyperkinetische ziektes:

Hyperkinetische ziektes worden veroorzaakt door defecten in het 1e subcircuit. Als de subthalamicus kapot is, is er te weinig prikkeling van de globus pallidus:

1. De globus pallidus is niet actief genoeg
2. Er is onvoldoende remming van de nucleus ventralis lateralis
3. Er ontstaan extra prikkels
4. Er is te veel input in de (pre)motorcortex.

De ziekte van Huntington is een hyperkinetische ziekte. Ook kunnen ballistische bewegingen (hemiballisme) optreden:

• Schokkende bewegingen van de extremiteiten
• Geen controle over de bewegingen
• Is tijdens de slaap niet aanwezig
• Gaat na een paar maanden over omdat de contralaterale nucleus subthalamicus de functie kan overnemen

Hemiballisme is het gevolg van een kleine bloeding in de nucleus subthalamicus.

Hypokinetische ziektes:

Hypokinetische ziektes zijn het tegenovergestelde van hyperkinetische ziektes. Er is een defect van het 2e subcircuit. Het striatum is zeer stabiel → krijgt niet makkelijk een actiepotentiaal. De pre-excitatie van de substantia nigra (met dopamine) is nodig om ervoor te zorgen dat het striatum überhaupt kan exciteren. Als dit wegvalt, wordt de globus pallidus te actief en is er te veel remming van de nucleus ventralis lateralis:

1. Er is niet genoeg remming van de globus pallidus
2. De nucleus ventralis lateralis wordt te veel geremd
3. De (pre)motorcortex krijgt te weinig input

De ziekte van Parkinson is een hypokinetische ziekte. Parkinsonpatiënten hebben moeite met het initiëren en volhouden van bewegingen → ze kunnen motorprogramma's niet activeren:

• Ze kunnen bijv. niet goed opstaan omdat ze een posturaal reflex missen
• Bevriezen vaak in hun beweging
  • Ze hebben vaak trucjes om dit te voorkomen
    • Bijv. dingen op de grond gooien zodat ze weer kunnen lopen
• Omdat het limbisch systeem ook naar de nucleus ventralis lateralis projecteert, zijn ze cognitief en emotioneel instabiel

Cerebellum

Functies:

Het cerebellum is het 2e subcorticale systeem. Het cerebellum heeft verschillende functies:

• Coördineren van bewegingen in tijd en ruimte
• Leren van de motoriek

Het motorische geheugen wordt gemaakt in het cerebellum. Het zorgt ervoor dat bepaalde motorische handelingen automatisch gaan. Het cerebellum maakt continu voorspellingen over wat er gaat gebeuren en past hier de bewegingen aan. Dit is heel ingewikkeld → er zijn 10x zoveel neuronen als in het cerebrum.

Opbouw:

Het cerebellum bestaat uit:

• Cortex
  • Vermis (vestibulocerebellum): motoriek van de romp
  • Intermediate: tussen de vermis en de hemisferen
  • Hemisferen: motoriek van de extremiteiten
    • De hemisferen zijn veel groter dan de vermis → er is een enorm oppervlak nodig voor de motoriek van de extremiteiten
• Basale ganglia: de nucleï cerebelli (centrale cerebelaire kernen)
  • Vormen de output vanuit het cerebellum
  • Liggen onder de cortex
    • De grootsten liggen onder de hemisferen
  • De cerebellaire cortex heeft hier een inhibitoire invloed op

Het cerebellum heeft in tegenstelling tot het cerebrum één continue cortex → bestaat niet uit 2 losse hemisferen. De hemisferen van het cerebellum zitten vast door de vermis (worm). Onder het cerebellum hangen tonsillen: keelamandelen. De vermis en hemisferen hebben een verschillende functie.

Vezels:

Het cerebellum staat via vezels in contact met de rest van het brein:

• Pedunculus cerebellaris superior/brachium conjunctivum
  • Gaat via het cerebellum naar de contralaterale thalamus en vanuit daar naar de (pre)motorcortex
    • Komt in de thalamuskern waar de striatale invloed ook is
  • Komt onderweg de contralaterale nucleus ruber tegen, waar het één takje aan afgeeft → een "efference copy"
• Pedunculus cerebellaris medius/brachium pontis
  • Het grootste
  • Bevat vezels die van de cerebrale cortex naar de pons naar het cerebellum gaan
• Pedunculus cerebellaris inferior/corpus restiforme
  • Krijgt invloed vanuit het ruggenmerg, het vestibulaire apparaat en de oliva inferior

Er zijn cerebrale en cerebellare pedunculus, deze moeten niet verward worden.

Cerebellaire subcircuit:

Het cerebellaire subcircuit verloopt als volgt:

1. De pons krijgt alle informatie uit de cortex van het cerebrum
2. De vezels synapteren in de pons en kruizen contralateraal naar de cerebellaire cortex
3. De cerebellaire cortex synapteert op de nucleï cerebelli
4. De vezels gaan vanuit de nucleï cerebelli naar de contralaterale nucleus ventralis lateralis caudalis
5. Vanaf de nucleus ventralis lateralis caudalis projecteren de vezels op de (pre)motorcortex
   • Dit is een ander stukje in dezelfde kern als de nucleus ventralis lateralis

Doordat de vezels 2x kruisen, zien de projecties er als volgt uit:

• De linker cerebellaire cortex projecteert op de linkerkant en omgekeerd
• Het linkerdeel van de pons gaat naar het rechterdeel van het cerebellum
• Het rechterdeel van het cerebellum gaat naar de linker thalamus en omgekeerd

Cerebellaire aandoeningen hebben dus een ipsilateraal effect en corticale aandoeningen hebben een contralateraal effect.

Informatie:

Het cerebellum houdt bij wat het lichaam doet in tijd en ruimte:

1. De cortex van het cerebrum bedenkt een plan
2. Via het corticofugale systeem en de pons "vertelt" de hele cortex aan het cerebellum wat het plan is
3. Het cerebellum controleert het plan tegen de huidige stand van het lichaam en zegt wat er aangepast moet worden om het plan uit te voeren
   • Dit gebeurt dus voordat de beweging wordt aangestuurd
4. De informatie gaat vanuit het cerebellum naar de (pre)motorcortex om het plan aan te passen
5. Het plan wordt uitgevoerd

Om deze taken uit te voeren heeft het cerebellum bepaalde informatie nodig:

• Informatie vanuit de cerebrale cortex
• Visuele informatie
• Vestibulaire informatie
• Informatie uit het lichaam die uit het ruggenmerg komt
  • Exteroreceptoren: verzorgen informatie over wat er aan de buitenkant gebeurt
    • O.a. via tast- en pijnzin
  • Proprioceptoren: rondom spieren en gewrichten en in de spieren
    • Spierspoeltjes
    • Golgi peeslichaampjes
    • Reksensoren
  • Reticulaire informatie
    • Intermediaire grijs van het ruggenmerg
• Informatie vanuit het vestibulaire systeem
  • De stand van het hoofd
  • De snelheid van de huidige beweging
  • Deze informatie is zo belangrijk, dat één van de cerebellaire nucleï in het vestibulaire systeem gaat wonen

Alle informatie die naar het cerebellum wordt vervoerd, wordt via specifieke axonen vervoerd: mosvezels/informatievezels.

Leercircuit:

Het motorisch leren houdt in dat een beweging wordt bijgesteld als deze verkeerd wordt uitgevoerd. Het leercircuit verloopt via klimvezels, ook wel foutvezels genoemd. Deze bevatten informatie over vergissingen → een fout signaal. Het klimvezel signaal ontspringt aan de nucleus oliva inferior. Het leercircuit ziet er als volgt uit:

1. De nucleï cerebelli en cerebellaire cortex geven output
2. Nucleus ruber
   • Krijgt ook invloed vanuit de motorcortex
   • Wat de motorcortex als plan naar beneden stuurt wordt vergeleken met wat de correctie van het cerebellum is
3. Nucleus oliva inferior
   • Een hele grote kern die in een klein volume is "gepropt"
   • "Overlegt" met de nucleus ruber
   • Vergelijkt wat de nucleus ruber vertelt (de intentie) met de informatie van het ruggenmerg (de proprioreceptoren), dus met wat er daadwerkelijk gebeurt is
     • Als dit allemaal hetzelfde is, dan is de beweging goed verlopen
4. Cerebellaire cortex en nucleï
   • Als de vergelijking uit de oliva inferior niet hetzelfde is, wordt er een correctie uitgevoerd:
     1. Er gaat een fout signaal via de klimvezels naar de nucleï cerebelli en de cerebellaire cortex lopen
     2. In de cortex ontstaat er een verandering van de effectiviteit van de synapsen → "leren"

Er is dus een rubro-olivaire baan en een olivo-cerebellaire baan (de klimvezels).