Motoriek 1 Mulder 2015 Final HO

6‐5‐2015

1

Motoriek 2015

Neurosystemen

Tonny MulderBMW 3de jaarNov-dec 2012

Tonny MulderPB 1e jaarMei 2015

Neuro Fysiologie Neuro Anatomie

1

Motoriek Centraal & perifeerBasale ganglia & Cerebellum

Ch 16+17+18+19

Motoriek 2015

1ste vs 2de pijn

2

1: Hst 16

2: Hst 17

3: Hst 18

4: Hst 19

6‐5‐2015

2

Motoriek 2015

Ontwikkeling van het motor systeem

Aangeboren motor programma’sSlikken, spugen, huilen, hoesten, niezen

Van 0‐15 jaarVolwassen worden van het circuitLeren door doen, spelen.

Lopen, reikenFijn controle handen en vingers.

Alles onder invloed van het sensorischesysteemEvenwichtsorgaan, ogen, spier en huidreceptoren

Motoriek 2015

Brein input

4

6‐5‐2015

3

Motoriek 20155

Brein input

Motoriek 2015

Van sensorisch naar motorcrossing the central sulcus

6‐5‐2015

4

Motoriek 2015

Motor systems

7

Motoriek 20158

6‐5‐2015

5

Motoriek 2015Penfield & Rasmussen The Cerebral Cortex of Man (1950), Redrawn by M.H. Schieber J Neurophysiol 2001

Stimulatie van de cortex in de mens

Corticale motor gebieden

Motoriek 2015

In de verdoofde aap wordt d.m.v. een microelectrode in laag 5 gestimuleerd.

‘Flick‐like’ spiertrekkingen van lichaamsdelen in de contralateralekant van het lichaam.

Grove somatotopie.

Alhoewel vanuit verschillendeplekken het zelfde lichaamsdeelbeweegt.

HC Kwan et al. J Neurophysiol 41:1120 1978, redrawn by Shieber J Neurophysiol 2001.


6‐5‐2015

6

Motoriek 2015


Motoriek 2015


6‐5‐2015

7

Motoriek 2015

Cingulate cortex

• Vertegenwoordigd het hoogstelevel van motor controle

• Besluiten over acties en hunuitkomst

• Abstract denken, besluitvormingVerwachte uitkomst van de actie

Motoriek 2015

Premotor Area

• Zelfde topografischeorganizatie als M1

• Verantwoordelijk voorcomplexe motor patronen

• Regelen van doel positiet.o.v. de hand positie en coderen van de gewenstebeweging (verplaatsen van de hand)

• SpiegelNeuronen

6‐5‐2015

8

Motoriek 2015

De ontdekking

• Ergens rond 1995 in het lab van Rizzolatti in Parma, Italie.• Onderzoeks gebied

– Motor activiteit in Premotor gebied in apen.

• De aap heeft pauze, zit stil en is nog steeds aangesloten.• Gallese neemt ook pauze en eet en drinkt wat .• Opeens vuurt het neuron.• Gallese denkt: He wat is dat?• Maar de aap beweegt niet dus de conclusie is,

– Complexe visuele reacties in het motor gebied

• Het heeft een paar jaar geduurd voordat de realisatiekwam dat het wel eens ‘mirror Neurons’konden zijn

15

Motoriek 2015

Spiegel neuronen in premotor area

16

6‐5‐2015

9

Motoriek 2015

Video

17

Motoriek 2015

Video

18https://www.youtube.com/watch?v=NZQJ_1FqddQ

6‐5‐2015

10

Motoriek 2015

F5 is Homologous to Area 44/45 of Broca’s Area

Rizzolatti and Arbib 1998

Broca's Area: Areas 44 + 45

Monkey Human

Motoriek 2015

Supplementary Motor Area

• Eveneens een topografischeorganizatie

• Verzorgd bilaterale contractie

‐ bilaterale grijp bewegingen(Klimmen)‐ attitude gerelateerde beweging‐ Fixatie bewegingen‐ Bewegingen van hoofd en ogen

6‐5‐2015

11

Motoriek 2015

Posterior Parietale Cortex

• Afstellen arm propioceptie met beeld van de hand

• Compute handpositie in zichtcoordinaten.

• Compute doelpositie in zichtcoordinaten.

Motoriek 2015

Primaire Motor Cortex (MI)

• Vezels via de ‘pyramidal tract’, cortico‐spinal tract

• Zet de gewenste beweging om in spieractivatie patronen en stuurt deze naar het ruggemerg

• Meer dan de helft van M1 codeert voorhandbewegingen en spreek spieren.

• Vuren van een enkel motor neuron veroorzaakt een specifiek patroon van beweging, maar geen specifieke spier

• Lesies leiden tot specifieke verlammingen

6‐5‐2015

12

Motoriek 2015Moran & Schwartz, J Neurophys 1999

Binnen een grijpbeweging gaat de activiteit in premotor cortex voorafaan de activiteit van de M1


Motoriek 201524

6‐5‐2015

13

Motoriek 2015

The Contributions of Posterior Parietal and Prefrontal Cortex

• Neuronal Correlates of Motor Planning (Evarts)

– “ready”‐ Parietal and frontal lobes

– “set”‐ Supplementary and premotor areas

– “go”‐ Area 6 (M1)

Motoriek 201526

Betz Celles: 5% of all motor neuronsLikely to play a role in controlling lower motor neurons in brainstem and spinla cord that innervate distal extremities

Non Betz: all other upper motor neuronsProject via corticobulbar and corticospinal tracts

6‐5‐2015

14

Motoriek 201527

• CorticoSpinal– To spinal cord

• Corticobulbar– To brainstem nuclei

– Facial movement

Motoriek 201528

• Visual guidance task

• Recording pyramidal cells

– Tuning curve for action

– Preferred direction of movement for each neuron

– All directions covered

6‐5‐2015

15

Motoriek 2015

Lesies van de perifere zenuw naar de snorharen: Motor cortex reorganizatie


Motoriek 2015

vibrissae

forelimb_

++

Corticale Buurt regios zijnverbonden via inhibitoireinterneuronen.

Lesies verlagen de synaptische effectiviteit van de inhibitie van het snorhaarnaar het voorpootgebied.

Stimulatie van de snorharenleidt nu tot voorpootbewegingen.

(Sensorische banen blijvenintact)


6‐5‐2015

16

Motoriek 2015

• Rechter arm amputatie, boven de pols

• TMS stimulatie van de Motor cortex

• Spier activiteit in biceps en labiiinferioris.

• De lip, en 1ste en 5de vingers wordenaangeraakt

• en evoked potentials gemeten.

Contralateral to the intact arm

Contralateral to the stump

Karl A. et al. (2001) J Neurosci 21:3609

Motor representatie van de biceps is groter contralateraal van de stomp

Corticale motor gebiedenAmputatie verandert de ‘Motor Map’

Motoriek 2015

Herorganisatie Somatosensorische cortex

32

6‐5‐2015

17

Motoriek 2015

Corticale Herorganizatie

Op 11 jarige leeftijdamputatie van rechterarm

MEG + MRI

Hand: GroenBovenarm: BlauwGezicht: rood

Ramachandran 1999

Gezonde Armrepresentatie

Geamputeerderepresentatie

33

Motoriek 2015

Corticale Herorganizatie

Ramachandran 1999

4 weken6 maanden

34

6‐5‐2015

18

Motoriek 2015

12 juni: Aftrap WK door verlamdpersoon in een exoSkelet

Motoriek 2015

Aapjes voeren?!

• Univ of Pittsburg

• Experiment only

• Ook

http://www.youtube.com/watch?NR=1&v=pz_DV7elpxw&feature=endscreen

6‐5‐2015

19

Motoriek 2015

Aapjes voeren?!

• Univ of Pittsburg

• Experiment only

• Ook

http://www.youtube.com/watch?NR=1&v=pz_DV7elpxw&feature=endscreen

Motoriek 2015

Aapjes voeren?!

6‐5‐2015

20

Motoriek 2015

Donoghue et al/Brown University

http://www.theguardian.com/science/video/2012/may/16/mind‐controlled‐robotic‐arm‐video

Multi‐Electrode developed byMcNaughton Group

Motoriek 2015

Brain‐machine interface

• Brown University New England• Experimenteel in mensen uitgetest• BrainGate

• vanaf 4:20• http://www.youtube.com/watch?NR=1&v=qOXTnNPgAX0&feature=endscreen

6‐5‐2015

21

Motoriek 2015

Motoriek 2015

6‐5‐2015

22

Motoriek 2015

. Geef de namen van de aangegeven corticale motorgebieden

• 1: premotor; 2: primair motor; 3: supplementary motor; 4: cingulaire cortex

• 1: primair motor; 2: supplementary motor; 3: premotor; 4: cingulaire cortex

• 1: supplementary motor; 2: primair motor; 3: cingulaire cortex; 4: premotor

• 1: cingulaire cortex; 2: primair; 3:supplementary motor; 4: premotor

Motoriek 2015

. Geef de namen van de aangegeven corticale motorgebieden

• 1: premotor; 2: primair motor; 3: supplementary motor; 4: cingulaire cortex

• 1: primair motor; 2: supplementary motor; 3: premotor; 4: cingulaire cortex

• 1: supplementary motor; 2: primair motor; 3: cingulaire cortex; 4: premotor

• 1: cingulaire cortex; 2: primair; 3:supplementary motor; 4: premotor

6‐5‐2015

23

Motoriek 2015

Exoskeleton

http://www.theguardian.com/science/video/2014/apr/01/robotic‐exoskeleton‐world‐cup‐debut‐video

Motoriek 2015

Exoskeleton

6‐5‐2015

24

Motoriek 2015

Motoriek 2015

6‐5‐2015

25

Motoriek 2015

Motoriek 2015

“To move is all that mankind can dofor such the sole execution is muscle,

whether in whispering a syllable or in felling a forest.”

Charles Sherrington

Sherrington introduceerde de term “synaps”

Nobel prijs in 1932

6‐5‐2015

26

Motoriek 2015

1ste vs 2de pijn

51

1: Hst 16

2: Hst 17

3: Hst 18

4: Hst 19

Motoriek 2015

Ruggemerg

6‐5‐2015

27

Motoriek 2015

Ruggemerg tentamen

1. Dit is een typische doorsnede op cervicaal niveau, maar zou ook sacraal kunnen zijn2. Dit is een typische doorsnede op thoracaal niveau , maar zou ook cervicaal kunnen zijn3. Dit is een typische doorsnede op sacraal niveau, maar zou ook lumbaal kunnen zijn4. Dit is een typische doorsnede op lumbaal niveau , maar zou ook cervicaal kunnen zijn

Motoriek 2015

Ruggemerg

6‐5‐2015

28

Motoriek 2015

Van Ruggemerg naar de spier

• Motor Neuron

55

Molnar & Brown, NNR, 2010

Motoriek 2015

1ste vs 2de pijn

56

6‐5‐2015

29

Motoriek 2015

1ste vs 2de pijn

57

Motoriek 2015

Motoriek

58

Postural controlMaintenance of balance

Execution of skilled behavior

6‐5‐2015

30

Motoriek 2015

Motoriek

59

Medial local circuit neuronsLong distanceProject to many spinal cord segmentsBilateralPostural controlRhythmic movements upper and lower limbsMaintenance of balance

Lateral local circuit neuronsShort distanceProject to a few spinal cord segmentsipsilateralExecution of skilled behavior

Motoriek 2015

Ruggemerg: Reflexboog

6‐5‐2015

31

Motoriek 2015

Motoriek

61

Sherrington: Motor‐unit

Motoriek 2015

Mediale septum

Nucleus diagonale band van Broca

Acetylcholine synthese

6‐5‐2015

32

Motoriek 2015

Detail nucleus diagonale band van Broca

Motoriek 2015

The structure of the nACh synaps

No reuptakeBut acetylcholine esterase

Organophosphates block acetylcholine esterase

SARIN!Neuromusculaire verlamming

6‐5‐2015

33

Motoriek 2015

Myasthenia Gravis

Autoimmuun ziektenACh receptoren op de spieren worden aangevallen

MEPP: End plate potentials

Motoriek 2015

Motoriek

66

Sherrington: Motor‐unit

6‐5‐2015

34

Motoriek 2015

Two types of motorneurons

67

Alpha motor neuronsExtrafusal muscle fibersStriated muscle fibersGenerate forces needed for posture and movement

Gamma motor neuronsIntrafusal muscle fibersCombined with sensory input that send information about the length of the muscle.

Setting of appropriate muscle length

Motoriek 2015

Motor unit types: Size principle

68

Slow motor units (S, 25% of total): sustained – upright positionFast Fatiqable resistant motor units (FR): intermediateFast Fatiqable motor units (FF): brief but large forces: jumping

6‐5‐2015

35

Motoriek 2015

Regulation of muscle force: Size principle

69

Motoriek 201570

Regulation of muscle force

Hand spieren

6‐5‐2015

36

Motoriek 201571

Stretch reflexes

Muscle spindlesSensory receptors OutputGamma motor neuron Input

Reflex adjustments

Ia: Phasic response to small stretches

II: sustained fiber stretchHz in proportion to degree of stretch

Motoriek 2015

Stretch reflex

72

6‐5‐2015

37

Motoriek 2015

Motoriek

73

Geen direct control mogelijkSpindle heeft ‘signaalgat’

Door ook de spindle aan te spannen (Gamma motor neurons) blijf je controle houden over de actie. Veel betere controle bij moeilijke bewegingen

Gamma motor activity Gain afhankelijk van gewenste activiteit

Motoriek 2015

Golgi tendon organ

74

Stretch, veel activiteit in Spindlesweinig activiteit verschil in golgi tendon

6‐5‐2015

38

Motoriek 2015

Golgi tendon organ

75

Contraction, weinig activiteit in SpindlesVeel activiteit in golgi tendon

Golgi tendon: Negative feedback system regulating muscle tension.

Via Ib naar inhibitory interneuronsProtection of the muscle!

Motoriek 2015

Motoriek

76

6‐5‐2015

39

Motoriek 2015

Feedback

77

Muscle Spindle system:Feedback system (Ia, II afferents)Monitors and maintains muscle length

Golgi tendon systemFeedback system (Ib afferents)Monitors and maintains muscle force

Motoriek 2015

Arm prothese

• Univ of Rome

• http://www.youtube.com/watch?v=ppILwXwsMng&feature=related

6‐5‐2015

40

Motoriek 2015

Motoriek

79

ReflexBoog‐ Interactie tussen Flexor en Extensor in beide benen‐ Anders val je om!

Motoriek 2015

Central pattern generators

6‐5‐2015

41

Motoriek 2015

Central pattern generators: Leech

Dorso ventrale beweging

Motoriek 2015

Central pattern generators Lamprey

Laterale beweging

6‐5‐2015

42

Motoriek 2015

Central pattern generators Lobster

Two rhythmic movements of lobster gutOnly if information from sensory systemGastric Mill movement : Grinding the foodPyloric movement: Transport food to hind gut

Motoriek 2015

Central pattern generators (CPGs)

• Voorgeprogrammeerde microcircuits voor een specifieke taak

84

6‐5‐2015

43

Motoriek 2015


• Voorgeprogrammeerde microcircuits voor een specifieke taak

85

Motoriek 2015

Motoriek

86

6‐5‐2015

44

Motoriek 2015


• ‘Decerebrate’ cat: Hersenstam‐ruggemerg intact

87Decerebrate cathttp://www.youtube.com/watch?v=wPiLLplofYw

Motoriek 2015

Subcorticale motor patronen

• Hypothalamus– Autonome functies

• Temperatuur regulatie

• Voedsel en water inname

• Motor programma’s om het te krijgen

• Basale Ganglia– Initiatie van motor gedrag

– Twee regio’s• Input gebied: dorsaal en ventraal striatum, GABAerg, stil tijdensrust periodes, inhibeert het pallidum

• Output gebied: pallium, GABAerg, actief tijdens rust periodes

• Ziekte van Parkinson, Geen Dopamine (Substantia nigra, VTA)

88

6‐5‐2015

45

Motoriek 2015

1ste vs 2de pijn

89

1: Hst 16

2: Hst 17

3: Hst 18

4: Hst 19

Motoriek 2015

De BASALE GANGLIA verzorgen de selectieen initiatie van (doelgerichte) bewuste

bewegingssequenties

Het CEREBELLUM is de ‘fine tuner’ van

kleine fijne bewegingen

(met name van de vingers).

Basale ganglia en cerebellum

6‐5‐2015

46

Motoriek 2015

Functie van de basale ganglia

Basale ganglia zijn betrokken in de

regulatie van doel gerichte vrijwillige

bewegingen:

• Motor learning

• Motor pattern selection

Motoriek 2015

Basal Ganglia

NeostriatumCaudate nucleusPutamenVentral striatum (nucleus accumbens)

PaleostriatumGlobus pallidus external segment (GPe)Globus pallidus internal segment (GPi)

Substantia NigraPars compacta (SNc)Pars reticulata (SNr)

Subthalamic nucleus (STN)

6‐5‐2015

47

Motoriek 2015

Basal Ganglia


Corpus Striatum: Striped Body

Motoriek 2015

Basal Ganglia


6‐5‐2015

48

Motoriek 2015

Basal Ganglia





Motoriek 2015

Basal Ganglia





6‐5‐2015

49

Motoriek 2015

Basal Ganglia





Motoriek 2015

Input van basaleganglia

6‐5‐2015

50

Motoriek 2015

Lateral view Medial view

Corticale input van de Basale ganglia (blauw)

Motoriek 2015

Neuronen van de basale ganglia

6‐5‐2015

51

Motoriek 2015

Dopamine Neurons and their projections

Synthese: Substantia nigra (SN) Ventral tegmental area (VTA).

Projectiebanen,1) nigro-striataal2) mesocorticaal3) meso-limbisch

MotivationRewardReinforcement

Reuptake via DATCocaine, Amphetamine

Dopamine: Metabotropic receptors

Motoriek 2015

Dopamine synthese gebieden

VTA

Substantia nigra

6‐5‐2015

52

Motoriek 2015

Dopamine projectie gebied

Motoriek 2015

Smith and Bolam 1990

Synaptic input to and output from striatal medium spiny neurons

Hyman & Malenka 2001

6‐5‐2015

53

Motoriek 2015

Medium spiny neuron projecties

Motoriek 2015

Output via thalamus naar cortex

6‐5‐2015

54

Motoriek 2015

Basal ganglia Motor loops

Motoriek 2015

Input Output and internal circuitry

6‐5‐2015

55

Motoriek 2015

Motoriek 2015

Regulatie van oogbewegingen

6‐5‐2015

56

Motoriek 2015111

Motoriek 2015112

6‐5‐2015

57

Motoriek 2015113

Motoriek 2015114

6‐5‐2015

58

Motoriek 2015

Cortex

VA/VL

GPi/SNr

Striatum

Modified from Wichmann and Delong, Curr Opin Neurobiol. 6:751-758, 1996.

* * tonically active~100 Hz

GPe

STN

*

Direct pathway

Excitation (glutamate)

Inhibition (GABA)

Motoriek 2015

Direct pathway

Brain stem/Spinal cord

VA/VL

Striatum


Direct pathway:facilitatesmovement


GPe

STN

*Disinhibition

Cortex

GPi/SNr


Inhibition (GABA)

6‐5‐2015

59

Motoriek 2015

Disinhibition


VA/VL

Striatum



STN

*

Indirect pathway:inhibitsmovement

Cortex

Indirect pathway

GPe

GPi/SNr


Inhibition (GABA)

Motoriek 2015

Cortex


VA/VL

GPi/SNr

Striatum


Direct pathway:facilitatesmovement


GPe

STN

*

Indirect pathway:inhibitsmovement

D1D2

SNc


Inhibition (GABA)

6‐5‐2015

60

Motoriek 2015

Cortex


VA/VL

GPi/SNr

Striatum

GPe

STN

*

Motoriek 2015

Gerfen Nat. Neurosci. 2006

Direct and indirect pathways in mouse brain

6‐5‐2015

61

Motoriek 2015

Hypokinetic disorders

• insufficient direct pathway output

• excess indirect pathway output

Hyperkinetic disorders• excess direct pathway output

• insufficient indirect pathway output

Motor behavior is determined by the balance between direct/indirect striatal outputs

Motoriek 2015

Parkinson’s disease

PathophysiologyPrimary: loss of nigrostriatal DA projection

SNc

Striatum

Michael J. Fox Muhammad Ali Pope John Paul II Janet Reno Katherine Hepburn

6‐5‐2015

62

Motoriek 2015

NormalParkinson’sdisease

Motoriek 2015

PET scan in hersenen van gezonde persoon en Parkinson’s patient

Dopamine binding insubstantia nigra

6‐5‐2015

63

Motoriek 2015


Motoriek 2015


6‐5‐2015

64

Motoriek 2015

Deep Brain Stimulation

Motoriek 2015

Deep Brain Stimulation (DBS)

• Wordt op dit moment vooral succesvol toegepast bijmotorische stoornissen (Parkinson’s; Tourette).

• Vooral stimulatie van Nucleus substhalamicus is succesvol.

• Experimenteel onderzoek bij OCD (Denys), epilepsie, verslaving.

Link naar PD patient

http://www.youtube.com/watch?v=h8tWlYv1Ykc

6‐5‐2015

65

Motoriek 2015

Transplants increased striatal dopaminergic activity

Motoriek 2015

6‐5‐2015

66

Motoriek 2015

Motoriek 2015

Hyperkinetic disorders: choreatic syndromes

1. Huntington’s chorea

2. Dystonia

3. Tardive dyskinesia

4. DOPA-induced dyskinesia

5. Hemiballismus

6. Tourette’s syndrome

Causes:Genetic (autosomal dominant)

Genetic or idiopathic

Chronic neuroleptic use

Parkinson’s therapy

Unilateral vascular accident,typically subthalamic nucleus

Excessive D2-subtypeDA receptor expression(?)

Motoriek 1 Mulder 2015 Final HO

Documents

Transcript of Motoriek 1 Mulder 2015 Final HO