Motoriek: van regelsystemen en anatomie tot behandelprincipes · Motoriek: van regelsystemen en...

60
Motoriek: van regelsystemen en anatomie tot behandelprincipes R o t t e r d a m N e u r o r e h a b i l i t a t i o n R e s e a r c h RoNeRes Prof dr Gerard M Ribbers

Transcript of Motoriek: van regelsystemen en anatomie tot behandelprincipes · Motoriek: van regelsystemen en...

Motoriek:

van regelsystemen en anatomie tot

behandelprincipes

R o t t e r d a m N e u r o r e h a b i l i t a t i o n R e s e a r c h

RoNeRes

Prof dr Gerard M Ribbers

A computational model: reaching

Hand location

Target Location

Desired displacement

Motor outflow Sensory inflow

Final state estimate end point location

Error signal

Corrective signal

Initial conditions

Intention

A computational model: reaching

Hand location

Target Location

Desired displacement

Inverse model

Motor plan

Motor outflow Sensory inflow

Final state estimate end point location

Error signal

Corrective signal

Initial conditions

Planning

Intention

A computational model: reaching

Hand location

Target Location

Desired displacement

Inverse model

Motor plan

Motor command

Motor outflow Sensory inflow

Error signal

Corrective signal

Initial conditions

Intention

Planning

A computational model: reaching

Hand location

Target Location

Desired displacement

Inverse model

Motor plan

Motor command

Continuous control

Motor outflow Sensory inflow

Forward model

Final state estimate end point location

Error signal

Corrective signal

Initial conditions Feedback module

A computational model: reaching

Hand location

Target Location

Desired displacement

Inverse model

Motor plan

Motor command

Continuous control

Motor outflow Sensory inflow

Forward model

Final state estimate end point location

Error signal

Corrective signal

Initial conditions Feedback module

Execution

Motorische aansturing: fasen van computatie

Motivatie, intentie, doelgerichtheid

Dorst, drinken, kopje (amotivationele syndromen)

Planning

Positie arm tov romp, hand tov en kopje, parameters van richting, afstand en snelheid, gegeven de (bio-) mechanische eigenschappen en redundantie van het systeem (apraxieen)

Executie

Motorische actie via RM naar extremiteit gegeven geleidingstijden en ruis (centrale parese)

Executie: feedback…. en het probleem met tempo

Executie: feedback en het probleem van tempo

Oscillaties door correctiepogingen, traag

Executie: feedforward ….. en het probleem met precisie

Executie: feedforward

Snel maar alleen

precies als:

• Ervaring (leren)

• Statische omgeving

• Afwezigheid van ruis

Executie: feedforward

Interne modellen:

• Forward model: voorspelt sensorische

consequenties van de gegeven

motorische opdracht

(tillen – gewicht; stappen - hoogte

of lengte)

• Invers model: uitgaand van de verwachte

sensorische consequentie wordt de

motorische opdracht gevormd

(reiken met paretische arm)

Snel maar alleen

precies als:

• Ervaring (leren)

• Statische omgeving

• Afwezigheid van ruis

Interne modellen

Moeten aangepast worden aan: ontwikkeling, groei, veroudering, schade (spasme, contracturen, kracht etc)

Principles of rehabilitation

Use It or Lose It

Use It and Improve It

Specificity

Repetition

Intensity Matters

Time Matters

Salience Matters

Age Matters

Transference

Inter-ference

Signaal-ruis verhouding

Signaal-ruis verhouding

Ruis interfereert met feedforward

Variaties in neurale activiteit die niet gerelateerd zijn aan de taakuitvoering

Ruis is afhankelijk van de sterkte van het signaal

gecorrigeerd door visuele en proprioceptieve feedback

precisie verlies bij snelle feedforward bewegingen

A computational model: reaching

Hand location

Target Location

Desired displacement

Inverse model

Motor plan

Motor command

Continuous control

Motor outflow Sensory inflow

Forward model

Final state estimate end point location

Error signal

Corrective signal

Initial conditions Feedback module

Functionele neuroanatomie

1. Anatomische gradienten

2. Overlappende synergieen in PMC

3. Cerebellum als voorspeller

4. Basale ganglia; bewegingsselectie en beloning

5. Parallelle routes van cortex naar RM

6. RM is meer dan relay station

Anatomische gradienten

Cognitie

Emotie

Arousal

NEO

PALEO

ARCHI

sociale interactie

vitale functies

nature

nurture

automatismen

tonus

survival

Complexe vaardigheden

Intrahemisferische organisatie: I

Intrahemisferische organisatie: II primaire schorsvelden

Intrahemisferische organisatie: II somatotopie primaire schorsvelden

Intrahemisferische organisatie: II somatotopie primaire schorsvelden

Intrahemisferische organisatie: heteromodale associatievelden

voelen horen

zien

handelen

1

1

1

1

2

2

2

2 3

Intrahemisferische organisatie en informatieverwerking:

Intra- en interhemisferische associatiebanen

connectomen

Connectomen en intramodale interhemisfersiche competitie

Nowak et al. NNR 2009

Nowak et al. NNR 2009

Connectomen en neuromodulatie

Intrahemisferische organisatie: Anatomische gradienten (motoriek)

I

II

III

I Anteroposterieur

van globaal naar specifiek

II Parallel superior

parietofrontaal

extern gemedieerd

(ideomotore apraxie)

III Premotoor mediolateraal

intern gemedieerd

(ideationele apraxie)

Anteroposterieure gradient

I Van doel naar actie en

van abstract naar specifiek

Niet sequentieel..

Anteroposterieure gradient

I Van doel naar actie en

van abstract naar specifiek

Niet sequentieel..

…. maar parallel

Parallele parietofrontale circuits

A

B

IIa Dorsale route visuele en proprioceptieve

feedback gebruikt voor doel-

gerichte handelingen (optische

ataxie)

IIb Ventrale route 1 voeding en objectvermijding

2 visual to motor transformation

bv preciesiegrip

3 (observeren van) motorisch

gedrag (Broca en

spiegelneuronen)

Functionele neuroanatomie

1. Anatomische gradienten in parietale en premotore cortex

2. Overlappende synergieen in PMC

3. Cerebellum als voorspeller

4. Basale ganglia; bewegingsselectie en beloning

5. Parallelle routes van cortex naar RM

6. RM is meer dan relay station

Overlappende synergieen in PMC

Somatotopie in primaire en in premotore cortex is relatief (mozaïek)

minder dan in primaire somatosensore cortex

grofmotorische functionele synergieen / patroonactivatie

Sterke relatie PMC en spinale motoneuronen voor de hand musculatuur

Functionele neuroanatomie

1. Anatomische gradienten in parietale en premotore cortex

2. Overlappende synergieen in PMC

3. Cerebellum als voorspeller

4. Basale ganglia; bewegingsselectie en beloning

5. Paralelle routes van cortex naar RM

6. RM is meer dan relay station

Cerebellum: functionele anatomie

Vestibulocerebellum vestibulaire kernen: balans

Spinocerebellum motore en premotore cortex:

houding, gangbeeld en proximale

extremiteiten

Neocerebellum

fijne coordinatie hand en cognitieve

specialisatie (re: woordselectie en

werkgeheugen; li: visueel geheugen

niet-verbale redeneertaken.

Cerebellum en interne modellen

Cerebellum is niet zozeer betrokken in feedback processen maar in het vergaren / aanpassen van interne modellen (feedforward)

Door cerebellaire leasies kunnen de interne modellen niet aangepast worden. Er vindt geen correctie plaats op het verschil in geplande en gerealiseerde bewegingen. Nieuwe bewegingen aanleren is bijna onmogelijk.

Functionele neuroanatomie

1. Anatomische gradienten in parietale en premotore cortex

2. Overlappende synergieen in PMC

3. Cerebellum als voorspeller

4. Basale ganglia; bewegingsselectie en beloning

5. Paralelle routes van cortex naar RM

6. RM is meer dan relay station

Basale ganglia: bewegingsselectie

-

+

Gescheiden BG-corticale circuits

(motorisch, oculomotorisch, executief

en motivationeel) : geen taak in

associatie van informatie maar in

moduleren activiteit van specifieke

corticale gebieden

fine tuning van kracht, amplitude en versnelling,

motivational drive, alertheid,

BG leasies kunnen daarom corticale symptomen

veroorzaken zoals afasie, neglect en akinetisch

mutisme

Hypokinetische beelden door te hoge BG output ->

door inhibitie thalamus te lage corticale recrutering

(hyperkinetische beelden door te lage BG output)

Basale ganglia: beloning

Hoogste dichtheid van dopaminerge neuronen

Ontladen bij anticipatie op een beloning: ‘reward circuits’

Reward circuits betrokken bij verslaving, motorisch leren en remmen / initieren van ‘overleerd’ gedrag (autorijden)

Functionele neuroanatomie

1. Anatomische gradienten in parietale en premotore cortex

2. Overlappende synergieen in PMC

3. Cerebellum als voorspeller

4. Basale ganglia; bewegingsselectie en beloning

5. Parallelle routes van cortex naar RM

6. RM is meer dan relay station

Parallelle routes van cortex naar RM: rechtstreeks

Tractus corticospinalis:

• primaire motorische cortex (handen)

• superieure parietale cortex en

premotore gebieden (romp, houding

en grove motoriek)

•10% kruist niet en er is een grote

interhemisferische interactie met

name in de superieure parietale en

premotore gebieden (contralesionale

beinvloeding van motoriek)

Parallelle routes van cortex naar RM: via de hersenstam

Projectie van cortex naar hersenstam en van

hersenstam naar RM (interneuronen &

monosynaptisch op motorneuronen), ipsi- en

bilateraal:

Tractus reticulospinalis (nauw verweven met

gehele cortex van beide hemisferen, tr.

corticospinalis, ncl fastigeus van cerebellum)

-> alternatieve toegang tot motorisch systeem via

interneuronen maar ook monosynaptisch op

motorneuronen ipsi- en bilateraal

-> vermoedelijke betrokken bij alle (grof-)

motorische activiteiten

Parallelle routes

Na een hemisferisch letsel gaat er input naar de spinale motorneuronen via de niet-kruisende corticospinale banen van de contralesionale hemisfeer en via de tractus reticulospinalis.

De input op de tractus reticulospinalis komt van grotere corticale gebieden dan de oorsprong van de tr. corticospinalis. De ipsilesionale hemisfeer kan output naar de spinale neuronen genereren zelfs als de totale tr. corticopsinalis is ‘uitgeschakeld’.

Functionele neuroanatomie

1. Anatomische gradienten in parietale en premotore cortex

2. Overlappende synergieen in PMC

3. Cerebellum als voorspeller

4. Basale ganglia; bewegingsselectie en beloning

5. Parallelle routes van cortex naar RM

6. RM is meer dan relay station

RM is meer dan relay station

De grote meerderheid van de tr. corticospinalis en reticulospinalis projecteert op interneuronen in de zona intermedia alwaar ze interacteren met reflexroutes.

Spinale reflexen dragen tot 40% bij aan de kracht bij willekeurige bewegingen.

Fysiologie

Parese

Apraxie

Ataxie

Parese

Verminderd vermogen om bewust de spinale motoneuronen te activeren

Krachtsverlies, spasticiteit, verlies van geïsoleerde motoriek, motorische planningsproblematiek, geassocieerde bewegingen

Behandelen van een parese

Priming

Verhogen prikkelbaarheid en stimuleren plasticiteit voor therapie

Augmenting

Stimuleren willekeurige spieraanspanning tijdens therapie

Taakspecifiek oefenen

Behandelen van een parese: voorbeelden van priming

Mental practice

Activeren motorische programma’s

Tactiele stimulatie en passief bewegen

Richten van aandacht

Spiegeltherapie / action observation

Spiegelneuronen

Hersenstimulatie (rTMS of tDCS)

Exciteerbaarheid van corticale neuronen

Medicatie

stimulantia

Behandelen van een parese: voorbeelden van augmenting

CIMT

Herstellen balans corticale activiteit (massed practice)

Robot-assisted

Opgelegde sensorische en visuele feedback

Kosteneffectief ?

EMG biofeedback

Visuele of auditieve feedback

FES en TENS

Spieractivatie en sensorische input (niet-specifiek)

Bilateraal trainen

Interhemisferische interactie

Behandelen van een parese: het belang van taakspecifiek oefenen

Creëren van nieuwe motorische programma’s met nieuwe interne modellen (forward en inverse)

-> aanleren nieuwe vaardigheid

Apraxie

Iha begeleidend bij parese (ipsi- of contraleraal aan lesie!)

Ideationeel of conceptioneel (intern gemedieerd)

Onvermogen om in een temporele sequentie de juiste motorische programma’s te kiezen (ADL taken, koken)

Ideomotorisch (extern gemedieerd)

Onvermogen om complexe motorische handelingen te verrichten zowel bij object hantering als bij symbolische acties (salueren, blazen)

Behandelen van een apraxie

Strategietraining

Intern (verbaliseren) of extern (bv. met pictogrammen)

Foutloos leren

Fouten verhogen ruis (backward chaining)

Van observatie naar actie

Imiteren, afmaken, zelf doen

Ataxie

schade aan cerebellum, cerebellaire input of output baansystemen, spinocerebellaire tracti

falend feedforward systeem en daardoor afhankelijk van trage feedback

Behandeling ataxie

Kan nieuw feedforward systeem ‘aangeleerd’ worden?

inertie vh systeem vergroten (gewichten)

Dat was het…