CORTEXUL CEREBRAL IMPLICAT IN CONTROLUL MOTOR Cortexul cerebral joacă un rol critic atât în planificarea cât şi în desfăşurarea mişcărilor voluntare. Arii corticale cu rol în controlul motor O primă categorie de arii corticale de control a mişcării sunt cele motorii, situate în lobul frontal. La nivelul acestora, neuronii motori centrali sunt grupaţi anatomic în hărți somatotopice. La acestea se adaugă arii de asociaţie, în special cele ale lobului parietal - neuronii din aceste arii adaptează semnalele motorii care comandă activitatea voluntară la informaţiile senzitive-senzoriale. Cortexul motor Localizare, structură Cortexul motor este situat anterior de șanțul central Rolando și ocupă treimea posterioară a lobilor frontali. Cortexul cerebral motor conține 6 straturi celulare, în care neuronii sunt organizați în coloane verticale. Aferențele cortexului motor se termină în straturile I-IV. Neuronii stratului V reprezintă originea fasciculului corticospinal, iar cei din stratul VI asigură conexiunile cu neuronii aparținând altor coloane sau altor arii corticale cerebrale. Cu toate similitudinile de structură cu alte zone corticale, cortexul motor are trăsături citoarhitectonice distincte: celulele stratului V au dimensiuni mari (celulele Betz), iar neuronii stratului IV, care primesc aferențe talamice, sunt mult mai puțin numeroși decât în alte arii. Ca și în oricare altă zonă a neocortexului, unitatea de bază pare să fie o coloana verticală cu diametrul de 50 micrometri și care conține mii de neuroni. O coloană controlează un grup de mușchi sinergici, sau, uneori, un singur mușchi. Pentru contracția unui mușchi, este trimis inițial un semnal puternic de la scoarță. Apoi activitatea musculară este susținută prin semnale mai slabe. Fiecare coloană conține 2 populații de neuroni piramidali: dinamici, activi pentru o scurtă perioadă la începutul mișcării, și care dezvoltă forța necesară contracției, și statici, activi la o rată mai joasă pe tot parcursul mișcării și care mențin forța contracției. Coloane alăturate de neuroni pot fi grupate pentru producerea unei secvențe complexe de mișcare. Organizare Cortexul motor este împărțit în arii, și anume: cortexul motor primar, aria premotorie și aria motorie suplimentară. Fiecare din acestea prezintă o reprezentare topografică a diferitelor grupe de mușchi și a
tipurilor de mișcare comandate. La acestea se adaugă 3 arii motorii cingulate. Toate acestea trimit fibre la neuronul motor periferic, prin fasciculele corticopsinale. Cortexul motor primar Cortexul motor primar coprespunde ariei 4 a lui Brodmann și ocupă circumvoluțiunea frontală ascendentă, situată anterior de șanțul central. Aceasta începe lateral, în fisura sylviană, se întinde superior până în porțiunea superioară a feței laterale a emisferelor cerebrale și apoi plonjează în fisura longitudinală. La nivelul ariei motorii, există o reprezentare topografică a trupului, numită homunculus motor. Homunculusul motor este o imagine răsturnată, cu excepția feței, și disproporționată, a hemicorpului contralateral. Suprafața ocupată de un anumit segment al corpului depinde de diversitatea, complexitatea și finețea miscarilor comandate. Musculatura mâinii, a regiunii circumorale și a limbii au reprezentările cele mai extinse - mai mult de jumătate din suprafața ariei motorii primare este destinată controlului mușchilor mâinii și a celor implicați în vorbire. Date mai recente sugerează o organizare mai complexă a arie motorii primare decât s-a considerat iniţial. Astfel, o anumită mişcare a unei articulaţii poatte fi evocată de coloane diferite de neuroni, răspândite aria motorie primară. Este de remarcat ca zonele de reprezentare a diferitelor segmente ale corpului se suprapun parțial, iar activitatea neuronală in aria motorie primară este largă în timpul mișcărilor naturale, chiar și în cazul acelora ale unui singur segment de membru, ca urmare a caracteristicilor de organizare a ariei motorii primare. Aceste caracteristici sunt: - Convergența eferențele ariei motorii primare, oriunde își au originea, converg pe neuronul motor periferic - Divergența eferențele unui singur neuron motor cortical diverg spre multipli neuroni motori care pot inerva un singur mușchi sau se pot distribui la mai multe niveluri spinale - Conexiunile orizontale deși unele din colateralele axonilor din stratul V se extind doar pentru 1-2 mm, altele se pot extinde de-a lungul reprezentării unui întreg membru, si conectează segmentele proximale si distale ale membrului respectiv Stimularea electrică a ariei motorii primare la indivizi conștienți determină mișcări distincte care implică contracția unui mușchi sau a unui grup de mușchi din jumătatea contralaterală a corpului, cu excepția actelor motorii ale palatului, faringelui, maseterilor și uneori a limbii, care se contractă bilateral. Spre deosebire de zonele cu reprezentare topografica extinsă, în care stimularea electrică punctiformă
produce contractia unui singur muschi, în zonele cu reprezentare topografica mai restrânsă, același tip de stimulare produce o anumită mișcare și nu contracția unui singur mușchi. Astfel, neuronul excitat declanșează un anumit tipar de contracție, care implică activitatea unui grup de mușchi, fiecare cu contribuția sa la realizarea mișcării. Efectele lezării ariei motorii primare includ paralizie contralaterală, posibil reversibilă, sau hemiplegie atunci când sunt aociate cu leziuni ale ariei 6. Aria 4S (supresoare) este o arie îngustă situată anterior de aria 4, și care inhibă impulsurile trimise de aria 4, ceea ce previne mișcările exagerate. Aria motorie suplimentară Aria motorie suplimentară este amplasată în principal în fisura longitudinală, dar se întinde și pe fața laterală a lobilor frontali, imediat anterior de aria primară și superior de aria premotorie. Prezintă și ea o reprezentare topografică a corpului, dar homunculusul este mai puțin detaliat. Aria motorie suplimentară operează în raport cu reprezentările interne. Pentru a produce un răspuns motor, intensitatea stimulării electrice a acestei arii trebuie să fie mai mare decât în cazul ariei motorii primare. Răspunsurile evocate pot include mişcări discrete, similare celor produse de aria motorie primară, dar, în general, mişcările comandate sunt mai complexe: vocalizare, reacţii posturale complexe. Întrucât contracţiile generate sunt bilaterale, rezultă că această arie realizează un control al mușchilor din ambele jumătăți ale corpului. Aria motorie suplimentară functioneaza impreuna cu aria primară și cea premotorie, și are rol în vorbire, în controlul musculaturii antigravitaționale, în miscarile pozitionale ale bratelor si ochilor și în producerea unor mișcări coordonate, corelate ale mâinilor. Faptul că aria motorie suplimentară este activată în momentul în care intenționăm să efectuăm o mișcare sugerează că este implicată în planificarea actelor motorii. Aria premotorie Aria premotorie corespunde ariei 6 a lui Brodmann, și este situată anterior de cortexul motor primar, față de care este de 6 ori mai mare. Inferior se extinde până în șanțul lui Sylvius, iar superior până în fisura sagitală. Această arie prezintă imagini topografice ale corpului. Astfel, ea poate fi împărţită într-o diviziune dorsală APMd, care conţine o hartă relativ completă a corpului, asemenatoare cu aria primara, cu mai puține detalii, şi o diviziune ventral APMv, care conţine reprezentările braţelor şi feţei şi o zonă foarte restrânsă reprezentând piciorul. Diferenţele între cele 2 diviziuni sunt acelea că APMv pare să fie
specializată în controlul feţei şi membrului superior şi conţine o reprezentare largă a muşchilor distali, iar APMd conţine o largă reprezentare a muşchilor proximali. Spre deosebire de aria motorie, a carei stimulare produce tipare de mișcare distincte, funcțiile ariei premotorii sunt similare cu acelea ale ariei motorii suplimentare. Astfel, excitarea electrică de intensitate ridicată a acestei arii generează raspunsuri motorii complexe, cum sunt rotația globilor oculari, a capului și a trunchiului spre partea opusă, balansarea unor portiuni ale corpului, fixarea bilaterală a posturii, de exemplu a umerilor pentru executarea unor acte motirii bimanuale, sau a șoldului în timpul locomoției. Pentru realizarea unor astfel de mișcări, în primul rând este dezvoltată o imagerie motorie a mișcărilor complexe care urmează să fie efectuate. Apoi, într-o etapă ulterioară, în funcție de imaginea mișcării produsă anterior, sunt generate topare de mișcare necesare realizării planului motor. Într-o ultimă etapă,cortexul premotor trimite semnale cortexului motor primar, fie direct fie prin intermediului nucleilor bazali talamusului. Tot în cortexul premotor există NEURONII ÎN OGLINDĂ, care se activeaza atunci cand este efectuată o anumită mișcare sau când individul privește pe altcineva executand o activitate motorie. Aceste celule nervoase au rol in întelegerea actelor motorii ale altor indivizi, ca și în dobândirea unor abilități motorii noi, prin învățare. Ariile cingulate Sunt situate în şanţul cingulat la aproximativ acelaşi nivel anteroposterior cu aria motorie suplimentară. Există 3 astfel de arii, dorsală, ventrală şi rostrală, şi fiecare conţine o reprezentare topografică a corpului. Microstimularea acestor arii determină mişcări similare cu cele produse de stimularea celorlalte arii motorii. Ariile cingulate participă la luarea deciziilor, iar descărcările spontane de neuroni ale acestor arii sunt asociate cu pregătirea şi execuţia mişcărilor. Conexiunile cortexului motor Cortexul motor primeşte aferenţe din numeroase surse: - de departe, cele mai numeroase sunt cele din unesc ariile motorii între ele. Astfel ariile motorii sunt conectate bidirecţional cu o înaltă specificitate topografică. - aferenţe senzitiv-senzoriale de la cortexul parietal posterior, în principal - aferenţe de la talamus aduc informații tactile și proprioceptica și de la cerebel și nucleii bazali, necesare pentru coordonarea funcțiilor cortexului motor cu cele ale altor regiuni motorii - aferenţe de la cerebel şi nucleii bazali
. aferenţe de la nucleii intralaminari ai talamusului, cu rol de a menține nivelul general de excitabilitate a cortexului Eferenţele cortexului motor sunt reprezentate de: - Căi descendente: fasciculul corticospinal şi corticonuclear, căi descendente spre nucleul roşu şi formaţiunea reticulată - Eferenţe spre cerebel (prin punte,calea corticopontină, sau prin olivele bulbare) şi nucleii bazali - Eferenţe spre talamus Plasticitatea cortexului motor La primate, ca și la mamifere inferioare, leziuni mici la nivelul cortexului motor produc inițial paralizia mușchilor din zona coordonată. În câteva zile, paralizia se remite progresiv. Explicația rezidă în faptul că coloanele de neuroni adiacente preiau și funcția zonei lezate. Adaptabilitatea comportamentului motor Muşchi individuali sunt reprezentaţi în mai multe zone. Cu alte cuvinte, neuronii care controlează comportamentul motor formează o reţea, care cuprinde neuroni situaţi în diferite arii corticale. Interacțiunile în rețea sunt atât de flexibile, încât celulele au capacitatea să răspundă diferit în circumstanţe diferite. Această adaptabilitatea deosebită generează capacitatea ridicată de integrare a semnalelor nervoase din diferite surse, cu coordonarea armonioasă a unui număr mare de efectori variabilitatea impresionantă de planuri motorii orientate spre un scop unic capacitatea de învăţare motorie. Secveța temporală a activității în ariile motorii Cu aproximativ 1 sec înainte de declanșarea mișcării se inregistrează modificări ale activității electrice în aria motorie primară și cea suplimentară, bilateral, care cresc în amplitudine odată cu debutul mișcării. În timpul execuției amplitudinea potențialelor electrice crește și mai mult în ariile corespunzătoare somatotopic din aria motorie primară contralaterală. Neuroni din alte arii decât cea motorie primară descarcă concomitent pentru controlul parametrilor mișcării: forța, velocitatea, direcția. Arii corticale implicate în controlul unor acte motorii specifice Acestea sunt: Aria lui Broca controleaza miscarile asociate vorbirii
Aria care controleaza miscarile globilor oculari contralateral Aria care controleaza rotația capului (in aria premotorie) Aria care controlează manualitatea Cortexul cingulat Căile descendente Semnalele de la cortexul motor sunt trimise neuronului motor periferic fie direct, prin fasciculul corticospinal, fie indirect, prin căi accesorii, care implică nucleii bazali, cerebelul, trunchiul cerebral. În general, căile directe controlează mișcări distincte, detaliate, mai ales ale segmentelor distale ale membrelor. Sistemul descendent lateral curpinde fasciulele corticospinal şi corticonuclear şi fasciculul rubrospinal. Fasciculul corticospinal Fasciculul corticospinal reprezintă eferența majoră a cortexului motor. Aproximativ 30% din fibre iau naștere în aria motorie primară, 30% în ariile premotorie, motorie suplimentară şi cingulate, și 40% din ariile somatosenzitive situate posterior de șanțul central. Majoritate fibrelor fasciculului corticospinal se încrucișează la nivelul bulbului și fac sinapsa cu neuroni intermediari, câțiva se termină pe neuroni senzitiv din coarnele posterioare ale măduvei, și foarte puțini fac sinapsa cu neuroni motori α din coarnele anterioare. O parte din fibrele fasciculului corticospinal încrucișează doar la nivel spinal pentru a se termina contralateral. Fibrele fasciculului corticospinal, peste 1 milion, sunt axoni ai celulelor piramidale din stratul V al cortexului cerebral, după cum urmează: - Fibre mielinice groase, axonul celulelor Betz 3%, cu viteză de transmitere de 70 m/sec, - Fibre mielinice subțiri, axoni ai celulelor piramidale mici, care conduc semnale tonice continue la ariile motorii din măduvă 97% Unii dintre axonii celulelor Betz sunt trimişi înapoi la cortexul cerebral, şi probabil inhibă zonele adiacente ale scoarței, cu creşterea acuitatăţii semnalului. Rolurile fasciculului corticospinal sunt următoarele: coordonarea mişcărilor voluntare modularea tonusului muscular, prin intermediul substanţei reticulate modularea impulsurilor algice aferente, la poarta de intrare Impulsurile transmise prin fasciculele corticospinale activează nu doar neuronii motori α, ci și pe cei γ (coactivare).
Sistemul corticorubrospinal Nucleul roșu funcționează în strânsă asociere cu fasciculul corticospinal. Astfel, el primește aferențe de la aria motorie primară, atât prin prin fasciculul corticorubric, cât și prin colaterale ale fasciculului corticospinal. Acestea fac sinapsă în porțiunea inferioară a nucleului roșu, care conține neuroni magnocelulari. Și aceștia, ca și cei din cortexul motor, sunt de două categorii: dinamici, într-un procentaj mai ridicat decât în scoarța cerebrală, și statici. Axonii acestora formează fasciculul rubrospinal, care încrucișează și se termină fie pe neuroni intermediari, fie direct pe neuronul motor periferic. Funcția sistemului corticorubrospinal Porțiunea magnocelulară a nucleului roșu prezintă o reprezentare somatotopică a musculaturii corpului, însă aceasta nu este atât de precisă ca și cea cerebrală. Stimularea punctiformă determină contracția unui mușchi sau a unui grup mic de mușchi, așa încât fasciculul rubrospinal servește ca și cale accesorie de transmitere a unor semnale motorii distincte de la cortexul motor la neuronul periferic. Ganglionii bazali și controlul comnportamentului motor Nucleii bazali sunt structuri cenușii situate în profunzimea creierului. Anatomic, sunt reprezentaţi de neostriat, compus din nucleii caudat şi putamen, şi paleostriat, reprezentat de globus pallidus. Putamenul şi globus pallidus sunt uneori numiti nucleu lenticular. Funcţional, ganglionii bazali includ şi nucleul subtalamic (în diencefal), substanţa neagră şi nucleul pedunculo-pontin (ambele în mezencefal). Deşi nucleii bazali sunt priviţi ca având, primar, o funcţie motorie, s-a dovedit că sunt implicaţi şi în funcţii cognitive, comportament şi emoţii. Circuite ale nucleilor bazali Funcţia principală a nucleilor bazali este aceea de a modula cortexul motor, respectiv în planificarea şi execuţia mişcărilor line. Aceste funcţii sunt realizate prin intermediul circuitelor nucleilor bazali, care îi conectează cu cortexul motor. Ariile motorii se proiectează topografic în neostriat. Neostritatul trimite apoi informaţii înapoi la cortex, prin nuclei talamici, prin 2 circuite.
1. Circuitul neostriatului a. Circuitul direct - excitator Acţiunea acestui circuit este aceea de a intensificării acţiunilor motorii. Circuitul excitator pleacă de la cortexul motor, de unde informația este proiectată în neostriat. Neostriatul se proiectează inhibitor în segmentul intern al globus pallidus GPi. GPi se proiectează tot inhibitor la nucleii ventroanterior VA şi ventrolateral VL ai talamusului, care trimit semnale excitatorii la cortexul prefrontal, premotor, şi motor suplimentar. Aceste semnale influenţează planificarea motorie, şi descărcările pe calea corticospinală şi corticonucleară. Neurotransmiţătorul inhibitor este GABA, iar cel excitator este glutamatul. Acest circuit funcţionează după cum urmează: neuronii din neostriat au o activitate bazală redusă, însă sunt activaţi în cursul unei mişcări prin impulsuri care vin de la cortexul motor. Prin opoziţie, neuronii din GPi au o activitate de bază intensă. La activarea striatului, proiecţiile sale inhibitoare spre GPi scad activitatea neuronilor palidal, cu dezinhibiția VA și VL talamici și cu creșterea activității cortexului motor. b. Circuitul indirect - inhibitor Efectul net al acestui circuit este de a scădea activitatea neuronală în ariile motorii ale cortexului cerebral. În acest circuit, neostriatul se conectează inhibitor cu segmentul extern la globul pallidus GPe. GPe trimite, la rândul lui, eferenţe inhibitorii la nucleul subtalamic şi la GPi. Nucleul subtalamic se proiectează, excitator, la SNpr şi înapoi la GPi. Ca urmare, inhibiţia GPe de către neostriat produce dezinhibiţia neuronilor din nucleul subtalamic. Aceştia sunt tonic activi şi excită neuronii din GPi. În condiţii de dezinhibiţie, a neuronilor subtalamici, neuronii din GPi sunt excitaţi puternic şi, în consecinţă sunt activate proiecţiile inhibitorii ale GPi spre VA şi VL. Activitatea acestora scade, ca şi cea a neuronilor corticali pe care se proiectează. Ca şi pentru circuitul direct, neurotransmiţătorul inhibitor este GABA, iar cel excitator este glutamatul. 2. Circuitul hiperdirect Ariile motorii ale lobului frontal se proiectează excitator în nucleul subtalamic NST, iar acesta se proiectează tot excitator la GPi. Acest circuit este mai rapid decât cel cel inhibitor prin neostriat, iar proiecția mai largă. Rolul porţiunii reticulare a substanţei negre asupra neostriatului
Substanţa neagră este modulatorul principal al circuitelor nucleilor striaţi, prin neurotransmiţătorul ei, dopamina. Astfel, în afara de circuitele direct şi indirect, există o conexiune bidirecţională între neostriat şi porţiunea reticulară a substanţei negre, care uzează de dopamină ca neurotransmiţător. Dopamina acționează pe 2 tipuri de receptori: D1, excitator, exprimați în neostriat de neuronii circuitului direct, și D2, inhibitori, exprimați în neostriat de neuronii circuitului inhibitor. Astfel, SNpr exercită efecte excitatorii asupra circuitului direct şi efecte inhibitorii asupra circuitului indirect. Consecinţele globale ale acţiunii dopaminei sunt facilitarea activităţii în ariile motorii corticale, prin modificarea răspunsului neostriatului la alţi neurotransmiţători. Rolul nucleilor bazali în controlul motor Ganglionii bazali îşi exercită influenţa supra cortexului motor, şi prin acesta, asupra sistemului descendent lateral. Cicruitul hiperdirect asigură mai întâi o excitație largă, urmată de o inhibiție lentă și localizată, prin neostriat, în GPI și țintele talamo-corticale ale acestuia. Se consideră că circuitele ganglionilor bazali inhibă tonic generatoarele centrale de mișcare; când este declanșată o anumită mișcare voluntară, inhibiția tonică este indepărtată, iar mișcarea voluntară devine posibilă.