RUOLO DEL CERVELLETTO NEL CONTROLLO DEL

RUOLO DEL CERVELLETTO NEL CONTROLLO DEL MOVIMENTO
considerazioni fisiologiche
Prof. Paolo CAVALLARI
Cattedra d Fisiologia Umana
Dipartimento di Medicina, Chirurgia e Odontoiatria - Polo Didattico San Paolo
Università degli Studi di Milano
cervelletto: istologia
Jan Evangelista Purkyne, Purkinje (1787-1869)
due numeri sul cervelletto
Blinkov SM and Glezer II (1968)
The Human Brain in Figures and Tables, New York, Plenum Press
1200-1400 g
Escalona PR et al (1991)
Am J Neuroradiol 12:927-9
104-122 g
Number of Purkinje cells = 15-26 million
Number of synapses made on a Purkinje cell = up to 200,000
microstruttura della corteccia cerebellare
Folium
Molecular layer
Purkinje cell layer
Folium
Granule cell layer
White matter
microstruttura della corteccia cerebellare
•
•
•
esterno
tre strati:
– molecolare
– Purkinje
– granulare
fibre:
– rampicanti (olivari)
– muscoidi (non olivari)
– parallele
M
P
rampicanti
G
muscoidi
uscita:
– cellule di Purkinje
sostanza bianca
fibre afferenti
microstruttura della corteccia cerebellare
le cellule del cervelletto
cellule di Purkinje
• ogni cellula di Purkinje riceve una fibra rampicante, che
può formare fino a 26,000 contatti sinaptici con il suo
albero dendritico
• ogni cellula di Purkinje cell riceve inoltre circa 175,000
contatti sinaptici dalle fibre parallele (nel ratto)
• ogni fibra parallela prende contatto con numerosissime
cellule di Purkinje
• gli assoni delle cellule di Purkinje costituiscono la
principale via efferente del cervelletto, attraverso i nuclei
cerebellari.
microstruttura della corteccia cerebellare
le cellule del cervelletto
Le cellule dei granuli sono ecitatorie ed utilizzano glutammato
come mediatore sinaptico
Sono attivate dalle fibre muscoidi
Gli assoni delle cellule dei granuli costituiscono il sistema delle
fibre parallele
microstruttura della corteccia cerebellare
le cellule del cervelletto
cellule stellate
cellule a canestro
localizzate nello
strato molecolare
le cellule di Golgi sono localizzate nello strato
granulare; il loro assone, insieme alle fibre
muscoidi e ai dendriti delle cellule dei granuli
costituiscono il glomerulo.
la circuiteria
Parallel fibers
St
P
GABA
GABA
Mossy fibers
Gr
Spinal cord and brain stem
P
Climbing fibers
G
B
From inferior olivary nucleus
Deep cerebellar
nuclei
B: Basket cells
Gr: Granule cells
G: Golgi cells
P: Purkinje cells
St: Stellate cells
Dendrites
Excitatory
Inhibitory
microstruttura della corteccia cerebellare
microstruttura della corteccia cerebellare
cellule di Purkinje: spikes semplici e complessi
cervelletto: fisiologia
funzioni del cervelletto
• integra varie forme di informazioni sensoriali per rendere
armonico ed accurato il movimento volontario
• modula il comando motorio e controlla velocità e traiettoria
di un movimento
• controlla il tono muscolare, la postura e l’equilibrio
• controlla la produzione verbale
• è necessario per alcune forme di apprendimento motorio
attività dei nuclei cerebellari
• i neuroni del fastigio sono attivati selettivamente durante la
locomozione
• i neuroni dell’interposito scaricano quando la posizione di un arto viene
alterata da una forza transiente, per compensare e correggere il
movimento
• l’attività neuronale del dentato precede l’inizio del movimento ed è
attivato dall’associazione mentale con stimoli visivi o uditivi
effetti di lesioni dei nuclei cerebellari
normal
lesioned:
excessive
angulation of
shoulder; target
overshoot
arm tremor during reaching;
lack of coordination in the
agonist-antagonist muscles
deficits in standing and walking
deficits in reaching and
pinching; decomposition of
movement
scarica neuronale durante il movimento attivo
movimento rapidi in risposta a stimolo visivo
← inizio del movimento
← sviluppo del movimento
scarica neuronale durante il movimento attivo
mantenimento di una posizione costante + disturbo
← riflesso da stiramento
scarica neuronale durante il movimento attivo
componente riflessa
componente volontaria
uomo
scimmia
EMG del m. bicipite
neuroni del dentato
effetti di lesioni cerebellari
un paziente portatore di una lesione all’emisfero cerebellare sinistro
è sottoposto ad un test in cui deve allungare due molle,
con la mano destra e con la mano sinistra, e manterele stirate
la mano destra, lato sano, si muove
rapidamente ed accuratamente, mantenendo
la molla stirata in modo opportuno
la mano sinistra, lato patologico, inizia il
movimento con ritardo, si muove lentamente,
compie numerosi aggiustamenti, oltrepassa
la mira e non riesce a mantenere la molla
stirata
Time
sincronizzazione dell’attività degli antagonisti
risposte oscillatorie nel movimento volontario
mantenimento di una posizione costante + disturbo
movimento volontario
Villis T and Hore J (1977) J Neurophysiol 40:1214-1224
risposte oscillatorie durante un movimento riflesso
riflesso tendineo in un soggetto sano (A) ed in un paziente cerebellare (B)
atassia cerebellare (adiadococinesi)
scarica tonica a riposo
inibizione
scarica tonica a riposo
inibizione
atassia cerebellare (adiadococinesi)
movimenti di inseguimento nell’atassia cerebellare
normale
patologico
normale
patologico
atassia da ingestione di alcool
cervelletto e controllo posturale
A
B
cervelletto e controllo posturale
tennis e cervelletto: coordinazione occhio-mano
coordinazione occhio-mano
RC Miall, GZ Reckess, H Imamizu (2001) Nature neuroscience, 4(6):638-644
coordinazione di più segmenti: mano-piede
lesioni
agli emisferi
lesioni
vermiane
e
paravermiane
coordinazione di più segmenti: mano-piede
lesioni
agli emisferi
lesioni
vermiane
e
paravermiane
apprendimento di movimenti nuovi
apprendimento motorio (correzione di un errore)
Martin TA et al (1966a,b) Brain 119:1183-1198;1199-1211
apprendimento motorio (correzione di un errore)
Martin TA et al (1966a,b) Brain 119:1183-1198;1199-1211
apprendimento motorio (correzione di un errore)
Martin TA et al (1966a,b) Brain 119:1183-1198;1199-1211
apprendimento motorio (regolazione di guadagno)
apprendimento motorio (regolazione di guadagno)
sopressione VOR
flocculo
con fissazione
can. sem.
movimento occhi
al buio
movimento testa
apprendimento motorio (regolazione di guadagno)
Optican and Robinson (1980)
J Neurophysiol 44(6):1058-76
vie del riflesso condizionato dell’ammiccamento
effetto di lesioni cerebellari sul riflesso condizionato
attività dell’interposito durante il condizionamento
disaccoppiati
tono
accoppiati
giorno 1
tono
soffio
giorno 2
tono
soffio
soffio
120 trials
120 trials
funzioni cognitive
•
studi PET e fMRI, nell’uomo, hanno dimostrato siti di attivazione del
cervelletto dutrante compiti cognitivi
•
adulti e bambini portatori di lesioni confinate al cervelletto soffrono di
alterazioni affettive e cognitive (deficit di working memory, disturbi visuospaziali, mutismo, problemi intellettivi)
•
il cervelletto sembrerebbe implicato sia nell’autismo che nella
schizofrenia
funzioni cognitive (discriminazione sensoriale)
JH Gao et al. (1996) Science, 272:545 - 547
funzioni cognitive (immaginazione motoria)
funzioni cognitive (discriminazione di ritmo e melodia)
funzioni cognitive (scale vs. concerto)
funzioni cognitive (musica suonata e immaginata)