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)