Il Muscolo

L’organizzazione gerarchica del controllo motorio
Corteccia Motoria
pianificazione e iniziazione
dei movimenti volontari
Nuclei della Base
selezione
Tronco dell’Encefalo
tono muscolare, postura, orientamento a
stimoli sensoriali, controllo della
locomozione
Cervelletto
coordinazione e apprendimento
Input sensoriale (cinestetico, vestibolare,
dolorifico, ecc)
Interneuroni
riflessi, coordinazione, locomozione
Motoneuroni
Midollo Spinale e Tronco dell’Encefalo
Muscoli
MuscoliScheletrici
Scheletrici
Muscoli Scheletrici
i Fusi Neuromuscolari
Strutture specializzate all’interno dei muscoli, sono i principali
recettori cinestetici (importanti anche i recettori dello stiramento
cutaneo, i corpuscoli del Ruffini).
Forniscono al sistema nervoso centrale due ordini di
informazione sullo stato degli arti:
Statica: Posizione.
Dinamica: Velocità di rotazione.
Sono disposti in parallelo con le fibre muscolari normali
(extrafusali), accompagnano quindi il muscolo nelle sue variazioni
di lunghezza.
Due tipi principali di fibre differiscono per le proprietà
meccaniche.
Fibra a catena di nuclei
–nuclei e sarcomeri distribuiti lungo la fibra. Hanno
proprietà visco-elastiche uniformi: se stirate
l’allungamento si distribuisce subito su tutta la fibra.
Fibra a sacco di nuclei
–nuclei raggruppati nella zona centrale della fibra,
sarcomeri alle estremità. Se stirate si allungano prima
nella zona centrale (zona elastica) e poi lentamente
riportano l’allungamento sul resto della fibra (zona
viscosa ed elastica).
gamma MN
gamma MN
Le afferenze sensoriali di tipo Ia e II hanno risposte diverse a variazioni di lunghezza del fuso.
Ia
–Risposta dinamica (alla velocità di allungamento del fuso). Dovuta al rapido allungamento elastico della zona centrale delle fibre a
sacco di nuclei, seguito da rilassamento quando la tensione si distribuisce al resto della fibra.
–Risposta statica (alla lunghezza del fuso). Dovuta all’allungamento delle fibre a catena di nuclei.
II
–Risposta statica (alla lunghezza del fuso). Dovuta all’allungamento delle fibre a catena di nuclei.
Le fibre intrafusali sono innervate da una sottopopolazione di motoneuroni, i motoneuroni gamma.
In generale contrazioni di un muscolo evocate dai motoneuroni alfa si accompagnano alla coattivazione dei motoneuroni gamma.
Questo mantiene la tensione e capacità di risposta nelle le fibre intrafusali a fronte di accorciamento del muscolo.
Inoltre, il livello di attività nei motoneuroni gamma regola la sensibilità delle risposte dei fusi (vedi figura), che può essere così
modulata (ad es. durante task motori di maggior precisione).
Gli organi tendinei del Golgi
Disposti in serie con il muscolo, segnalano la tensione
esercitata dal muscolo.
Il loro ruolo nella percezione cinestetica è incerto e
marginale rispetto ai fusi neuromuscolari.
Rispondono molto di più in seguito a contrazioni del
muscolo che a stiramento passivo.
Decerebrazione e Spinalizzazione come modelli sperimentali
La decerebrazione è una sezione completa a livello del mesencefalo.
Elimina il controllo e la modulazione dei circuiti spinali da parte delle aree superiori. Compare un aumento del tono muscolare negli
estensori degli arti: rigidità da decerebrazione. Associata a questa rigidità si ha una maggiore eccitabilità di alcuni riflessi.
La spinalizzazione è una sezione completa a livello basso toracico.
Elimina il controllo e la modulazione dei circuti spinali da parte del tronco dell’encefalo ed altre aree superiori. Inizialmente si
riducono drasticamente il tono muscolare ed i riflessi, una condizione detta shock spinale. In seguito, una riorganizzazione interna
dei circuiti spinali porta ad un ritorno del tono e dei riflessi fino alla spasticità e clono.
In entrambe i casi è possibile studiare il ruolo del midollo spinale del tronco dell’encefalo nei riflessi e nella generazione dei
movimenti ritmici stereotipati come la locomozione.
L’organizzazione somatotopica dei motoneuroni
I motoneuroni che innervano un muscolo sono organizzati in un nucleo (o pool) motorio che può estendersi su vari
segmenti spinali adiacenti.
I nuclei dei muscoli assiali e prossimali sono disposti nella zona mediale delle corna anteriori, mentre quelli dei muscoli
distali sono disposti via via più lateralmente.
il Riflesso da Stiramento (o Miotatico)
Si origina nei fusi neuromuscolari. In risposta allo stiramento
di un muscolo:
–viene contratto per via monosinaptica lo stesso muscolo
ed i suoi sinergisti.
–vengono inibiti i muscoli antagonisti tramite un
interneurone inibitorio (detto di tipo Ia) interposto tra fibra
afferente proveniente dai fusi neuromuscolari ed i
motoneuroni (via di-sinaptica).
Ha una componente dinamica mediata dalle afferenze Ia ed
una statica mediata da entrambe le afferenze Ia e II. La
componente statica coinvolge anche circuiti polisinaptici.
il Riflesso da Stiramento (o Miotatico)
La deafferentazione fa scomparire questo riflesso e
diminuire molto il tono muscolare.
Il riflesso da stiramento ha notevole importanza nel
mantenimento della postura e nella stabilizzazione delle
articolazioni durante i movimenti volontari. Costituisce un
meccanismo di feedback negativo utile al mantenimento
dello stato di allungamento muscolare.
E’ modulato a seconda delle necessità facilitando più o
meno l’attività dei motoneuroni gamma > quindi il tono delle
fibre intrafusali.
Test clinici come il riflesso patellare evidenziano patologie a
carico del sistema nervoso centrale che coinvolgono
l’eccitabilità dei motoneuroni gamma.
i riflessi di Retrazione
Mediano il rapido allontanamento da uno stimolo
nocicettivo della zona del corpo stimolata.
Nel caso di stimolo alle zone distali degli arti, porta
al reclutamento flessorio di tutte le articolazioni
ipsilaterali, accompagnate dall’estensione dell’arto
controlaterale per sostenere il peso corporeo e
mantenere l’equilibrio. In questo caso prende il
nome di Riflesso Flessorio ed Estensorio Crociato.
L’allontanamento dallo stimolo è molto preciso e
ottimizzato per ogni punto del corpo. In generale
può quindi reclutare tutti e quattro gli arti ed il
busto.
i Movimenti Ritmici Stereotipati
I circuiti nel sistema nervoso centrale che generano attività motoria stereotipata sono detti Central Pattern Generators (CPGs), o
generatori centrali di schemi motori.
Alcuni esempi:
Compito Motorio
Localizzazione dei circuiti
Locomozione
Midollo spinale (rigonfiamenti lombare e cervicale per il movimento degli arti, tutti i
segmenti midollari per i muscoli assiali). Esperimenti classici di Graham Brown (1911)
sull’animale spinalizzato hanno dimostrato che il midollo spinale può generare da solo
(anche dopo deafferentazione) il pattern locomotorio.
Respirazione
Tronco dell’encefalo (circuiti nel ponte e nel bulbo; motoneuroni sia nei nuclei craniali
che in quelli spinali).
Masticazione
Tronco dell’encefalo (circuiti nel ponte e nel bulbo; motoneuroni nei nuclei craniali).
Deglutizione
Tronco dell’encefalo (circuiti nel bulbo)
Grattamento
Midollo spinale
Eiaculazione
Midollo spinale (ciruiti nei segmenti lombo–sacrali; motoneuroni somatici ed
autonomici pre-gangliari negli stessi segmenti)
La Locomozione: i circuiti spinali generano contrazioni muscolari ritmiche coordinate
Registrazioni elettromiografiche da molti muscoli nell’uomo durante la deambulazione a diverse velocità (da Lacquaniti et al).
–I sinergisti di ogni articolazione tendono a contrarsi sincronicamente (SOLEO e GASTROCNEMIO LATERALE)
–Gli antagonisti si congraggono invece in alternanza (SOLEO e TIBIALE ANTERIORE)
I circuiti possono riconfigurarsi modificando la coordinazione fra estensori e flessori
Il gatto spinale o decerebrato esprime le varie forme di locomozione dei quadrupedi a seconda della velocità della pedana. Questa
riconfigurazione è indotta dai segnali cinestetici provenienti dagli arti. (Swing=Oscillazione o Trasferimento; Stance=Appoggio).
Organizzazione delle vie discendenti (fasci o tratti) dal tronco dell’encefalo
Formazione Reticolare Pontina e Bulbare: controllo dei movimenti soprattuto dei muscoli assiali e prossimali,
controllo della postura in feedforward, controllo della locomozione, tono muscolare. I fasci decorrono nel cordone
ventrale del midollo.
Nuclei vestibolari: riflessi vestibolo-spinali, controllo della postura in retroazione. Il fascio vestibolo-spinale decorre
lungo il cordone ventrale del midollo.
Le proiezioni da entrambe terminano nell’area mediale delle corna anteriori e della zona intermedia (controllo di
motoneuroni ed interneuroni assiali e prossimali degli arti)
Organizzazione delle vie discendenti (fasci o tratti) dal tronco dell’encefalo
Collicolo superiore o tetto ottico (mesencefalo): movimenti di orientamento del capo verso stimoli dal mondo
esterno. Il fascio collicolo-spinale decussa e decorre lungo il cordone ventrale del midollo. Termina nell’area
mediale delle corna anteriori e della zona intermedia (controllo di motoneuroni ed interneuroni assiali)
Nucleo rosso (mesencefalo): controllo degli arti anteriori insieme alla corteccia motoria, da cui riceve direttamente
segnali. Il fascio rubro-spinale decussa e decorre lungo il cordone laterale del midollo. Termina nell’area laterale
delle corna anteriori e della zona intermedia (controllo degli interneuroni distali degli arti)
Organizzazione delle vie discendenti dalla corteccia motoria
Via diretta: il Tratto Cortico-Spinale detto
anche tratto “piramidale”
–laterale, (è quello principale) che decussa a
livello delle piramidi del bulbo e scende nel
cordone laterale per il controllo dei muscoli
distali degli arti.
–mediale, rimane ispilaterale e decorre nel
cordone ventrale del midollo per il controllo dei
muscoli prossimali.
Via indiretta: il Tratto Cortico-Bulbare
–dalla corteccia motoria trasmette alla
formazione reticolare i comandi motori da
eseguire. Questa a sua volta programma gli
opportuni aggiustamenti posturali e controlla i
muscoli assiali e prossimali a livello spinale.
Va menzionato fra le vie indirette anche il
controllo corticale del nucleo rosso
mesencefalico.
Il controllo della Postura
Tenere una determinata postura, ad esempio quella eretta, richiede:
1. L’attivazione tonica dei muscoli antigravitari.
2. Una opportuna compensazione dei disturbi, che possono essere
–Prevedibili. Controllo anticipatorio (o di tipo feed-forward) mediato dalla formazione reticolare
–Imprevisti. Controllo correttivo (o di tipo feed-back) mediato dall’apparato ed i nuclei vestibolari, nonchè da riflessi
spinali che coinvolgono la cinestesi.
Regolazione del tono dei muscoli antigravitari
La formazione reticolare nella sua componente motoria è suddivisibile in due zone che lavorano in antagonismo:
–Nuclei Reticolari Pontini. Tramite il fascio reticolo-spinale pontino stimolano i nuclei motori antigravitari.
I nuclei pontini hanno elevata eccitabilità e ricevono input dai nuclei vestibolari e altre aree superiori.
–Nuclei Reticolari Bulbari. Tramite il fascio reticolo-spinale bulbare inibiscono i nuclei motori antigravitari. Ricevono
input diretto e indiretto dalla corteccia motoria. Questo input può far antagonizzare l’effetto dei nuclei reticolari
pontini e rilassare i muscoli antigravitari, oppure lasciare che prevalgano nel mantenimento della postura.
La Rigidità da Decerebrazione
Si spiega con l’eliminazione degli input superiori corticali ai nuclei reticolari bulbari e conseguente spostamento
dell’equilibrio verso i nuclei pontini e vestibolari >>> eccitazione permanente dei muscoli antigravitari.
Il Controllo Corticale del Movimento
Le vie del controllo volontario del movimento dei
muscoli assiali, prossimali e distali degli arti
provengono dalla corteccia motoria.
Vie dirette:
Corticospinale (le fibre si riuniscono nelle piramidi
bulbari e sono dette anche tratto piramidale)
La maggior parte traversa la linea mediana scende
nel tratto corticospinale laterale e proietta nella zona
laterale del midollo (controllo distale degli arti
contralaterali); la parte rimanente scende nel tratto
corticospinale ventrale e proietta medialmente e
bilateralmente (controllo assiale e prossimale)
Corticobulbare; ai nuclei motori cranici
Vie indirette:
Cortico–Rubro–Spinale (controllo distale degli arti)
Cortico–Reticolo–Spinale (controllo assiale e
prossimale degli arti)
Effetti di lesioni alla corteccia motoria o vie corticali discendenti
Flaccidità muscolare contralaterale specifica a seconda della zona lesionata (vedi organizzazione somatotopica)
Gli effetti più gravi sono a carico del controllo della muscolatura distale in quanto quella assiale riceve input bilaterale.
Dopo la fase acuta si ha un recupero del tono (come dopo shock spinale) con segni particolare fra cui:
Sindrome del Babinski
Spasticità, iper-riflessia e clono (disinibizione dei centri del tono posturale nel tronco dell’encefalo)
Perdità del controllo dei muscoli distali della mano e delle dita (i movimenti di precisione in cui la corteccia gioca un ruolo
più diretto sono compromessi)
La Corteccia Motoria
Le principali aree sono:
–Area Motoria Primaria M1
–Area Premotoria (dorsale e ventrale)
–Area Motoria Supplementare
Ogni area contiene una rappresentazione o
mappa motoria del corpo.
Attacchi epilettici focali che coinvolgono la
corteccia motoria primaria (Jacksoniani):
Contrazioni che progrediscono lungo il corpo
seguendo il percorso dell’attività parossistica
lungo la mappa corticale (es. dita, mano,
braccio, spalla, viso).
Esperimenti di Penfield (1930) durante
neurochirurgia in pazienti umani.
Stimolazione elettrica della superficie
corticale >>> osservazione dei muscoli
reclutati. Rappresentazione come omuncolo
motorio.
L’Area Motoria Primaria, la Premotoria e la Motoria Supplementare
INPUT
–L’area motoria primaria dalla motoria supplementare (SMA) ed aree premotorie dorsale (PMd) e ventrale (PMv)
–Aree Corticali Somatosensoriali (S1) ed Area Associativa Parietale Posteriore (5 e 7; integrazione sensoriale multimodale)
–Aree della corteccia prefrontale (memoria spaziale)
Area Premotoria e Motoria Supplementare sono inoltre fortemente interconnesse fra loro.
Tutte le aree della corteccia motoria ricevono anche input subcorticali da:
–Nuclei della Base (selezione)
–Cervelletto (apprendimento motorio, supervisione e correzione del movimento)
OUTPUT
–Contribuiscono tutte alle vie cortico-bulbari e cortico-spinali dirette e indirette.
–Nuclei della base
–Cervelletto.
Le mappe somatotopiche motorie sono soggette a plasticità da lesione
Esperimenti sul ratto in cui dimostrano riorganizzazione dell’area motoria primaria in seguito a lesione del nervo cranico
VII (facciale) contralaterale. Questa lesione abolisce l’input sensoriale dalle vibrisse sul muso dell’animale.
Area Motoria Primaria
Area in cui la stimolazione elettrica evoca contrazione muscolare con la soglia più bassa.
Neuroni piramidali giganti del V strato corticale (cellule di Betz) proiettano con l’assone verso il bulbo e midollo spinale
(fibre del tratto piramidale). Gli assoni grandi e mielinizzati conducono il potenziale d’azione molto rapidamente.
A livello spinale contattano più di un nucleo motorio:
Nuclei Subcorticali coinvolti nella Regolazione di molte attività della Corteccia
Formano un anello di retroazione
Corteccia>Nuclei>Talamo>Corteccia
che modula l’attività corticale.
Aree corticali che proiettano ai nuclei della base
Anatomia
Nuclei di ingresso
Lo Striato: Putamen e Nucleo Caudato (riceve proiezioni cortico-striatali glutamatergiche)
Sostanza Nera zona compatta SNc (riceve proiezioni da varie zone cerebrali e modula l’attività dello striato )
Nuclei intermedi
Globo Pallido segmento esterno GPe, Nucleo Subtalamico NST
Nuclei di uscita
Globo Pallido segmento interno GPi, Sostanza Nera zona reticolata SNr
Il circuito interno ai gangli della base (semplificato)
Nuclei di ingresso
Lo Striato: Putamen e Nucleo Caudato (riceve proiezioni cortico-striatali glutamatergiche)
Sostanza Nera zona compatta SNc (riceve proiezioni da varie zone cerebrali e modula l’attività dello striato )
Nuclei intermedi
Globo Pallido segmento esterno GPe, Nucleo Subtalamico STN
Nuclei di uscita
Globo Pallido segmento interno GPi, Sostanza Nera zona reticolata SNr
L’uscita dei Nuclei della Base è Inibitoria!
L’anello motorio è organizzato in maniera somatotopica
Il controllo di diverse parti del corpo si mantiene
segregato a ciascun livello del circuito:
Corteccia Motoria
>Putamen
>Globo Pallido e Nucleo Subtalamico
>Talamo (Nuclei Ventro-anteriori e Ventro-laterali)
>Corteccia Motoria, principalmente area motoria
supplementare (SMA). I nuclei della base infatti
regolano soprattuto i movimenti eseguiti su
iniziativa interna e non in risposta a stimoli
esterni.
Neuroni e Convergenza Attraversi i Nuclei della Base
1. Neuroni detti ‘medium spiny’ nello Striato ricevono gli input corticali su sinapsi poste lungo i dendriti. Su un neurone
medium spiny convergono migliaia di neuroni corticali. In prossimità delle stesse sinapsi agiscono le fibre dei neuroni
dopaminergici della Sostanza Nera zona compatta SNc (modulano l’input sinaptico cortico-striatale).
Interneuroni locali dello Striato agiscono sui dendriti prossimali influenzando così l’integrazione dei pontenziali sinaptici di
origine corticale.
2. I neuroni medium spiny sono gabaergici (inibitori) e si dividono in due gruppi a seconda della proiezione:
–Via diretta al globo pallido segmento interno GPi
–Via indiretta al globo pallido segmento esterno GPe
3. C’e una notevole convergenza attraverso i nuclei della base
Via Diretta e Indiretta
Via Diretta
Via Indiretta
Neurotrasmettitori:
GABA (inibitorio)
Glutammato (eccitatorio)
Modulatori:
Dopamina DA (eccitatorio sulla via diretta ed inibitorio
su quella indiretta)
Gli aspetti del controllo motorio cui partecipano i Nuclei della Base
Iniziazione di movimenti, particolarmente quelli eseguiti su decisione interna
–molti neuroni dei Nuclei della Base si attivano prima dell’effettivo movimento (durante la fase di programmazione) in
modo analogo a quello dell’area motoria supplementare (SMA)
–il rilascio della tonica inibizione specifico ai movimenti che si intende eseguire non evoca automaticamente i movimenti
ma ‘apre il canale’ e ne permette la successiva espressione.
Esecuzione fluida di movimenti complessi
–contemporaneamente alla disinibizione del movimento da eseguire, si aumenta l’inibizione di altri tipi di movimenti
antagonisti o indesiderati
Il Modello spiega la Sintomatologia di Patologie a Carico dei Nuclei
Ipocinesia e Bradicinesia
il Morbo di Parkinson’s
Insorgenza in età avanzata
La seconda malattiva degenerativa del
sistema nervoso dopo l’Alzheimer
Tremore a riposo, lentezza dei movimenti
(bradicinesia), rigidità, assenza di
espressioni facciali e forte riduzione dei
movimenti spontanei (ipocinesia)
Si accompagna a degenerazione
progressiva dei Dopaminergici della
Sostanza Nera zona compatta (SNc). I
sintomi compaiono con più dell’80% di
degenerazione.
MPTP un modello sperimentale per
l’induzione del morbo. Il modello è
sostenuto da osservazioni come quella che:
una successiva lesione del Nucleo
Subtalamico (STN) può compensare molti
dei sintomi del morbo.
Controllano in parallelo non solo attività motorie, ma anche cognitive ed emozionali
All’interno dei nuclei della base queste varie modalità sono elaborate in parallelo, cioè con circuiti funzionalmente
segregati fra di loro. Il ruolo dei Nuclei anche nelle attività cerebrali non prettamente motorie può aiutare a spiegare deficit
cognitivi ed emozionali riscontrabili nelle patologie che li coinvolgono.
Il cervelletto puo’ essere suddiviso in base alle diverse sedi
di provenienza delle afferenze:
Cerebro-cervelletto, molto sviluppato nei primati; è coinvolto nella regolazione di movimenti
altamente specializzati, nella pianificazione ed esecuzione di complesse sequenze spaziali e
temporali dei movimenti, compresi quelli inerenti il linguaggio.
Vestibolo-cervelletto, Flocculo e nodulo, riceve dai nuclei vestibolari e la sua funzione
principale riguarda la regolazione dei movimenti alla base dell’ equilibrio e della postura.
Spino-cervelletto, riceve proiezioni direttamente dal midollo spinale; la parte laterale è
interessata nel controllo dei movimenti generati dai muscoli distali, la parte centrale (VERME)
nel controllo dei muscoli prossimali e nel controllo dei movimenti oculari in risposta a segnali di
natura vestibolare.
Le connessioni tra il cervelletto e altre parti del SNC sono stabilite tramite i peduncoli, superiore
(fibre efferenti), medio (fibre afferenti al cervelletto) e inferiore (Fibre afferenti ed efferenti).
Dalla corteccia cerebrale attraverso
i nuclei pontini arrivano la maggiorparte delle proiezioni al cerebro-cervelletto.
Le proiezioni allo spino cervelletto
si distribuiscono secondo mappe
somatotopiche. Queste mappe sono
però frammentarie ogni piccola area
della superficie corporea è
rappresentata piu’ volte. Inoltre il
Cervelletto di destra elebora informazioni relative alla metà destra del corpo e il
cervelletto di sinistra alla metà sinistra del corpo.
Ad eccezione della proiezione diretta dal vestibolo-cervelletto ai nuclei vestibolari,
la corteccia cerebellare
proietta sempre ai nuclei cerebellari profondi (dentato, interpositi, fastigio)
che a loro volta proiettano, attraverso iI talamo ai motoneuroni superiori
della corteccia e al midollo spinale attraverso il tronco dell’ encefalo
Cellule GABA-ergiche. Il
sistema efferente ha
carattere inibitorio