Η Παρεγκεφαλίδα Χάιδω Βασιλάκη Ξανθή Καμώνα 1

Παρουσίαση με θέμα: "Η Παρεγκεφαλίδα Χάιδω Βασιλάκη Ξανθή Καμώνα 1"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 Η Παρεγκεφαλίδα Χάιδω Βασιλάκη Ξανθή Καμώνα 1
Εισαγωγή στις Νευροεπιστήμες

2 Τοποθεσία Οπίσθιος εγκέφαλος, κάτω από ινιακό και βρεγματικό λοβό.
Οπίσθιος εγκέφαλος, κάτω από ινιακό και βρεγματικό λοβό. Φαιά ουσία (παρεγκεφαλιδικός φλοιός), λευκή ουσία, 4η κοιλία Ο φλοιός αποτελείται από παράλληλες αύλακες (folia), λόγω του λεπτού ιστού στενά στοιβαγμένου. «Μικρός εγκέφαλος» Πηγή:

3 Δομικά χαρακτηριστικά
3 ζεύγη εν βάθει πυρήνων (deep nuclei) 3 συμμετρικά ζεύγη παρεγκεφαλιδικών σκελών (peduncles) Fastigial (οροφιαίος) Dentate (οδοντωτός) Interposed (εμβόλιμος) Emboliform (εμβολοειδής) Globose (σφαιροειδής) Inferior cerebellar peduncle(restiform body) Middle cerebellar peduncle (brachium pontis) Superior cerebellar peduncle (brachim conjuctivum )

4 Εικόνες από Kandel et al., 2013.

5

6 Παρεγκεφαλιδικές Περιοχές
2 εγκάρσιες αύλακες την χωρίζουν σε 3 λοβούς: 2 επιμήκη δεμάτια την χωρίζουν σε 3 περιοχές: Midline vermis (σκώληκας) 2 ημισφαίρια Intermediate (μέσο) Lateral (πλευρικό) Anterior (πρόσθιος) Posterior (οπίσθιος) Flocculonodular (οζιδίου και κροκίδας)

7 Vestibulocerebellum Αποτελείται από flocculonodular lobe
Λαμβάνει αιθουσαία και οπτικά input Προβολές στους αιθουσαίους πυρήνες του εγκεφαλικού στελέχους

8 Spinocerebellum Αποτελείται από σκώληκα και ενδιάμεσα (intermediate) τμήματα των ημισφαιρίων. Σκώληκας: οπτικά, ακουστικά, αιθουσαία και σωματαισθητικά input Μέσω fastigial nucleus προβάλλει σε περιοχές του φλοιού και του εγκεφαλικού στελέχους που σχετίζονται με descending systems Προβολή σε interposed nucleus Input από corticospinal/ rubrospinal systems

9 Cerebrocerebellum Πλευρικά τμήματα των ημισφαιρίων
Σχεδόν όλα τα input/ output περιλαμβάνουν συνδέσεις με τον εγκεφαλικό φλοιό. Μετάδοση output μέσω dentate nucleus, που προβάλλει σε κινητικό, προκινητικό και προμετωπιαίο φλοιό.

10

11 Κυτταρική οργάνωση Ένα μικροκύκλωμα με 4 βασικά χαρακτηριστικά:
Κυτταρικές στοιβάδες 2 κεντρομόλα fiber systems (συστήματα ινών) Σύγκριση ανασταλτικών- διεγερτικών συνάψεων Επαναλαμβανόμενοι βρόχοι

12 Granular layer Granule cells Unipolar brush cells Golgi cells
Διακλαδιζώμενοι άξονες που μετατρέπονται σε parallel fibers Διεγερτικές συνάψεις (glutamate) Οι δενδρίτες συνδέονται με mossy fibers (excitatory) & Golgi (inhibitory) Encoding combinations of inputs from mossy fibers (Marr, 1969) Feed-forward και feed-back inhibition Μικρά, με διεγερτικές συνάψεις (glutamate) Λαμβάνουν μια απόληξη mossy fiber και πολλαπλές απολήξεις Golgi. Τα ερεθίσματα σχετίζονται με αισθητικοκινητικές λειτουργίες Inhibitory (GABA) σε granule και UBC Διεγερτικά input από mossy fibers Σημαντικός ρόλος στο glomerulus

13 Purkinje layer Purkinje cells Lugaro cells
Πιο πυκνά στα κυρτά σημεία των ελίκων (Eccles, Ito, & Szentagothai, 1967) Χωρίς εκφυτικό κώνο, ο άξονας κατευθύνεται προς προμήκη μυελό Ομοιομορφία στον σχηματισμό τους Το κύριο output του παρεγκεφ. φλοιού, με προβολές στους deep ή vestibular (αιθουσαίους) nuclei- Input από climbing fibers Excitatory (Glutamate) με climbing & parallel fibers – inhibitory με basket & stellate cells Απευλευθέρωση endocannabinoids (Kreitzer, Carter, & Regehr, 2002) Lugaro cells Μεταξύ granular-molecular, κάτω από το Purkinje layer Χοντροί δίπολοι δενδρίτες, παράλλλοι με το purkinje-granular boundary Περιβάλλουν τα Purkinje και παρακολουθούν το περιβάλλον τους Συνδέουν πολλούς νευρωνες όλων των layers, αλλά ο άξονάς τους επικοινωνεί μόνο με ανασταλτικούς ενδονευρώνες. Έχουν ανασταλτική δράση (Laine & Axelrad, 1998)

14 Molecular layer Stellate cells Basket cells Parallel fibers
Έχουν δενδριτικές διακλαδώσεις και νευράξονες παράλληλους με τα folia Διεγερτικές συνάψεις στους δενδρίτες των Purkinje (simple spikes), stellate & basket Ανασταλτικοί ενδονευρώνες Input από parallel και inhibitory input στα Purkinje Κύρια παραγωγή NO Βασικός σύνδεσμος μεταξύ ενεργοποιημένων τμημάτων παρεγκεφαλίδας και παροχής αίματος Ανασταλτικοί ενδονευρώνες Υπότυπος των stellate Inhibitory συνάψεις στα Purkinje

15

16 2 κεντρομόλα fiber systems
Mossy fibers (Βρυώδεις ίνες) Το κύριο input της παρεγκεφαλίδας/ διεργετικές συνάψεις με granule cells Προέρχονται από ΝΜ και εγκεφαλικό στέλεχος → μεταφέρουν αισθητικές πληροφορίες από περιφέρεια και εγκεφαλικό φλοιό. mossy fiber → granule cell → parallel fiber Καθένα έχει διακλαδώσεις (collaterals) σε granule layer και απολήξεις στα glomeruli. Οι απολήξεις (rosettes) μέρος του glomerulus → σημείο επεξεργασίας κεντρομόλων ινών της παρεγκεφαλίδας. Το input γίνεται από mossy fibers που στη συνέχεια έχουν συνάψεις με δενδρίτες των granule & Golgi (στελεχώνουν τo glomerulus). Κωδικοποιεί το μέγεθος και τη διάρκεια των ερεθισμάτων ελέγχοντας το ρυθμό πυροδότησης των simple spikes στα Purkinje.

17 Climbing fibers (αναρριχώμενες ίνες)
Ξεκινούν από κάτω ελαϊκό πυρήνα (inferior olivary nucleus) και τυλίγονται γύρω από τα Purkinje. 1-10 Purkinje, αλλά μόνο ένα συναπτικό input Απολήξεις στον παρεγκεφαλιδικό φλοιό. Ακριβής έλεγχος στην ηλεκτρική δραστηριότητα των Purkinje →κάθε Δ.Ε. ενός climbing fiber προκαλεί τασοεξαρτώμενη εισροή Ca2+ στο μετασυναπτικό νευρώνα → complex spike: ένα Δ.Ε. μεγάλου εύρους (amplitude) που ακολουθείται από πολλά μεγάλης συχνότητας Δ.Ε. μικρότερου εύρους.

18 Σύγκριση ανασταλτικών-διεγερτικών συνάψεων
Τα ανασταλτικά input των Purkinje στους εν βάθει πυρήνες συγκλίνουν με τα διεγερτικά input των mossy & climbing fibers. Επίδραση mossy fibers σε deep nuclei με 2 τρόπους: Άμεσα με διεγερτικές συνάψεις Έμμεσα μέσω ανασταλτικών pathways του φλοιού και των Purkinje Climbing fibers: σε σχεδόν όλα τα μέρη της παρεγκεφαλίδας, έχουν διεγερτικές διακλαδώσεις στους εν βάθει πυρήνες. Purkinje: άμεση διέγερση από parallel fibers και έμμεση αναστολή από basket, stellate & Golgi.

19 Επαναλαμβανόμενοι βρόχοι
Σύνδεση εγκεφαλικού φλοιού με πλάγια παρεγκεφαλίδα μέσω pontine nuclei ↔ σύνδεση πλάγιας παρεγκεφαλίδας με φλοιό μέσω του θαλάμου. Παρεγκεφαλίδα ↔ inferior olivary nucleus: αύξηση ανασταλτκών input από deep nuclei →μείωση ρυθμού πυροδότησης olivary → μείωση διεγερτικών input των parallel σε παρεγκεφαλιδικούς πυρήνες και purkinje. Διεγερτικά input στα Golgi από parallel fibers ↔ αναστολή granule → περιορισμός διέγερσης mossy fibers /ρύθμιση του ρυθμού πυροδότησης των parallel fibers.

20 ΣΥΝΔΕΣΕΙΣ ΠΑΡΕΓΚΕΦΑΛΙΔΑΣ ΜΕ ΑΛΛΑ ΜΕΡΗ ΤΟΥ ΕΓΚΕΦΑΛΟΥ
Η παρεγκεφαλίδα συνδέεται λειτουργικά με: Εγκεφαλικό στέλεχος μέσω των deep nuclei Νωτιαίο μυελό με mossy fibers Προμετωπιαίο φλοιό  closed-loop συνδέσεις με τον προμετωπιαίο φλοιό  μεταφορά κιναισθητικών πληροφοριών κατά τη διάρκεια συγκεκριμένων συμπεριφορών (έλεγχος κίνησης και γνωστικές λειτουργίες) Μετωπιαίο φλοιό Προκινητικό φλοιό Κινητικό φλοιό Θάλαμο

21

22 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΕΣ ΠΑΡΕΓΚΕΦΑΛΙΔΑΣ
Παρεγκεφαλίδα και κίνηση Έλεγχος της κίνησης Συχνότητα, δύναμη, ρυθμός και ακρίβεια της κίνησης (Schmahmann, 1991) Έλεγχος λεπτών κινήσεων (fine control of movement) και συντονισμός αυτών από πολλαπλά μυϊκά δίκτυα (π.χ. παίξιμο κάποιου μουσικού οργάνου) Κίνηση των οφθαλμών (eye movement) Ισορροπία και στάση του σώματος

23 ΠΩΣ Η ΠΑΡΕΓΚΕΦΑΛΙΔΑ ΕΠΗΡΕΑΖΕΙ ΤΗΝ ΚΙΝΗΣΗ
SPINOCEREBELLUM AND BODY AND LIMB MOVEMENTS Input από νωτιαίο μυελό, κυρίως από σωματαισθητικούς υποδοχείς πληροφοριών για αφή, πίεση, κίνηση άκρων ΜΕΣΩ άμεσων ή έμμεσων διαδρομών  σήματα για την αλλαγή κατάστασης του οργανισμού καθώς και το περιβάλλον του Άμεσες διαδρομές: ενδονευρώνες από τη φαιά ουσία του νωτιαίου μυελού  mossy fibers στο σκώληκα ή στην νωτιοπαρεγκεφαλίδα Έμμεσες διαδρομές: από το νωτιαίο μυελό  παρεγκεφαλίδα καταλήγοντας πρώτα σε νευρώνες σε έναν από τους πολλούς προπαρεγκεφαλιδικούς πυρήνες στο εγκεφαλικό στέλεχος 2 είδη πληροφοριών: Α) μέσω της ραχιαίας νωτιοπαρεγκεφαλιδικής οδού σωματαισθητικές πληροφορίες από μυϊκούς υποδοχείς και υποδοχείς αρθρώσεων  αισθητικό feedback για τις συνέπειες της κίνησης (τα άκρα κινούνται παθητικά ή ενεργητικά) Β) μέσω κοιλιακής νωτιοπαρεγκεφαλιδικής οδού ενεργή μόνο κατά τη διάρκεια ενεργών κινήσεων  ενημερώνει την παρεγκεφαλίδα για τις εντολές επιθυμητών κινήσεων που είναι συσσωρευμένες στο νωτιαίο μυελό (Α) και (Β)  input από τα πίσω άκρα, η παρεγκεφαλίδα συγκρίνει την πληροφορία για προγραμματισμένη ή αναμενόμενη κίνηση με την πραγματική κίνηση

24 VESTIBULOCEREBELLUM AND BALANCE AND EYE MOVEMENT
Κίνηση κεφαλής και θέση αυτής σχετικά με τη βαρύτητα Έλεγχος αξονικών μυών και άκρων  ισορροπία κατά τη σταθερή στάση του σώματος ή το βάδισμα Συγχρονισμός κινήσεων των οφθαλμών και κίνηση της κεφαλής CEREBROCEREBELLUM AND PLANNING MOVEMENT Input από εγκεφαλικό φλοιό  πλευρικά ημισφαίρια  προγραμματισμός κίνησης Input από εγκεφαλικό φλοιό  κύτταρα Purkinje  οδοντωτός πυρήνας  θάλαμος  προκινητικός και κινητικός φλοιός ΕΠΟΜΕΝΩΣ: Συνδυασμός προκινητικού, κινητικού και μετωπιαίου φλοιού, θαλάμου και πλευρικής παρεγκεφαλίδας  νοητική αναπαράσταση κινήσεων και κινητική μάθηση

25 Vermis (Σκώληκας) Έλεγχος σακκαδικών κινήσεων των οφθαλμών (saccades= γρήγορες κινήσεις των οφθαλμών) και ομαλών οφθαλμικών κινήσεων ΜΕΣΩ κυττάρων Purkinje στα V, VI, VII λοβία Purkinje neurons Πλαστικότητα κινήσεων κεφαλής σε συνδυασμό με πλαστικότητα κινήσεων οφθαλμών Κινήσεις λαιμού και κορμού  ισορροπία, στάση σώματος Cerebellar output αναφορικά με την κίνηση Κατεύθυνση και ταχύτητα κίνησης Συγχρονισμός κίνησης Αναμένει τις μυϊκές συσπάσεις που θα χρειαστούν για την ομαλή διεξαγωγή της κίνησης

26 ΠΑΡΕΓΚΕΦΑΛΙΔΑ ΚΑΙ ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΜΑΘΗΣΗ
Κινητική μάθηση (motor learning) (Marr, 1969): όταν οι κινήσεις έχουν ήδη αποτυπωθεί κυρίως λόγω εξάσκησης (π.χ. παίξιμο μουσικού οργάνου, ομιλία κλπ.) μπορεί να θεωρηθεί μόνιμη εφόσον η ικανότητα ανταπόκρισης αποκτήθηκε και διατηρήθηκε αρκεί ένα απλό ή μη ολοκληρωμένο μήνυμα από την παρεγκεφαλίδα για να προκαλέσει την εκτέλεση της κίνησης ΠΩΣ ΠΡΟΚΑΛΕΙΤΑΙ Mossy fibers (έναρξη κίνησης)  Olivary cells πυροδοτούνται με συγκεκριμένη σειρά και ανταποκρίνονται σε μία συγκεκριμένη οδηγία για μία συγκεκριμένη πληροφορία ώστε να εκτελεστεί η κίνηση  κύτταρα Purkinje  ακριβής κίνηση, μαθαίνουν το περιεχόμενο (context) όπου εμφανίζονται οι κινήσεις  ένα συγκεκριμένο olivary cell ανταποκρίνεται  mossy fibers κινητοποιούν τα κύτταρα Purkinje τα οποία θυμούνται τη στοιχειώδη κίνηση Purkinje cells: μπορούν να μάθουν όλες τις «περιπτώσεις» οπού απαιτείται κίνηση από συγκεκριμένο Olive cell  επανεμφάνιση «περίπτωσης»  εκτέλεση συγκεκριμένης κίνησης (Marr, 1969)

27 LEARNED CONDITIONAL REFLEXES (Marr, 1969)
Conditions (Συνθήκες): “περιεχόμενο του εξαρτημένου αντανακλαστικού” Learned conditional reflex (Μαθημένο εξαρτημένο αντανακλαστικό): “ένα αντανακλαστικό το περιεχόμενο του οποίου έχουμε μάθει” (Marr, 1969) Διατήρηση ισορροπίας και στάσης σώματος “Once the context is learned, the reflex automatically becomes operative when it is required.” (Marr, 1969) Cerebellar initiation of movement (Έναρξη κίνησης) (Marr, 1969) Παρεγκεφαλίδα ως «μεταφραστής» συνδυασμένης δράσης από διάφορες εγκεφαλικές ίνες Αντιγράφει πληροφορίες που οργανώνονται στον εγκέφαλο Μετάφραση πληροφοριών σε κινήσεις και χειρονομίες Καλύτερη οργάνωση στην παρεγκεφαλίδα σε σύγκριση με τη συγκεχυμένη οργάνωση σε όλο το εύρος του εγκεφάλου

28 ΠΑΡΕΓΚΕΦΑΛΙΔΑ ΚΑΙ ΓΝΩΣΤΙΚΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΕΣ
Ταχύτητα, ικανότητα, συνοχή και καταλληλόλητα νοητικών και γνωστικών διεργασιών (Schmahmann, 1991) Γλωσσικές ικανότητες (π.χ. Verb association task, semantic discrimination VS articulation) Procedural (habits) and associative learning Observational learning  lateral cerebellum Conceptual stimulus response tasks (paired associate learning) Implicit learning (forms of unconscious knowledge as procedural, rooted in motor representations) Declarative memory (e.g. visual memory, verbal working memory  lateral cerebellum  executive functioning, episodic memory  right lateral cerebellum) Visuospatial processing and attention  lateral cerebellum General timing device in perception and action Long-term motor and cognitive functional demands

29 ΠΑΡΕΓΚΕΦΑΛΙΔΙΚΕΣ ΒΛΑΒΕΣ
ΓΕΝΙΚΑ: σφάλματα στην κίνηση και όχι ολική απώλεια κινήσεων ή παράλυση Astasia /abasia: ανικανότητα για ορθή στάση σώματος ή για περπάτημα Ataxia: έλλειψη συνδυασμού κινήσεων και ελλιπής εκτέλεση τους στις εκούσιες κινήσεις, αστάθεια, δυσκολία στην εκτέλεση εναλλασσόμενων διαδοχικών κινήσεων Dysmetria: έλλειψη ελέγχου για τη μέτρηση της κίνησης, το βαθμό και τη συχνότητα επαναλαμβανόμενων κινήσεων, αποσύνθεση της κίνησης Interior tremor: κυρίως στο τελικό στάδιο μιας κίνησης όταν η κίνηση πάει να διακοπεί από ανταγωνιστικούς μύες  λανθασμένες επιδιορθώσεις κινήσεων (π.χ. κινήσεις που ξεκινούν προς τη σωστή κατεύθυνση δεν μπορούν να ελεγχθούν και καταλήγουν σε ανακριβές τελικό σημείο) Έλλειψη αυτόματης, ασυνείδητης φύσης των κινήσεων, κυρίως όταν έχουμε αλληλουχία αυτών Hypotonia: απώλεια μυϊκού ρυθμού κίνησης, άμεση κόπωση των μυών

30

31 VESTIBULOCEREBELLUM IMPAIRMENTS
Βλάβες στην ισορροπία Βλάβες στην ομαλή κίνηση των οφθαλμών προς την κατεύθυνση της κίνησης CEREBROCEREBELLUM IMPAIRMENTS Καθυστέρηση στην έναρξη κινήσεων Αστάθειες στη χρονική οργάνωση των επιμέρους τμημάτων των κινήσεων (π.χ. προγραμματισμός κίνησης παλάμης) Δυσκολία μάθησης γλωσσικών ασκήσεων (π.χ. Word-association tasks) SPINOCEREBELLUM IMPAIRMENTS Βλάβη στις κινήσεις των άκρων που βρίσκονται στην ίδια πλευρά με την πλευρά που υπέστη βλάβη Τρέμουλο  όχι ομαλή διεξαγωγή κινήσεων Ataxia: αδυναμία συνδυασμού κινήσεων που αλληλοεπιδρούν (π.χ. κίνηση αγκώνα και κίνηση μπράτσου) VERMIS IMPAIRMENTS Μικρότερη ακρίβεια στις κινήσεις των οφθαλμών και των γρήγορων κινήσεων αυτών (saccades)

32 CCAS (cerebellar cognitive affective syndrome) (Marr, 1969)
Apraxia: Λόγω εγκεφαλικού επεισοδίου, όγκου, παρεγκεφαλιδικού εκφυλισμού ή υποπλασίας  δυσκολία προγραμματισμού κίνησης Βλάβες: Executive function(προγραμματισμός, γλωσσική ευφράδεια, αφηρημένη σκέψη, working memory) Spatial cognition (οργάνωση οπτικού πεδίου και μνήμη) Linguistic processing (apraxia of speech, agrammatism, dysprosodia  ημισφαιρικές περιοχές του παρεγκεφαλιδικού οπίσθιου λοβού) An example on apraxia of speech

33 Thank you

34 Βιβλιογραφία Eccles, J. C., Ito, M., Szentágothai, J. (1967). General survey of the structure. In Szentágothai, J. (Ed.), The Cerebellum as a Neuronal Machine (pp. 4-31). Berlin Heidelberg: Springer- Verlag. Kreitzer, A.C., Carter, A. G., & Regehr, W. G. (2002). Inhibition of Interneuron Firing Extends the Spread of Endocannabinoid Signaling in the Cerebellum. Neuron, 34, (5), Lisberger, S. G., Thach, T. W. (2013). Cerebellum. In E.R. Kandel, J. H. Schwartz, T. M. Jessel, S. A. Siegelbaum, & A. J. Hudspeth (Eds.), Principles of Neural Science (pp ). McGraw- Hill Companies. Marr, D. (1969). A Theory of Cerebellar Cortex. Journal of Physiology, 202, Schmahmann, J. D. (1991). An emerging concept: the cerebellar contribution to higher function. Archives of Neurology, 48, 1178–1187. Sillitoe, R., V., Fu, Y., Watson, C. (2012). Cerebellum. In C. Watson, G. Paxinos, & L. Puelles (Eds.), The Mouse Nervous System (pp ). Academic Press of Elsevier.