Términos y temas clave: Cerebelo Estructura Neuronal del

Cerebelo Núcleo Cerebelar Células de Purkinje Entradas y Salidas

Cerebelosas Funciones del Cerebelo

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CEREBELO

El cerebelo contiene más neuronas que el resto del cerebro. Es probablemente la estructura favorita para diferentes tipos de modulación debido a su inusual estructura celular regular, que parece como si hubiera sido cableado por un Diseñador Superior. Sin embargo, los conocimientos actuales sobre el rol del cerebelo en diversas funciones del cuerpo es escasa y fragmentada.Ha habido unas cuantas teorías acerca del papel de cerebelo en los movimientos voluntarios. Ha sido descrito como un dispositivo de timing que asegura el orden correcto y el tiempo de activación de los músculos individuales, como un dispositivo de aprendizaje para la adquisición y la memorización de nuevas habilidades motoras, o como un dispositivo de coordinación que monta componentes de un complejo multi-articular o movimientos multi-extremidades, o un comparador comparando los errores que emergen durante un movimiento en el inicio de un plan de motor, o todos estos dispositivos juntos. Sin embargo, la mayoría de estas teorías son reformulaciones de los resultados experimentales basados en observaciones de alteraciones del movimiento en pacientes con trastornos del cerebelo o en animales con lesión de una porción del cerebelo.

PROBLEMA #15.1¿Por qué no puedes concluir que una área del cerebro controla una cierta función si la función es interrumpida cuando el área del cerebro es removida o apagada?Echemos un vistazo a la anotomía y fisiología del cerebelo, manteniendo en mente lo citado sobre su función.

15.1 Anatomía del cerebeloEl cerebelo consiste en un manto de sustancia gris (la corteza cerebelar), materia blanca interna, y tres pares de núcleos. El cerebelo humano tiene dos hemisferios y una cresta en la línea media que se llama el

vermis (figura 15.1). Tres pares de núcleos están situados simétricamente en lalínea media. Estos son el fastigial, el interpuesto (consta del núcleo globoso y el emboliforme), y el núcleo dentado. Tres pares de grandes tractos de fibras, llamadas pedúnculos cerebelosos (inferior, medio y superior, pedúnculo en cada lado), contener fibras de entrada y salida que conectan el cerebelo con el resto del cerebro. El cerebelo recibe muchas más fibras de entrada (aferentes) que fibras de salida (eferentes); la relación es aproximadamente 40: 1.Dos profundas fisuras transversales dividen el cerebelo en tres lóbulos (figura 15.2). La fisura primaria en la superficie superior divide el cerebelo en lóbulos anterior yposterior, mientras que la fisura posterolateral en la parte inferior del cerebelo separa el lóbulo posterior del lóbulo floculonodular. Fisuras más pequeñas subdividen los lóbulos en lobulillos, por lo que un corte sagital del cerebelo se parece a un árbol con ramas en la matriz de la sustancia blanca.

Figura 15.1 El cerebelo se compone de dos hemisferios y una zona medial llamada vermis. El cerebelo está conectado a otras estructuras neurales por tres pares de pedúnculos. La figura muestra una vista dorsal del cerebelo de modo que los pedúnculos y núcleos cerebelosos queden ocultas (mostradas por zonas negras).

La corteza cerebelosa es una estructura de aspecto relativamente simple, que consta de tres capas y cinco tipos de neuronas (figura 15.3). Desde la superficie hacia abajo, se encuentra la capa molecular, la capa de células de Purkinje, y la granular. La capa molecular externa está compuesta principalmente de los axones de las células granulares llamadas fibras paralelas.

Figura 15.2 El cerebelo está dividido en tres lóbulos: el lóbulo anterior, el lóbulo posterior y el lóbulo floculonodular.

Figura 15.3 La corteza cerebelosa se compone de tres capas y cinco tipos de neuronas. Las entradas al cerebelo son llevados por fibras musgosas (de olivas inferiores) y fibras de escalada (de núcleos

del puente, el sistema vestibular, y la médula espinal). La única salidasistema del cerebelo es los axones de las células de Purkinje.

Esta capa también contiene células en cesta y estrelladas que funcionan como interneuronas en el cerebelo. Reciben aferencias de fibras paralelas e inhibición de células de Purkinje. La capa de células de Purkinje intermedia contiene las neuronas más grandes del cerebro, llamadas células de Purkinje. Estas células son inhibitoria (su mediador es GABA) y es el único elemento eferente del cerebelo. Las dendritas de las células de Purkinje están orientadas hacia afuera, hacia la capa molecular, formando grandes árboles dendríticos orientados en su mayoría en un plano perpendicular al eje largo del folium.Las células de Purkinje envían sus axones hacia abajo, a través la sustancia blanca, a los núcleos del cerebelo o vestibulares. La capa granular interna está densamente compuesta por células granulares (pequeñas) y algunas células de Golgi (grandes). Las células de Golgi reciben aferencias de fibras paralelo e inhibiciones de las células granulares.Figura 15.3 es muy esquemática y no hace justicia a la belleza de las neuronas del cerebelo. Figura 15.4 muestra imágenes más realistas de las células individuales del cerebelo. Tenga en cuenta el increíble árbol dendrítico de las células de Purkinje.

Figura 15.4 Un dibujo más realista de una neurona cerebelar individual

La capa granular contiene estructuras llamadas glomérulos (figura 15.5), donde las células de la capa granular hace contactos sinápticos con las expansiones bulbosas de fibras musgosas aferentes. Un solo glomérulo consta de una fibra musgosa entrante, racimos de pequeñas dendritas (llamados rosetas), de unas pocas docenas de células granulares y axones de las células de Golgi. Una sola fibra musgosa puede inervar muchos glomérulos.

Figura 15.5 Un solo glomérulo consta de una fibra musgosa entrante, racimos de pequeñas dendritas (llamados rosetas), de unas pocas docenas de células granulares y axones de las células de Golgi. Una sola fibra musgosa puede inervar muchos glomérulos.

15.2 Aferencias CerebelaresDos sistemas aferentes excitadores actúan como entrada para el cerebelo.Estos son fibras musgosas y las fibras trepadoras (figura 15.6). Las fibras musgosas se originan a partir de una variedad de núcleos del tronco cerebral y de neuronas en la médula espinalcuyos axones forman el tracto espinocerebelar. El tracto espinocerebeloso transmite información somatosensorial. Estas proyecciones se organizan somatotípicamente; es decir, están representados como una figura humana

distorsionada dibujada en la superficie cerebelosa (se

parece más como a la creación de un artista primitivista). Actualmente, hay dos mapas somatotópicos de todo el cuerpo en dos áreas del espinocerebelo, uno en el lóbulo anterior y el otro en el lóbulo posterior (figura 15.7). Tenga en cuenta la orientación opuesta de las proyecciones en la figura 15.7. Esta figura es otra simplificación; como un mapa somatotópico actual puede ser bastante fragmentado.Las fibras musgosas hacen sinapsis excitadoras en las células granulares, los axones de las células granulares ascienden a la capa molecular, donde cada axón se divide en dos y se une al sistema de fibras paralelas. Cada célula granular recibe aferencias de muchas fibras musgosas (esto es un ejemplo de convergencia de la información neural), mientras que cada fibras musgosa inerva a unos cientos de células granulares (este es un ejemplo de divergencia). Cada célula de Purkinje recibe aferencias de numerosas fibras paralelas (hasta 200.000).Diferentes porciones del cerebelo reciben fibras musgosas de diferentes fuentes. La zona medial (vermis) recibe en su mayoría información vestibular, somatosensorial, visual y auditiva.

Figura 15.6 Entradas excitadoras al cerebelo son proporcionados por las fibras musgosas y fibras de escalada. Las fibras musgosas tienen origen desde el tracto espinocerebelar y de los núcleos del cerebro; excitan las células granulares. Las fibras de escalada se originan en la médula (oliva inferior); hacen sinapsis en las células de Purkinje.

La zona intermedia recibe propiocepción e información somatosensorial de la medula espinal así como información de la corteza motora mediada por el núcleo pontino de diferentes áreas de la corteza cerebral, incluyendo la corteza motora.Las fibras de escalada se originan en la médula, en el núcleo olivar inferior. Sus axones entran en la corteza cerebelar y se envuelven alrededor del soma y la porción proximal de las dendritas de las células de Purkinje. Estas sinapsis son excitadoras y muy fuertes. Cada célula de Purkinje recibeentradas sinápticas de una sola fibra de escalada, esta fibra forma más de un centenar de sinapsis en el soma y las dendritas de la célula de Purkinje que inerva. Una fibra de escalada puede inervar unas pocas células de Purkinje. Un solo potencial de acción en una fibra de escalada siempre induce un complejo potencial de acción en las células de Purkinje que inerva; en otras palabras esta acción es obligatoria.

Figura 15.7 Proyecciones somatotópicas en la superficie cerebelar (otro homúnculo).

PROBLEMA #15.2¿Puedes presentar otro ejemplo de acción obligatoria en una fibra neural presináptica?

15.3 Eferencias CerebelaresLas células de Purkinje proporcionan la única salida del cerebelo. En respuesta a una sola entrada excitadora (figura 15.8), una célula de Purkinje puede producir un único potencial de acción (un umbral simple) o un gran potencial de acción seguido de unos pocos potenciales de acción más pequeños (un umbral complejo). Umbrales complejos son comúnmente inducida por entradas excitadoras de las fibras escaladas, mientras que los umbrales simples pueden ser inducidos por sumación espacial y temporal de los potenciales post-sinápticos generados a partir de las fibras musgosas.

Figura 15.8 En respuesta a una sola entrada excitadora, una célula de Purkinje puede producir un único potencial de acción (un umbral simple) o un gran potencial de acción seguido de unos pocos potenciales de acción

más pequeños (un umbral complejo). Umbrales complejos ocurren en respuesta de fibras musgosas.

PROBLEMA #15.3¿Es la existencia de umbrales simples o complejos una violación del principio todo o nada? ¿Cómo puede generar distintos umbrales una misma neurona?

Las células de Purkinje descargan a una alta frecuencia (hasta 80 Hz), incluso cuando el animal está en reposo. Por lo tanto, el cerebelo siempre proporciona una entrada de inhibición tónica para otras estructuras. Durante movimientos activos, las células de Purkinje pueden descargar a un ritmo de unos pocos cientos de hertz, mientras que las entradas fuertes (las fibras de escalada) pueden descargar a frecuencias por debajo de 1 Hz.La actividad de las células de Purkinje es modulada por tres tipos de interneuronas inhibidoras: la estrelladas, la cesta, y las células de Golgi. Las células estrelladas hacen sinapsis inhibidora dentro de la capa molecular, en las dendritas de las las células de Purkinje cercanas. Los axones de las células cesta corren perpendiculares a las fibras paralelas, y hacen sinápsis inhibitorias sobre los cuerpos y las dendritas proximales de las células de Purkinje distantes. Como resultado, si un haz de fibras paralelo se activa, se activa un grupo de células de Purkinje y un grupo de células en cesta. Las células cesta inhiben la actividad de las células de Purkinje a las fuera de las fibras paralelas, agudizando así la diferencia entre los niveles de actividad de las células de Purkinje (Figura 15.9). Las células de Golgi son excitados por las fibras paralelas y hacen conecciones inhibitorias con las dendritas de las células granulares, dentro de los glómerulos, disminuyendo la respuesta a una entrada excitatoria de las fibras musgosas.

FIG. 15.9 Las células estrelladas hacen sinapsis inhibidoras sobre las dendritas de las células de Purkinje. Fibras paralelas activan las células de

Purkinje, células cesta, células estrelladas y células de Golgi.

PROBLEMA #15.4Puedes tú interpretar las funciones de las células estrelladas, cesta y Golgi en términos de retroalimentación negativa o positiva?

Los axones de las células de Purkinje hacen sinapsis inhibitoria en el cerebelo y los núcleos vestibulares. Las fibras de salida de estos núcleos transmiten señales desde el cerebelo a otras estructuras en el cerebro y la médula espinal. Los tres núcleos del cerebelo proyectan al tálamo. A partir de ahí, se proyectan a la corteza cerebral. Ellos también se conectan con varios núcleos en el mesencéfalo, tronco cerebral y médula espinal. La mayor parte de la salida del cerebelo está mediada por el interpósito y núcleos dentados. Sus axones se ejecutan en un tracto; este tramo cruza la línea media a

nivel del cerebro medio y se divide en las ramas ascendente y descendente. Los axones descendentes inervan la formación reticular en el puente y en la médula, mientras que los axones ascendentes inervan el núcleo rojo y la parte ventrolateral del tálamo, que recibe entradas de sólo los núcleos del cerebelo. Esta área a veces llamada el tálamo cerebeloso, mediador de proyecciones cerebelosas a la corteza cerebral. La mayor parte de las proyecciones del cerebelo a la corteza cerebral terminan en las zonas 4 y 6, que son las áreas relacionadas con el control de los movimientos voluntarios. Algunas de las neuronas en el núcleo rojo se proyectan a la oliva inferior, que a través del cerebelo activan las fibras de escalada. Por lo tanto, existe un bucle completo de las olivas al cerebelo al núcleo cerebelar y desde el núcleo rojo a las olivas y al cerebelo, y así sucesivamente. El núcleo rojo es también la fuente de un importante trayecto descendente llamado el tracto rubroespinal. La función de este aparato en

el movimiento voluntario humano es aún objeto de debate.

PROBLEMA # 15.5 Por lo que usted sabe, usted podría deducir si el lazo que conecta la oliva, el cerebelo, los núcleos del cerebelo, y el núcleo rojo es un bucle de retroalimentación positiva o un bucle de retroalimentación negativa?

15.4 Actividad Cerebelosa y Movimiento Voluntario

Las neuronas cerebelosas no se conectan con las neuronas de la médula; por lo tanto, su actividad es menos probable que se refieran a patrones específicos de actividad muscular. Los experimentos en monos han demostrado que cuando se inicia el movimiento, la temporización de los cambios que ocurren en la actividad de fondo de las neuronas en los núcleos cerebelares se dispersa considerablemente (Lamarre, Spidalieri, y Chapman 1983; Thach et al. 1992). Durante una sola articulación de la muñeca (movimientos), 3 neuronas de los núcleos dentados cambian su actividad simultáneamente con células de la corteza motora, antes de la actividad o los cambios en los núcleos fastigiales. Sin embargo, durante alcances que involucran todo el brazo, la actividad de fondo de las neuronas fastigiales cambia temprano, simultáneamente con la actividad motora corteza celular. La conclusión provisional es que las neuronas dentadas disparan o empiezan con el inicio de un movimiento voluntario, las neuronas interpositarias se disparan con respecto al curso de

movimiento real, y la actividad fastigial se refiere a la presencia o ausencia de un componente postural dentro de una tarea motora. Otras observaciones que apoyan esta conclusión implican la relación de la actividad de las neuronas interpósito a EMG en el momento durante la locomoción en los gatos (Andersson y Armstrong 1987). y la actividad de las neuronas dentadas a las perturbaciones que conducen a la detención y reanudación de la locomoción (Rothwell 1994). Además, el enfriamiento del núcleo dentado aumenta el retardo de tiempo de reacción en los experimentos que requieran un simple movimiento en respuesta a un estímulo visual. Además, el retardo de tiempo de disparo de la neurona cortical motora aumenta (Mayer-Lehman et al., 1975).Varios investigadores han tratado de investigar la relación entre la velocidad de descarga de las neuronas cerebelares y un parámetro de movimiento tales como la fuerza muscular, velocidad de la conexión, el movimiento de amplitud, o dirección de movimiento (Thach 1978). Estos estudios proporcionaron datos poco claros y a veces controvertidos, la actividad de las neuronas demostró una relación con la fuerza muscular o EMG, pero no con la velocidad o la dirección de movimiento, mientras que la actividad en las neuronas dentadas no se correlacionó con ninguno de los parámetros de movimiento mencionados (Bastian Mugnaini 1999).Otros estudios han demostrado que las células de Purkinje en monos se activan de una manera recíproca durante la flexión o extensión mientras que la actividad de las células de Purkinje se suprime cuando ambos

flexores y extensores se activan simultáneamente (Brooks y Tach 1981).

Una conclusión tentativa de esta serie ha sido que la actividad de las células de Purkinje se refiere a la supresión de la actividad del músculo antagonista.

15.5 Vectores de la población Neuronal

El método de la Georgopoulos y colegas para el estudio de poblaciones de las neuronas en la corteza motora se aplicó a neuronas del cerebelo, así; Recuerde que el método consiste en encontrar una dirección de movimiento preferida para cada neurona (la dirección que corresponde a la frecuencia de descarga más alta) y la suma de los vectores de todas las neuronas que se activan cuando se inicia un movimiento en una cierta dirección. Como se ha mencionado solo las neuronas del cerebelo no muestran una clara correlación entre la tasa de aprobación de la gestión y dirección del movimiento. Sin embargo, la aplicación de este método a una gran población de neuronas mostró una buena correlación entre el vector de la población y la dirección de movimiento (Figura 15.10). Este resultado se obtuvo para las poblaciones de las células de Purkinje, de neuronas dentadas y de las neuronas interpósito. Hablando en cuenta nuestra la discusión anterior de la ventaja y las limitaciones de este método, se puede concluir que estos débilmente se correlacionan con la dirección del movimiento, mientras que otros factores pueden ser más importantes.

(Fig. 15.10)Vectores de la población neuronal de las células de Purkinje y neuronas

dentadas y la dirección del movimiento

15.6. ¿Qué hace el cerebelo?

La mayoría de las hipótesis sobre las funciones del cerebelo se formulan a partir de interrupciones funcionales observadas en pacientes con trastornos del cerebelo o sus vías o en animales con lesiones experimentales del cerebelo importante. Como ya se mencionó, el deterioro de una función después de una lesión de una estructura neural es responsable de esa función. Si así fuera, podríamos concluir que la función de un equipo de escritorio, televisión, procesador de alimentos, u otro dispositivo electrónico se encuentra en el cable de alimentación, ya que el corte del cable de alimentación destruye la función.

Tradicionalmente el cerebelo ha sido visto como un órgano motor del cerebro. La eliminación de una gran parte de un cerebelo de animales o núcleos cerebelosos normalmente conduce a mayores problemas con la postura y movimientos coordinados con propósito (Spidalieri, Busby y Trach 1999). Sin embargo, con el tiempo el animal se recuperara lo suficiente como para

mejorar la mayoría de sus actividades motoras cotidianas. Sus acciones pueden parecer un poco torpes, pero son adecuadas para la mayoría de las funciones. Esto es increíble: Un Animal en la que se han eliminado más del 50% de las células neurales muestra sólo pequeños cambios en sus patrones motores.El cerebelo se ha supuesto que desempeña un papel importante en el tiempo de las acciones; este supuesto se ha basado en las observaciones de la mala sincronización de movimiento en pacientes con trastornos del cerebelo (Braitenberg, Llinas, Barto y Spencer 2004). Su función como un reloj intrínseco ha sido apoyada por estudios recientes de este tipo de pacientes (Timmann 1999). La función de reloj es probable que sólo sea una de las principales funciones del cerebelo.

Varios estudios recientes han tratado de relacionar el cerebelo a la creación y el almacenamiento de los modelos internos de las interacciones entre el cuerpo y el medio ambiente (Bastian et al. Kawato 1999).

En pocas palabras, los modelos internos son procesos neuronales hipotéticos que intentan calcular cualquiera de los comandos neurales basados en una acción requerida mecánica (modelos inversos) o cambios en el estado mecánico del cuerpo basado en señales neuronales actuales y la información sensorial (modelos directos). De acuerdo con este punto de vista, inversa del cerebelo y modelos directos pueden ser combinados para asegurar el funcionamiento preciso de las tareas motoras en el entorno que es siempre cambiante.

Otra hipótesis es que el cerebelo juega un papel en el montaje de las sinergias motoras

(Bloedel, Houk 1996). Las sinergias motoras son movimientos coherentes resultantes de acciones coordinadas de elementos individuales, tales como extremidades, articulaciones y músculos. Como se analiza en el capítulo anterior, La descoordinación es una característica típica de los movimientos realizados por las personas con trastornos del cerebelo. Aprender un nuevo movimiento está asociado con la creación de una sinergia motora que involucra elementos que pudieran estar implicados en otros componentes de la tarea. Por ejemplo, aprender a patear un balón de fútbol requiere de la coordinación de las piernas y el tronco y músculos que también están involucrados en la estabilización postural.

Continúa el debate sobre si el cerebelo es el sitio de aprendizaje (Marr 1969; Grossberg, y Bullock 1997). La estructura neuronal regular y relativamente simple del cerebelo es muy atractivo para los modeladores. Muchos de estos modelos asumen que el aprendizaje se basa en el cambio de los pesos sinápticos. Este supuesto está lejos de ser obvia, y vamos a reconsiderarlo en el capítulo 18.

Algunos de los modelos de memoria del cerebelo se basan en un principio similar al principio holográfico en la física. Es decir, si dos señales que llegan a una sinapsis coinciden en el tiempo, la sinapsis memoriza el evento y cambia su estado de forma permanente. Por ejemplo, las fibras de escalada pueden modificar la eficacia de las sinapsis que hacen las fibras paralelas en las células de Purkinje (fig. 15.11)

Figura 15.11. Si un potencial de acción en una fibra de escalada y otro potencial de acción en una fibra paralela llegan simultáneamente a una célula de Purkinje, la célula puede recordar este evento con la ayuda de un mecanismo químico que cambia la eficacia sináptica.

Problema #15.6¿Puede dar razones de apoyo y refutar la

hipótesis de que la memoria se basa en los cambios en las ganancias sinápticas?

Numerosos estudios han demostrado cambios de larga duración en la eficacia de las proyecciones sinápticas en el cerebelo siguientes fuerte activación de estas proyecciones. Estos cambios duran por horas e incluso días y se han denominado potenciación a largo plazo (LTP) y depresión a largo plazo (LTD) han sido vistos como posibles contribuyentes a la capacidad hipotética del cerebelo para mediar los efectos de la práctica de los movimientos.

El momento hipotético, la memoria, el aprendizaje y modelado funciones del cerebelo pueden aplicarse no sólo a las acciones, sino también a la percepción y la

cognición. Más sobre este tema se puede encontrar en el capítulo 33.