Leciones 43-47 (Motor, etc)

UNIVERSIDAD DE VALLADOLID Grado de Medicina Guiones de clase de Fisiología Humana Departamento de Bioquímica y Biología Molecular y Fisiología Lola Ganfornina, Diego Sánchez

43-1

TEMA 43. FISIOLOGÍA DE LOS SISTEMAS MOTORES

1. El control del movimiento.

Concepto de programas motores y anticipación. Tipos de movimiento. Movimientos reflejos. Movimientos rítmicos. Movimientos voluntarios. Principios de organización de los sistemas motores.

Los sistemas motores traducen la energía eléctrica en fuerza contráctil muscular. El control del movimiento requiere información sensorial. Los sistemas motores se organizan jerárquicamente.

2. La unidad motora (UM). Concepto: Fibras musculares inervadas por una única motoneurona α. Tipos de fibra muscular. Fibras lentas, rápidas e intermedias. Propiedades de un músculo basadas en la composición de distintas fibras musculares. Propiedades eléctricas de las motoneuronas según su tamaño. Relaciones entre el tamaño de las motoneuronas y el tipo de unidad motora. Motoneurona pequeña ⇒ UM pequeña de fibras lentas ⇒ Poca fuerza contráctil. Motoneurona grande ⇒ UM grande de fibras rápidas ⇒ Gran fuerza contráctil. Reclutamiento de unidades motoras. El principio del tamaño. 3. Principios básicos de regulación de la fuerza muscular. Reclutamiento de unidades motoras. Frecuencia de disparo de motoneurona - Contracción muscular. Activación asincrónica de motoneuronas. 4. Primer nivel de control motor (médula espinal y troncoencéfalo).

Motoneuronas α + circuitos locales. Circuitos reflejos. Control sensoriomotor de la longitud y tensión muscular.

El reflejo de estiramiento (miotático). Circuito neuronal implicado. Receptor sensorial implicado: El huso muscular. Papel de la inervación eferente al huso muscular. Motoneuronas γ. Control de la longitud muscular. Tono muscular.

El reflejo miotático inverso. Circuito neuronal implicado. Receptor sensorial implicado: El órgano tendinoso de Golgi. Control de la fuerza muscular.

Respuesta a estímulos sensoriales externos. El reflejo polisináptico de flexión o retirada. Circuito neuronal implicado. Papel en locomoción. 5. Generación de movimientos rítmicos coordinados. Locomoción.

Concepto de “generador central de patrón” de locomoción. Circuito neuronal implicado.

Basal Ganglia and Cerebellum

Movement and motor systems

Biceps

Triceps

Flexor carpiradialis

Extensorcarpi radialis

Anticipatoryresponses

Feedbackresponses

Anticipatory control Feedback control

The motor control systems require sensory information (parallel processing)2

Principles of organization of motor systems

43.1Figures: Kandel, 1999; Purves 2004

The nervous system controls the contraction of skeletal muscles1

The motor systems are organized hierarchically3

Cerebral Cortex

Brainstem

Spinal Cord

The motor unit Muscle fiber types are specialized for fast or sustained contraction

Tension in response to repetitivestimulation of motor neurons

Unfused tetanic forceResponse to repetitive stimulation

that evokes maximum tension

FatigabilityMuscle fiber types

Contractile force of a motor unit depends on:- the force-generating capabilities of fiber type.- the number of fiber muscles innervated by the motor neuron.

43.2Figures: Kandel, 1999; Purves 2004

The size principleMotor units are recruited based on their size

1 2 3 4

Time (ms)

Availability of motor units required toperform different motor tasks

The regulation of muscle force

Recruitment of motor neurons (size principle)1

Frequency of motor neurons action potentials / fiber muscle contractions2

Asynchronous activation of motor units ⇒ maintained contraction with reduced fatigue3

43.3Figures: Matthews, 2002; Purves 2004

First (lower) level of motor control

43.4Figures: Boron & Boulpapep 2005, Silverthorn 2007

Sensory propioceptors:- Muscle spindle- Golgi tendon organ

Brainstemα motorneurons + local circuits

Spinal cord

The simplest local circuits: REFLEX ARCS

Role of γ motorneurons activationThe myotatic stretch reflex

43.5Figures: Boron & Boulpapep 2005, Silverthorn 2007

The muscle spindle system is a feedback system that monitors and maintains muscle length CONTROL OF

MUSCULAR TONE

Gravity stretches muscles

Myotatic reflexes

The inverse myotatic reflex

43.6Figures: Boron & Boulpapep 2005

The Golgi tendon system is a feedback system that monitors and maintains muscle force

The withdrawal (flexion and crossed-extension) reflex

Other sensory inputs reflex circuits that adjust posture Postural stability

Rhythmic movements. Locomotion

Pattern generators are local circuits in the spinal cord that coordinate rhythmic movements related to locomotion

A central patterngenerator circuit

43.7Figures: Boron & Boulpapep 2005


44-1

TEMA 44. CENTROS SUPRAESPINALES DE CONTROL MOTOR

1. Organización jerárquica de los centros de control motor. Concepto de motoneurona superior (corteza y troncoencéfalo) Motoneuronas superiores en centros troncoencefálicos. Mantenimiento del equilibrio y la postura. Postura y balance globales. Núcleos vestibulares. Sistema vestíbulo-espinal. Formación reticular. Sistema retículo-espinal. Postura y balance de la región cervical. Colículo superior. Postura de la región proximal de extremidades superiores. Núcleo rojo. Sistema rubro-espinal. Importancia en las actividades manipulativas. 2. Córtex motor. Planeamiento e inicio de movimientos voluntarios complejos. Organización del córtex motor. Córtex motor primario. Córtex de asociación (premotor). Organización somatotópica. Vías córtico-espinales. Directas. Indirectas (troncoencéfalo como nivel intermedio de control). Codificación de la iniciación de un movimiento concreto por neuronas corticales. Correspondencia del disparo de motoneuronas corticales con la dirección del movimiento. Respuesta anticipatoria. 3. Modulación del movimiento por los ganglios basales. Vía directa y circuitos implicados. Circuitos que subyacen a los mecanismos desinhibitorios. Vía indirecta. Alteraciones funcionales en el circuito de los ganglios basales. 4. Modulación del movimiento por el cerebelo. Conexiones de entrada y salida del cerebelo. Funciones del cerebelo en relación al control motor. Coordinación de movimientos en tiempo real. Postura y equilibrio. Aprendizaje motor. El cerebelo como corrector de errores. Circuitos implicados. Función de monitorización del movimiento.

Organization of neural structuresinvolved in the control of movement

SKELETAL MUSCLES

Lowermotor neurons

Local circuit neuronsReflex coordination

DESCENDING SYSTEMSUpper motor neurons

Cerebral motor cortexPlanning, initiating, and

directing voluntary movements

Brainstem centersBasic navigational movements

and postural control

CEREBELLUMSensory motorcoordination

BASAL GANGLIAGating proper initiation

of movementTHALAMUS

Sensory informationand stored knowledge

SPINAL CORD ANDBRAINSTEM CIRCUITS

Sensory information

Upper motor neuron control

44.1

Upper level of motor control at the brainstem

Vestibular nuclei

Control of axial and proximal limb musclesBalance and posture

Reticular formation

Control of axial andproximal limb muscles

Initiate adjustments tostabilize posture during

ongoing movements

Upper motor neurons thatmaintain balance and posture

Red nucleus

Control of proximalmuscles of the armsManipulative tasks

Superior colliculus

Control of neck musclesHead and eye orienting

movements

Upper motor neurons that participate in posture and movement of “cervical” body parts

44.2Figures: Purves 2004

Cerebellum

Cortex

DIRECT CORTICAL PROJECTIONS

Somatotopic organization of motor cortex

INDIRECT CORTICAL PROJECTIONS

Upper motor neurons that initiate complex voluntary movements

Upper level of motor control at the motor cortex

44.3Figures: Purves 2004; Boron & Boulpaep, 2005

Brainstem

Intermediate level of control

Medial and lateral premotor cortex

Coding the intention to perform a movement. Selection of movements based on external or

internal events

What do MOTOR MAPS represent?

Upper level of motor control at the motor cortex

Primary motor cortex

Coding the initiation of complex voluntary movements.


Modulation of movement by the basal ganglia


Disinhibitory circuit in the basal gangliaBasal ganglia:Striate: caudate nucleus + putamenGlobus pallidus

Related areas:Subthalamic nucleisubstantia nigra

Functional circuits in the basal ganglia


Modulation of movement by the basal ganglia

Modulation of movement by the cerebellum


Somatotopic maps in the cerebellum

Inputs and outputs of the cerebellum

Role in balance and posture

Role in coordination of ongoing movement

Role in motor learning

Detection and correction of motor errors between intended and actual movement

Functions of cerebellum in motor control

2

1

3

Functional circuits in the cerebellum


PC

INPUTS

Intended movement (I)

Actual movement (A)I ≠ A

Correction signal Modification of movement

DCN

Error detection and correction function

PC DCN

INPUTS

OUTPUTS

A simplified model

Activity changes with the ongoing movement


45-1

TEMA 45. SISTEMAS DE CONTROL NEUROENDOCRINO

1. Balance de energía. Control del metabolismo y la temperatura corporal.

Metabolismo. Anabolismo, catabolismo y almacenamiento. Requerimientos nutricionales.

2. Regulación de la ingesta de alimentos.

Centros hipotalámicos de control de la ingesta de alimentos. Factores que controlan el apetito. Control a corto plazo. Control a largo plazo. Obesidad. Anorexia.

3. Regulación de la temperatura corporal. Homeotermia. Consecuencias de los cambios de temperatura en el cuerpo.

Dependencia de estados fisiológicos o condiciones ambientales. Mecanismos de producción, ganancia y pérdida de calor. Sensores, efectores y circuitos de retroalimentación en el control de la temperatura. Centros hipotalámicos de control.

Papel de los termorreceptores de la piel. Retroalimentación anticipatoria.

4. Variaciones de la temperatura corporal.

Hipotermia. Hipertermia. Fiebre.

Regulation of energy balance Metabolism

Temperature

Figure: Silverthorn

2007

Neuroendocrine

control systems

45.1

Work + Growth + HeatEnergy

in ingested nutrients

Positive balance OBESITY

Negative balance STARVATION / ANOREXIA

HYPOTHALAMIC

ANOREXIGENIC:Corticotropin-releasing hormone (CRH)α-Melanocyte-stimulating hormone (αMSH)Cocaine/amphetamine-regulated transcript (CART)Glucagon-like peptide I (GLP-I)CCK

OREXIGENIC:Neuropeptide Y (NPY)Norepinephrine (NE)Gamma-aminobutyric

acid (GABA)Galanin

(GAL)Endogenous opioid peptides (EOP)GhrelinOrexin-A, Orexin-B

OUTSIDE HYPOTHALAMUS

Distension of Gastrointestinal TractGastrointestinal peptides:

Colecystokinin

(CCK)Glucacon-like peptide I (GLP-I)Ghrelin

Adipose Tissue factors:Leptin

Figures: Boron & Boulpapep

2005

Regulation of food intake

45.2

Feedback loops:

Glucostatic

(short term)

Lipostatic

(long term)

Regulation of body temperature CONSEQUENCES OF DEVIATIONS IN BODY TEMPERATURE

TEMPERATURE (ºC) CONSEQUENCE

40-44 Heat stroke, brain lesions

38-40 Fever or exercise

36-38 Normal range

34-36 Mild hypothermia

30-34 Impairment of temperature regulation

27-29 Cardiac fibrillation

Time of day

Physical activity

Time of menstrual cycleBody Core Temperature

depends on:

Age

H (metab) –

H (convect) –

H (conduct) = Excess Heat

In the muscle:

Modes of heat transfer

In the whole body

45.3Figures: Boron & Boulpapep

2005

Negative feedback


2005

Regulation of body temperature

45.4

Skin

temperature receptors

Cold Warmth

Central

temperature receptors

Cold Warmth

Termoeffector

response

Hypothalamus Skin

Vasomotor response

Dilation Constriction

Regulated elevation of Tset Fever

Tset

: Body “Thermostat”

set point for temperature Regulation


2005

Variations in body temperature

45.5

Heat transfer potential of environment

Body regulatory capacity HYPERTHERMIA / HYPOTHERMIA>

Figures: Boron & Boulpapep 2005 45.6

Exercise hyperthermia

Tem

pera

ture

Fever hyperthermia

Tem

pera

ture

Variations in body temperature


46-1

TEMA 46. FISIOLOGÍA DE LOS RITMOS BIOLÓGICOS

1. Ritmos biológicos. Cronobiología. Características. Periodo, frecuencia, amplitud, fase. Clasificación. Circadianos, infradianos, ultradianos.

2. Ritmos circadianos de actividad. Reloj biológico endógeno. Relojes moleculares. Ritmos en procesos fisiológicos. Cambios hormonales Suspensión de actividad. Sueño. Duración del sueño en humanos. Funciones del sueño.

Ritmo vigilia-sueño. Relación con la luz; desincronización. 3. Sincronización del reloj biológico. Papel de la luz. Fotorreceptores especiales de la retina (células ganglionares fotosensibles; melanopsina). Circuito hipotalámico. Epífisis o glándula pineal. Papel de la melatonina. 4. Actividad global del cerebro y electroencefalograma. 5. Circuitos neurales implicados en los estados de vigilia y sueño. Troncoencéfalo. Hipotálamo. Conexiones tálamocorticales. 6. Regulación del ciclo vigilia-sueño. 7. Bases electrofisiológicas a nivel celular. Sincronización circuito tálamo-cortical. 8. Tipos y fases de sueño. REM. No REM. Fases y características. Cambios fisiológicos durante las fases del sueño.

Sleep and wakefulness The duration of sleep in humans

Circadian rhythmicity of body temperature and levels of growth hormone and cortisol

Rhythm of waking and sleeping of a volunteer in an isolation chamber

Wake stateSleep state

Max. temp.

Consequences of total sleep deprivation in rats


Neural systems involved in syncronization by light of biological clock

Temporal relationships between consciousness and other sleep-related factors

12 18 24 6

Cortisol Light

Consciousness

Time (hours)


Brain regions involved in regulation of the sleep–wake cycle

NAHistamine

Orexin

Histamine

Ach

5HT


Electroencephalography


VLPO

TMNLCRapheRet. Form.

ON

LHA

WakefulnessSleep VLPO

TMNLCRapheRet. Form.

OFF

LHA

Sleep WakefulnessTMN (Histamine)LC (NA)Raphe (5HT)Ret. Form. (Ach)

LHA(Orexin)

VLPO(GABA)

Regulation of the sleep–wake cycle


Recordings from a thalamocortical neuron

(ms)


EEG stages during sleep

EEG recordings during the first hour of sleep

Physiological changes during various sleep states

46.7Figures: Purves 2004; Guyton 2006


47-1

TEMA 47. FUNCIONES CEREBRALES COMPLEJAS

1. Áreas corticales de asociación. Atención e identificación de estímulos complejos. Planear respuestas apropiadas a los estímulos. Almacenar información relevante de los estímulos. 2. Lenguaje y comunicación. Lenguaje hablado y lenguaje gestual. Palabras, sintaxis, semántica, contexto y entonación. 3. Sistemas funcionales del SN implicados en el lenguaje y comunicación. Sistemas motores y sensoriales. Otros sistemas funcionales relacionados con el lenguaje. Zona ventral y posterior del lóbulo frontal (área de Broca). Zona posterior y superior del lóbulo temporal (área de Wernicke). Afasias de Broca y de Wernicke. Características. 4. Lateralización y lenguaje. Evidencias. Afasias. Disociación quirúrgica de hemisferios cerebrales en pacientes epilépticos. PET, NMR. ¿Asimetrías morfológicas? Papel del hemisferio izquierdo. Comprensión y producción del lenguaje. Papel del hemisferio derecho. Componentes de entonación y emocionales del lenguaje. 5. Aprendizaje y memoria. Definiciones. Categorías de memoria. Cualitativas. Declarativa. No declarativa. Temporales. Memoria inmediata. Memoria a corto plazo (memoria de trabajo). Memoria a largo plazo. Asociación y memoria. 6. Sistemas funcionales del SN responsables de la adquisición y almacenamiento de: Memoria declarativa. Memoria no declarativa. 7. Plasticidad de circuitos y sinapsis maduras.

Association cortices

Functions associated to association cortices

- Attention to complex stimuli- Identification of stimulus relevant features- Recognition of related objects- Planning appropriate responses

- Storage of information related to thestimulus and elicited responses

Lesions related to association cortices:

1. Parietal

2. Temporal

3. Frontal

Deficits of attention

Deficits of recognition

Deficits of planning


Language and speech

Neural structures involved in languageFunctional systems involved in language:

1. Motor systems

2. Sensory auditive systems

Touch and vision for written language

3. Other cortical regions

Verbal language / Written language / Sign (gestual) language

Language uses a system of symbols Symbolic representation


Language is localized

Language is lateralized

Studies with split-brain patients

PET studies in normal subjects listeningand talking about particular topics


67% of human brains present left-right asymmetries

Right hemisphere dominant for language in 3% of population

Role of right hemisphere in language:Prosodic elements

Learning and memory

Qualitative categories of Memory

Type of informationForm of acquisition – Form of retrieval

Temporal categories of Memory

Sense of present time Short-term memory

“Learning is the process by which new information is acquired by the nervoussystem and is observable through changes in behavior.”

“Memory refers to the encoding, storage, and retrieval of learned information.”Purves et al. 2004


Pathological forgetting (amnesias)- Anterograde amnesia- Retrograde amnesia

Selectively forgetting some stored information is very important

Importance of association in information storage

Association: giving meaningless items a meaningful context

Brain systems underlying declarative memories

Short-term storage

Long-term storage

Brain systems underlying non-declarative memories


Changes in brain function when we Learn, Retain, Retrieve or Forget information with our multiple Memory Systems

Changes in synaptic strength Changes in behaviorPatterns of electrical activity

Synaptic Plasticity

General principles of learning and memory processing in the brain

1. Multiple memory systems are present in the brain.

2. Each memory system uses different brain structures.

3. Acquisition and storage of information do not need to happen in the same anatomical locations.

4. Learning and memory results in changes in neural circuits (molecular, electrophysiological, anatomical).

5. Short-term forms of learning and memory require changes in existing neural circuits.

6. Long-term forms of memory require new protein synthesis and morphological changes (e.g. growth of new connections, neurogenesis).

Synaptic Plasticity


Leciones 43-47 (Motor, etc)

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