Funkcje ruchowe

Kora mózgowa i zachowanie
Główne rodzaje kory wyróżnione na
podstawie ilości warstw widocznych w
wycinkach histologicznych
Mapa cytoarchitektoniczna kory mózgowej opracowana przez Korbiniana Brodmanna (1868-1918)
na podstawie grubości warstw i typu komórek w korze mózgowej. Okolice kory mózgu nie mają
nazw, tylko numery od 1 do 52 (Brodmann area, BA) Najważniejsze obszary: kora motoryczna – BA
4, kora przedmotoryczna – BA 6, przednie obszary wzrokowe – BA 8, kora czuciowa – BA 3,1,2,
kora wzrokowa – BA 17, 18, 19, kora słuchowa – BA 41, 42. Obszar mowy Wernickego – BA 22,
obszar mowy Broki – BA 44.
Co czyni nas ludźmi?
Filogeneza kory mózgowej – wczesne poglądy
Wczesne (do ~1970) poglądy na wydarzenia w
trakcie rozwoju kory mózgowej, od ryby do ssaka:
- liniowy wzrost kresomózgowia (półkule
mózgu+spoidła + jądra podstawne +
węchomózgowie)
- u ryby kora służyła głównie do odbioru
(paleocortex) i analizy (archicortex) bodźców
węchowych.
- u płazów, a szczególnie u gadów, pojawiła się nowa
kora (neocortex)
- u gadów i ptaków inne bodźce sensoryczne
dochodzą do kory poprzez wzgórze.
- znaczne powiększenie kory nowej oraz ilości wejść
ze wzgórza i zwojów podstawy u ssaków.
Filogeneza kory mózgowej – nowe obserwacje
Nowe obserwacje:
-Kresomózgowie nie rozwijało się stopniowo lecz skokowo
(np. delfiny).
-Projekcje dróg węchowych do kresomózgowia są właściwe
(specyficzne) tylko dla pewnych obszarów kory.
-Bodźce innych modalności sensorycznych, przechodzące
przez wzgórze są obecne już u ryb
-Podobnie, lecz niezależnie rozwinięte struktury nazwano
‘homoplastycznymi’ w odróżnieniu od odpowiednich
struktur rozwijających się liniowo (tj. homologicznych).
Filogeneza kory mózgowej - podsumowanie
Ontogeneza kory mózgowej
Etapy rozwoju ludzkiego mózgu:
4 tygodnie:
- widoczny podział cewki nerwowej (neural tube) na
różne obszary (prosencephalon, encephalon,
mesencephalon, rhomboencephalon)
-pojawia się pęcherzyk wzrokowy (optic vesicle, OV)
5 tygodni:
-wyróżniają się nowe obszary: telencephalon i
diencephalon, metencephalon i myelencephalon
-Powstaje zalążek podwzgórza
7 tygodni:
-powstaje wzgórze łączące telencephalon z
pozostałymi częściami układu nerwowego.
-powstaje wyspa (medulla), most (pons) i móżdżek
(cerebellum)
-----------------------------------------------------------------zmiany typowe dla ssaków:
2 miesiące:
-wzrost telencephalonu
3 miesiące:
-telencephalon przykrywa część ogonową pnia mózgu
-widoczny początek podziału na płaty (lobes)
4 - 9 miesięcy:
-wzrost kory nowej wraz z pofałdowaniem
-zupełne przykrycie rdzenia kręgowego
Początki układu nerwowego
We wczesnym zarodku zaczynają się wyróżniać 3 warstwy: zewnętrzna (ektoderma), wewnętrzna (endoderma) i
środkowa (mezoderma). Układ nerwowy rozpoczyna się we wczesnym stadium rozwoju embrionalnego w części
środkowogrzbietowej ektodermy - tzw. płytce nerwowej.
Początki układu nerwowego
A.
Położenie płytki nerwowej
w stosunku do
nieneuronalnej ektodermy,
mesodermy i endodermy.
B.
Komórki grzebienia
nerwowego (neural
groove) leżące po obu
stronach płytki nerwowej
rozpoczynają różnicowanie
się obwodowego układu
nerwowego.
C.
Rynienka zagłębia się
coraz bardziej
D.
Wierzchołki rynienki
stykają się ze sobą tworząc
cewę nerwową. Komórki
wyściełające cewę
nerwową dzielą się i
różnicują w kierunku
neuronów i komórek
glejowych.
Neurogeneza – powstawanie neuronów
Komórki wyściełające cewę nerwową
przechodzą powtarzalny cykl migracji
związanych z podziałem komórki
(mitozą).
Cykl rozpoczyna się od niezróżnicowanej
komórki zawierającej diploidalne DNA
(zawierająca po dwa chromosomy danego typu )
(faza G1). Jądro komórki przemieszcza się na
zewnątrz i rozpoczyna replikacje DNA (faza S).
Po podwojeniu zawartości DNA w jądrze (dolny
rysunek), przemieszcza się ono z powrotem do
wewnątrz (faza G2) i rozpoczyna mitozę w
pobliżu ścianki (faza M). W wyniku mitozy
powstają dwie komórki z diploidalną
zawartością DNA. Powstała komórka i) może
stać się neuronem i rozpocząć migrację w
kierunku swojego miejsca docelowego, lub ii)
staje się komórką niezróżnicowaną i zaczyna od
nowa powtarzalny cykl podziału.
Migracje neuronów
Migrujący neuron.
Z: http://www.rockefeller.edu/labheads/hatten/mechanism.html
Radialne komórki glejowe dostarczają
wytycznych dla migrujących neuronów
W płytce korowej (cortical plate, CP)
neurony mijają warstwy głębokie i dążą
do warstwy I.
Dojrzewanie neuronów
Dojrzewanie neuronów trwa znaczną część życia. Podczas rozwoju neuronu od fazy embrionu do dorosłego
człowieka, neurony rosną, oraz wykształcają drzewa dendrytyczne i kolaterale aksonu. Wczesne dzieciństwo jest
fazą dynamicznego dojrzewania komórek w korze.
Dojrzewanie synaps
Przebieg czasowy rozwoju synaps w różnych
obszarach kory mózgowej małpy. Na rys. F
pokazano lokalizacje badanych obszarów.
Powierzchniowa gęstości synaps w neuropilu
(tkanka korowa bez ciał komórek i bez naczyń
krwionośnych) była badana poprzez liczenie synaps
na 100 mikrografiach z mikroskopu elektronowego.
Poziomy szary pas wskazuje wartość średnią u
dorosłego osobnika. Czas (w skali logarytmicznej)
przebiegał od zapłodnienia do wieku 20 lat. W
badaniach zidentyfikowano 500 000 synaps w 25
000 mikorgrafiach u 22 małp.
Schemat rozwoju synaps jest taki sam we
wszystkich badanych obszarach kory. U płodu
następuje stały wzrost gęstości synaps, osiągający
poziom dojrzałego organizmu w chwili urodzin. Po
narodzinach gęstość rośnie jeszcze przez 2-4
miesiące, a następnie opada (wpierw szybko,
następnie wolno) i osiąga poziomu dorosły w wieku
2-4 lata.
Wyniki wskazują na ‘nadprodukcję i eliminację’.
Konkurencja i walka o przetrwanie w świecie
zewnętrznym odzwierciedla się w walce o
przetrwanie synaps w wewnętrznym świecie
neuronów. ‘Przeżywają’ obwody najbardziej
skuteczne w przetrwaniu całego organizmu.
Poziomy organizacji kory
Poziomy organizacji układu nerwowego i kory mózgowej. Poziom cząsteczek i jonów oraz kanałów i
receptorów w korze odpowiada tym samym poziomom w innych strukturach mózgu.
Poziomy organizacji kory – synapsy i kolce dendrytyczne
Rozwój synaptyczny jest w dużej mierze związany z rozwojem kolców dendrytycznych. Każdy kolec jest ‘siedzibą’ synapsy; kolce
odgrywają role w ‘nadprodukcji i eliminacji’. Synapsy w korze są bardzo czułe na sygnały środowiska. Np. pozbawienie sygnałów
wzrokowych prowadzi do redukcji ilości kolców (w ciele kolankowatym bocznym - część B na rysunku. 1 – warunki normalne, 2 –
wychowanie w ciemności), wychowanie w stymulującym otoczeniu powoduje wzrost grubości kory i większe połączenia
synaptyczne.
Poziomy organizacji kory – jednostki kolców dendrytycznych
Oddziaływanie pomiędzy kolcami może generować operacje logiczne w dendrytach komórek kory. A. Segment dendrytyczny
neuronu kory z czterema wejściami synaptycznymi. B. Model kompartmentowy segementu z rys. A. Kompartmenty pasywne
pokazane są na biało, kompartmenty aktywne są zacieniowane, a C i D przedstawia ich obwody zastępcze. E. Symulacja
odpowiedzi układu w wyniku pobudzenia komp. 1 i 2. Jednoczesne pobudzenie 1 i 2 prowadzi do powstania impulsów w komp. 1 i
2 oraz, poprzez pasywną propagację, w komp. 3 i 4. Układ funkcjonuje jak bramka logiczna AND. F. Symulacja odpowiedzi
układu w wyniku pobudzenia komp. 1 i hamowania komp. 7. Hamowanie komp. 7 blokuje powstawanie impulsu w komp. 2 i 3
lecz nie w komp. 1. Układ funkcjonuje jak bramka logiczna NOT-AND
Poziomy organizacji kory – neurony korowe
W korze znajduje się wiele rodzajów komórek. Występuje tu
zasadniczy podział na komórki piramidalne, tworzące wyjścia i
niepiramidalne, głównie interneurony hamujące. Komórki w
różnych warstwach kory różnią się rozmiarem i własnościami.
W płytkich warstwach kory występują komórki typu RS
(regular spiking), w głębszych warstwach występują zarówno
RS jak i IB (intrinsically bursting). Interneurony we wszystkich
warstwach są typu FS (fast spiking). Funkcjonalne znaczenie
różnych wzorców odpalania jest wciąż badane.
Mircea Steriade, Neocortical Cell Classes Are Flexible Entities. NATURE REVIEWS |
NEUROSCIENCE, VOL. 5, pp. 121-134, 2004.
Poziomy organizacji kory – obwody lokalne
Podobnie jak w innych obszarach mózgu,
obwody synaptyczne w korze zbudowane są z
elementów triady synaptycznej: włókna
wejściowe, neurony wyjściowe i neurony
wewnętrzne (interneurony). A. Podstawowy
obwód korowy: 1. Dostaje wejścia
pobudzające na dendryty dystalne neuronów
piramidalnych. 2. Kolaterale axonalne są
pobudzające (reexcitatory, RE). 3.
Interneurony dostają wejścia i zapewniają
hamowanie do przodu (feedforward inhibition,
FI) i/lub otrzymują wejścia z kolaterali i
zapewniają hamowanie boczne (lateral
inhibition, LI). W prostej korze (agranular
neocortex, B.) np. kora motoryczna i
asocjacyjna, komórki dostają wejścia z innych
obszarów kory. Występują połączenia typu
RE, FI, LI. W korze ziarnistej (granular
neocortex, C.) np. kora wzrokowa, wejścia
aferentne ze wzgórza dochodzą do komórek
gwiaździstych (stellate cells), definiując nową
warstwę (IV). Komórki gwiaździste tworzą
stację przekaźnikową w korze, w której
odbywa się wstępne obrabianie informacji,
zanim dotrze ona do komórek piramidowych.
Poziomy organizacji kory – moduły
Obwody lokalne w korze nie są zorganizowane w sposób rozmyty lecz w skupiska tzw. moduły.
Przykłady modularyzacji kory podane są w tabeli.
Poziomy organizacji kory – moduły w korze wzrokowej
Moduły nie są wpisane statycznie lecz
tworzą się pod wpływem
doświadczenia. A. U małpy projekcje
oczne z ciała kolankowatego
bocznego w embrionie są początkowo
rozległe i nakładające się na siebie w
korze wzrokowej. Na 2 tygodnie przed
urodzeniem (E144) następuje
segregacja wejść z jednego i drugiego
oka i powstanie kolumn dominacji
ocznej, w pełni ukształtowanych w 36 tygodni po urodzeniu.
B. Jeśli jedno oko będzie zamknięte
od urodzenia, kolumny dominacji
ocznej drugiego oka ulegną
powiększeniu. Deprywacja
jednooczna następowała w wieku: a) 2
tygodnie, b) 5.5 tygodnia, c) 10
tygodni, d) w dorosłości. Zmiany w
korze wzrokowej następują gdy
deprywacja zaczyna się w trakcie
kształtowania się kolumn (przypadek
a i b).
Poziomy organizacji kory – obszary i płaty korowe
Kora ssaków składa się z czterech płatów: czołowy (frontal), ciemieniowy (parietal), skroniowy (temporal) i
potyliczny (occipital). Płat potyliczny dostaje wejścia wzrokowe, płat ciemieniowy – wejścia czuciowe, płat
skroniowy – wejścia słuchowe, w płacie czołowym ma początki wiele dróg ruchowych. Obszary płatów nie
zaangażowane bezpośrednio w drogi zmysłowe lub motoryczne nazywane są obszarami asocjacyjnymi. Obszary
te uległy największemu powiększeniu u człowieka co czyni je jednym z atrybutów człowieka.
Poziomy organizacji kory – układy rozproszone – przetwarzanie
informacji wzrokowej
Większość zachowań kontrolowanych przez korę zależy
od oddziaływania obszarów należących do różnych płatów
korowych. Innymi słowy, funkcje kory są zorganizowane
w systemy rozproszone. Przykładem może być
analizowanie informacji wzrokowej angażujące obszary w
płacie potylicznym, ciemieniowym i skroniowym.
B.W niższej części płata
skroniowego analizowane
są własności obiektów.
C.W tylnej części płata
ciemieniowego
analizowane są relacje
przestrzenne między
obiektami. Droga
grzbietowa (dorsal) jest
wielosensoryczna i łączy
informacje wzrokową z
informacją czuciową ręki.
Wewnętrzne reprezentacje i płaty czołowe
A. W płatach czołowych następuje tworzenie wewnętrznej reprezentacji świata zewnętrznego na podstawie informacji wzrokowej.
Małpy z uszkodzoną korą czołową (i noworodki do 1 roku życia) nie potrafią wykonać zadania polegającego na utrzymaniu obiektu w
wewnętrznej reprezentacji, nie znajdującego się w polu widzenia (delayed response test). B. Badania neuroanatomiczne pokazały silne
wzajemne połączenia pomiędzy obszarami asocjacyjnymi w korze przedczołowej i ciemieniowej. Występują też drogi równoległe
biorące udział w analizowaniu różnego typu informacji.
Płaty czołowe, pamięć robocza i choroby psychiczne
„Working memory confers the ability to guide behavior by internal
representations of the outside world rather than by immediate stimulation and
thus to base behavior on ideas and thoughts.”
P. Goldman-Rakic, 1991. Prefrontal cortical disfunction in schizophrenia: the relevance of working
memory. In Psychopathology and the Brain. New York, Raven Press.
Schizofrenia może polegać na załamaniu mechanizmów dzięki którym
reprezentacja wewnętrzna świata (wiedza) rządzi zachowaniem.
Obserwacje potwierdzające hipotezę:
1.Schizofrenicy łatwo się rozpraszają pod wpływem zewnętrznych bodźców
2. Schizofrenicy słabo wypadają w teście delayed response
3. Pacjenci ze schizofrenią mają zmniejszony przepływ krwi w płatach
czołowych.
Półkule mózgowe – lateralizacja i dominacja
Pierwszy dowód na asymetrię funkcjonalną (lateralizacja) półkul podał Paul Broca w 1863.
Aparat mowy znajduje się w płacie czołowym lewej półkuli (dominacja lewej półkuli w
mowie).
Oryginalny rysunek Wernickego (1874) pokazujący koncepcje obwodów mowy. Dźwięk docierający do uszu, zamienia się na
impulsy nerwowe i dociera drogami słuchowymi (a) do mózgu, gdzie ‘obrazy’ dźwięku są przechowywane w polu Wernickego
(a’). Obrazy neuronalne przesyłane są do pola Broki (b), które aktywuje wychodzące projekcje motoryczne kontrolujące aparat
mowy.
Dominacja
Schematyczny rysunek mózgu z zaznaczonymi
specjalizacjami obu półkul. Pomiędzy półkulami
widoczne przecięte spoidło wielkie. Lewa półkula
dominuje w: mowie, języku, złożonych ruchach
zamierzonych, czytaniu, pisaniu i arytmetyce.
Prawa półkula dominuje w: funkcjach
nielingwistycznych, takich jak rozpoznawanie
wzorców wzrokowych, słuchowych, czuciowych,
orientacji przestrzennej, rozpoznawanie kształtu,
orientacji kierunku w przestrzeni oraz intuicji.
Ogólny podział: półkula lewa – naukowa, półkula
prawa - artystyczna
Lateralizacja
Oprócz asymetrii funkcjonalnej odkryto (w 1968 r.) asymetrię anatomiczną związaną z obszarami mowy w mózgu. Obszar zwany
‘Planum Temporale’, zawierający ośrodek Wernickego jest znacząco większy z lewej strony.
Wypowiadanie wyrazów
Ośrodki mózgu zaangażowane w wypowiadanie nazw widzianych obiektów. Informacja wzrokowa dochodzi do pola 17 i jest
przetwarzana w polach 18 i 19. Stamtąd obraz percepcyjny jest przekazywany do ciemieniowego obszaru mowy zawierającego pole 39 i
klasyczny obszar Wernickego. Pole 39 przekazuje wzrokową reprezentacje obiektu do pola 22, gdzie powstaje reprezentacja słuchowa. Z
pola 22, informacja dostaje się do pola Broki, gdzie uruchamiane są programy motoryczne mowy. Programy te kontrolują czasowoprzestrzenną koordynacje mięśni mowy i są odpowiedzialne za wypowiadane słowo.
Pozytonowa Tomografia Emisyjna (Positron Emission Tomography, PET
PET – technika obrazowania, w której rejestruje się
promieniowanie powstające w podczas anihilacji pozytonów.
Źródłem pozytonów jest substancja promieniotwórcza podana
badanemu np. deoxyglukoza znakowana izotopem fluoru (F18). W miejscach podwyższonego metabolizmu, następuje
spalanie cukrów – tam też gromadzi się deoxyglukoza,
będąca ‘źródłem’ pozytonów. Pozytony, przebywają drogę
~mm i zderzają się z elektronami. W wyniku anihilacji
powstają dwa fotony poruszające się w przeciwnych
kierunkach. Są one rejestrowane jednocześnie przez dwa z
wielu detektorów ustawionych wokół (najczęściej w postaci
pierścienia) badanego organu, w wyniku czego można
określić dokładne miejsce powstania pozytonów. Informacje
te rejestrowane w postaci cyfrowej pozwalają na konstrukcję
obrazów będących przekrojami ciała (mózgu) pacjenta.
Badanie aktywności mózgu wykonuje się w warunkach
kontrolnych i podczas wykonywania zadania. Różnica
obrazów pokazuje aktywność związaną z zadaniem.
Uśrednianie wielu obrazach prowadzi do redukcji szumu.
Myślący mózg – analiza informacji słownej
Badanie aktywności mózgu metodą PET podczas wykonywania trzech różnych zadań o rosnącej złożoności. Dla każdego zadania
obraz aktywności prostszego zadania był odejmowany od obrazu zadania bardziej skomplikowanego by wyróżnić miejsca w
mózgu odpowiedzialne jedynie za zadanie skomplikowane. Zadanie 1: pasywny odbiór bodźca sensorycznego – słowa
prezentowanego A – wzrokowo, B – słuchowo, w porównaniu z fiksacja wzrokową. Zadanie 2: wypowiadanie prezentowanego
słowa C), w porównaniu z pasywnym odbiorem. Zadanie 3: wypowiadanie słowa skojarzonego ze słowem prezentowanym (D), w
porównaniu z wypowiadaniem prezentowanego słowa. Z: Petersen SE, Fox PT, Posner MI, Mintun M, Raichle ME. Positron
emission tomographic studies of the cortical anatomy of single-word processing. Nature. 1988 18;331(6157):585-9.
Kod Mózgu
Jak kodowana jest informacja w mózgu za pomocą potencjałów czynnościowych?
Binarnie
Częstość – ilość potencjałów
czynnościowych na jednostkę
czasu (rate coding): narządy
zmysłów, mięśnie
Kod Mózgu
Kod czasowy –
zależność
czasowa między
impulsami
Kod Mózgu
Kodowanie populacyjne
– wzorzec aktywności w
populacji neuronów. Np.
kodowanie kierunku
ruch, orientacji
przestrzennej bodźca,
smaku, koloru
Gamma coding
Singer and von der Malsburg: gamma oscillation is a network phenomenon in which a group
of cells fire together synchronously (synchronous is defined as firing in same gamma cycle;
different groups fire on different gamma cycles.)
Cognitive role: cells representing groups of features that were part of the same object would
fire synchronously (‘‘binding’’).
Different assemblies firing in different gamma cycles could represent different entities (A, B,
C..) that are simultaneously encoded in the brain.
Singer W. 2000. Response synchronization: a universal coding strategy for the definition of relations. In: Gazzaniga
MS, editor. The new cognitive neurosciences. 2nd ed. Cambridge, MA: MIT Press. p 325–338.
Theta coding – phase precession in hippocampal cells
Hippocampal place cells code for spatial location.
Code: phase of a spike with respect to theta cycle.
180o
As the rat traverses the place field the phase of
each spike relative to the peaks of theta in the
field potential changes systematically.
0o 360o
Mehta MR, Lee AK, Wilson MA. 2002. Role of experience and
oscillations in transforming a rate code into a temporal code.
Nature 417:741–746.
O’Keefe J, Recce ML. Phase relationship between hippocampal place
units and the EEG theta rhythm. Hippocampus 1993;3:317–30.
Theta coding – phase precession in hippocampal cells
Prediction: that two cells coding for slightly different positions should show a crosscorrelation with a peak offset equal to a significant fraction of theta.
Confirmed!
Cross-correlation between 4 place cells (pairwise 1–2,1–3, and 1–4). Different cells have
systematic theta phase difference. The peak cross-correlation (lower panels) has a temporal offset
in the 40–80 ms range.
Skaggs WE, McNaughton BL, Wilson MA, Barnes CA. 1996. Theta phase precession in hippocampal neuronal
populations and the compression of temporal sequences. Hippocampus 6:149–172.
Theta/gamma coding – working memory model
Each theta cycle is subdivided into 7 gamma subcycles (A-G). Within a particular gamma cycle
(e.g., A), certain cells will be active, forming a spatial code for an item. Seven items are sequentially
represented in the gamma subcycles. The entire pattern group of 7 patterns may repeat on the next
theta cycle if this is a working memory network.
Decoding: coincidence detection by downstream cells
Lisman J, The Theta/Gamma Discrete Phase Code Occuring During the Hippocampal Phase Precession May be a More
General Brain Coding Scheme. HIPPOCAMPUS 15:913–922 (2005)
Gamma vs. Theta/gamma coding
Singer’s coding scheme depends only on gamma. What it is that the presence of theta provides?
Suppose two assemblies (A,B) fire in sequential gamma cycles. What is the orderAB or BA?
A
B A
B
Order is relative
gamma
theta
but with theta
theta +
gamma
becomes absolute
Order is BA!
Theta provides absolute phase reference and can convey information about position in an ordered set
Theta is a brain clock for a neural code designed for handling ordered units of information.
Theta/gamma coding in humans
-analysis of EEG, MEG and intracranial EEG recordings
-experiments motivated by animal studies
-behavioral (verbal, visual and spatial cognition) correlates of gamma and theta
oscillations were found often depending on brain region and poststimulus latency
Increase of theta power during long maze
navigation at selected brain sites:
Construction of an object representation
induces gamma burst at 280 ms
triangle
no
triangle
Kahana MJ, Sekuler R, Caplan JB, Kirschen M, Madsen JR:
Human theta oscillations exhibit task dependence during virtual
maze navigation. Nature 1999, 399:781-784.
Tallon-Baudry C, Bertrand O, Delpuech C,
Pernier J. Stimulus specificity of phase-locked
and non-phase-locked 40 Hz visual responses
in human. J Neurosci. 1996;16(13):4240-9.