CEREBELLUM szvettan neurlis kapcsolatok cerebellaris szindrmk Nemeskri gnes

CEREBELLUM szövettan – neurális kapcsolatok – cerebellaris szindrómák Nemeskéri Ágnes 2018 Semmelweis Egyetem Anatómiai Szövet- és Fejlődéstani Intézet nemeskeri. agnes@med. semmelweis-univ. hu

Cerebellum - funkció A klasszikus elképzelés szerint a cerebellum kontrollálja a mozgás koordinációt (Flourens, 1824; Luciani, 1891) motoros tanulást (Marr, 1969; Albus, 1972) DE A legújabb kisérleti eredmények szerint: szerepe van a kognitiv és emocionális folyamatokban (Schmahmann, 2004; Schmahmann and Caplan, 2006; Ito, 2008)

„a human cerebellum 3 -4 -szeresére növekedett az utolsó 1 millió évben. - 20 millió idegpálya mindkét oldalon mindkét irányban - A parietalis és prefrontális areákba tervezés és nyelvi funkciókhoz” (Leiner, Leiner & Dow) Lent et. al. 2012

A cerebellum funkciói D’Angelo (2013): „a cerebellum úgy funkcionál, mint egy coprocessor, hatása attól függ, hogy az adott kisagyi modul milyen centrumhoz kapcsolt, befolyásolja a kognitív funkciókat és a szenzoros-motoros feldolgozást”

Kisagyi funkciók szintjei Alacsonyabb szintű funkciók időzítés - legalapvetőbb előrejelzés, előre gondolkodás tanulás - ismeretlen probléma vagy körülmények - cerebellum primér szerepe mentális tárgy manipuláció Magasabb szintű funkciók motor kontroll figyelem bekapcsolás nyelvi feladat elképzelés vizuális-térbeli feldolgozás döntéshozás logikus gondolkodás kultúra evolúciója, kialakulása az egyén életében

A cerebellum szövettana Cerebellaris cortex - feltűnő, szabályos, 3 -rétegű uniform struktúra - minden kisagyi régió alapvetően azonos működés

A cerebellum szövettana St r mo. lec u lar e folia - gyrus Str. granulosum Purkinje sejt réteg (str. ganglionare co r te x lamina alba

Cerebellaris cortex rétegei Str. moleculare - gátló interneuronok (GABA-erg): csillag sejtek, kosár sejtek - Purkinje sejtek ellapult dendrit-fája - rostok: parallel rostok: szemcse sejtek axonjai Purkinje sejt réteg - Purkinje sejtek perikaryonjai és Bergmann glia sejtek - Purkinje réteg alatt: Lugaro sejtek hosszú dendritjei a Purkinje és szemcse sejtek rétegei között Szemcse sejtek rétege - nagyszámú szemcse sejt - interneuronok: főleg Golgi sejtek unipolar kefe sejtek (csak a flocculo-nodular l. ) serkentő interneur. Lugaro sejtek – gátló interneur. –gátlókon végződik - rostok: - moharost terminálisok - áthaladó kúszó rostok

kosársejt szemcsesejt kúszórost moharost kisagy magok moharost unipolaris kefe sejt serkentő interneurons (csak a flocculo-nodularis l. ) input a moha rostok felől, és szemcse sejtek ON és OFF válaszai ellenkező polaritásúak, bidirectionalis szemcse sejt válasz – a mozgás irányának kódolására

Szemcse sejtek - ~ 50 milliárd - az összes neuron ~ 75 % glomerulus - axonja vertikálisan fut str. moleculareba - kéttéágazik és horizontálisan fut: parallel rost ("T" alak) rost - parallel rostok áthaladnak a Purkinje sejtek dendritfáin - 80 -100 szinapszis - szemcse sejtek: 4 -5 dendrit glutamaterg: excitatio - kisagyi glomerulusban - moharost terminálissal - serkentés - gátló hatás Golgi sejt axon

Parallel rostok - Purkinje dendritfa a str. moleculareban - parallel rostok aktiválják: - Purkinje sejteket - csillag és kosár sejteket, ezek gátolják a Purkinje sejteket

Cerebellaris glomerulus moha rost terminalis honnan? - szemcse sejt: 4 -5 dendrit - egy moharost axon terminalis - szenzoros információk - kb. 50 szemcse sejt – dendrittel szinaptizál - Golgi sejt -glia burok https: //slideplayer. com/slide/4280523/14/images/34/Cerebellar+glomerulus. jpg pons vestibularis magok medulla spinalis

Purkinje sejt Jan Evangelista Purkyně (Czech) (1787 – 1869) Cseh anatómus és élettan tudós http: //blog. nervousencounter. com/wp-content/ uploads/2012/08/Kouichi-Purkinjecellproj 146. 25. jpg

Purkinje sejt réteg

Purkinje sejt dendritfa: két-dimenziós síkú str. moleculare - a dendritfa síkja merőleges a folium tengelyére - dendritic spines: Glu. Rδ 2 szelektiven expresszálódik a Purkinje sejteken soha a kúszó rost-Purkinje cell synapsisban http: //synapses. clm. utexas. edu/anatomy/compare/fig 4. jpg Glutamate-receptor-δ 2 (Glu. Rδ 2): synaptogén a parallel roston -eliminálja a felesleges kúszórostokat http: //www. scielo. org. ar/img/ revistas/biocell/v 36 n 1/a 01 f 28. gif Purkinje sejt (GABA-erg) axon: - az egyetlen kisagyi kimenet - információ a kisagyi magokon hagyja el

Golgi sejt http: //www. neuroscience. cam. ac. uk/ uploaded. Files/mostofi_phpt. Taihc. jpg http: //www. wikiwand. com/en/Feed_forward_(control) Golgi sejt - gátló interneuron a str. granulosumban - Golgi rövid axonja synaptizál a szemcse sejt dendriten - Golgi sejt befolyásolja a moha rost – szemcse sejt synapsist - serkentő input a moha rost felől - Golgi sejtl dendrit synaptizál a szemcsesejtek axonján a parallel rostokon - ez a kapcsolási séma lehetővé teszi a szemcse sejtek feed-forward és feed-back inhibicióját

Kosár sejt, csillag sejt Csillag sejt -synapsis ~12 Purkinje sejt dendriten -synapsis Purkinje perikaryonon -gátló interneuron -a moharost-szemcse sejt-parallel rost útvonal aktiválja inhibition excitation inhibition J. Szentágothai Laterális gátlás -Kosár sejt - str. moleculare: gátló interneuron - hosszú axon több kosárszerű rostfészket képez a Purkinje perikaryonoknak - axo-somatikus synapsisok - gátolja az akciós potenciál létrejöttét https: //encrypted-tbn 3. gstatic. com/images? q=tbn : ANd 9 Gc. QKCt. F 98 i. JZO 4 K 0 r. SRVBe. A 4 e. Kq. Iu 03 -5 VTLv 01 RRkp. S 0 x. J 5 -nt 4 SA a Purkinje iniciális szegmenten

Kisagy magok MRI J. Nolte: Human Brain - 2009 - kisagy magok: cerebelláris cortexből a Purkinje sejtek axonja (inhibitio) - a magok neuronjai spontán akciós potenciálokat generálnak a folyamatos Purkinje sejtekből érkező gátlás ellenére - cerebellaris magok afferens rostokat kapnak: oliva inferior, lateral reticular nucl. , felső cervicális és lumbális spinális szegmentumokból pons nuclei - kisagy magok funkcionális egységet alkotnak: feedback kontroll: cerebelláris cortex ellenőrzi a cerebelláris outputot

Nucleus dentatus Humán nucleus dentatus : - dorsalis rész projiciál – n. ruber - VL/VA - motor cortex - ventrális rész projiciál - thalamus: VL/VA dorsomedial nucl. prefrontalis cortex tisztán cognitiv feladatok során megnő a véráramlás a cerebellum különböző részeiben J. Nolte: Human Brain - 2009 MRI Atlas of the Human Cerebellar Nuclei A. Dimitrova, J. Weber, C. Redies, K. Kindsvater, M. Maschke, F. P. Kolb, § M. Forsting, H. C. Diener, and D. Timmann. 2002

Cerebellum – Input I. - moha rost 1. Moha rostok: - cerebrális cortexből a pontocerebelláris pályán cerebro-ponto-cerebellaris systema – cerebrocerebellumba (pontocerebellum) - primér és secunder motor cortex, primér sensoros cortex spinocerebellaris pálya – spinocerebellumba + n. interpositusba primér és secunder vestibularis afferensek - vestibulocerebellumba + n. fastigii, interposed nuclei agytörzs formatio reticularis - szemcse sejtek dendritjein végződnek › parallel rostok › Purkinje sejt Spinocerebellum - az ipsilateralis testfél somatotopic representaciója Vestibulocerebellum csak itt: unipolaris kefe sejt http: //cobocards. s 3. amazonaws. com/card/480_300/7/7234826. jpg

Cerebellum – Input II. - kúszó rostok 2. Kúszó rostok a contralaterális oliva inferior-ból - synapsisokat képeznek a kisagyi magokkal és Purkinje sejtekkel - minden egyes kúszó rost 1 -10 Purkinje sejttel szinaptizál - nagyon erős, excitatorikus input!!!! - centrális szerep a motoros működésben Oliva Inferior afferenseket kap: medulla spinalis vestibularis rendszer nucleus ruber colliculus superior formatio reticularis sensoros és motoros cortex a contralateralis nucleus dentatusból és n. interpositus Oliva Inferior résztvesz a mozgások kontrolljában és koordinációjában, szensoros processing és cognitiv felada valószínüleg a szenzoros információk időzítése, ütemezése a figyelemtől és tudatos odafigyeléstől független Oliva inferior sérülése = maradandó deficit a motoros tanulásban

Cerebellaris somatotopia http: //www. anatonomina. org/data/ ext/proprio/mozecek 02. jpg http: //what-when-how. com/wp-content/uploads/2012/04/tmp 15 F 111_thumb 2. jpg

Melyik információ melyik cerebellaris régióba fut be? http: //what-when-how. com/wpcontent/uploads/2012/04/tmp 15 F 111_thumb 2. jpg Flocculus: visualis és acusticus információ (szem mozgások kontrollja) Vermis középső rész: - egyszerű visualis és acusticus stimulus észlelése – aktiváció - somatosensoros area információk a fej felől Lobus Posterior laterális rész: - aktiváció: különböző stimulusok megkülönböztetése - aktiváció: még mozgás nélkül is!!

A cerebellum összeköttetései J. Nolte: Human Brain - 2009

A cerebellum neuronális kapcsolatai I. cerebelláris körök: corticális rész subcorticális rész - subcorticalis szinten, az afferens rostok aktiválják a kisagyi magok sejtjeit (DCN-C) és az Oliva Inferior sejtjeit (IO-C). - kisagy magokból az output a thalamus felé és ugyanakkor gátolja az oliva inferiort (gating of olivary input) -Két fő input: moha rostok (mf) az agytörzsből és medulla spinalisból: rostok - kettéoszlik: kisagy magok felé + aktiválják a str. gran. réteget (szemcse és Golgi sejtek ) - szemcse sejtek axonjai a str. molecularéban bifurkál: parallel rostok (pf) kúszó rostok (cf) az Oliva Inferiorból indulnak - cerebellaris corticalis kör: feedforward serkentő lánc moha rostok serkentik a szemcsesejteket, szemcse sejtek serkentik az összes corticalis komponenst: PC, BC, SC - Gátló hurkok: - str. granulosum: Golgi sejtek gátló működése - str. moleculare: csillag sejtek és kosár sejtek gátló működése - végül, Purkinje sejtek gátolják a kisagy magokat - oliva inferiort aktiválják az agytörzsi és gerincvelői rostok – az oliva inferior kontrollálja a Purkinje sejt aktivitást egy rendkívül erős synapsissal - ez a rendszer: komplex mechanizmus a kisagyi magok kimeneti jelének ellenőrzésére

4 különböző színű zóna ábrázolt Mindegyik zóna microzónákat tartalmaz: együtt: egy multizonális microcomplexet alkotnak gátló interneuronok: kék A cerebellum moduláris működése - egy microzóna: egy kb. 1000 Purkinje sejtből álló csoport – minden P sejt azonos somatotopikus receptiv mezőbe tartozik -ezek a Purkinje sejtek egy hosszú, keskeny sávban rendezettek, a foliumra merőleges síkban -kúszó rostok ágai (~ 10) beidegzik a Purkinje sejteket, amelyek az adott microzónához tartoznak - oliva neuronok, amelyek ezeket a kúszó rostokat küldik gap junction-el kapcsoltak ez synchronizálja a Purkinje sejteket az adott microzónában millisecundumnyi idő alatt -Purkinje sejtek egy adott microzónában axonjaikat ugyanabba a kisagyi magban lévő sejtcsoporthoz (output sejtek) küldik - a kosár sejtek axonjai is ugyanezen microzónában futnak - így a celluláris interakciók egy adott mikrozónában sokkal erősebbek, mint a különböző microzónák között

Motoros és somatosensoros loop-ok cerebellum modulálhatja a motor cortex serkenthetőségét - a bejövő sensoros input szintjén Dorsolateralis-prefrontalis cortex (gyrus frontalis medius) funkciói: munka memória cognitive flexibilitás tervezés gátlás abstract gondolkodás Dorsolateral-prefrontalis cortex (gyrus frontalis medius) LEGMAGASABB CORTICALIS KÖZPONT, A MOTOROS FELADAT TERVEZÉSÉBEN, SZERVEZÉSÉBEN ÉS SZABÁLYOZÁSÁBAN Loop-ok a basalis ganglionokkal Kétoldalú kapcsolatok 1. cerebellumból: nucleus dentatus – thalamus – striatum 2. basal ganglionokból: nucleus subthalamicus – pons nuclei - cerebellaris cortex Loop-ok a limbicus rendszerrel Cerebellum kapcsolat: -amygdala, hippocampus, septal nuclei, hypothalamus

A motoros kontrolltól a kognitiv és emocionális szerepig Motor kontroll 1. zavar: egyensúly + szemmozgás control 2. zavar: testtartás 3. zavar: akaratlagos, tervezett mozgás végrehajtása Lateralis cerebellum részt vesz a cerebro-cerebellaris loop-okon keresztül a mozgástervezés kognitiv részében Functional neuroimaging vizsgálatok: - a lobus posterior activációja cognitiv tervezés, munka memória, nyelv (verbális memória feladat, ige –főnév helyettesítés, synonyma keresés), mentális felidézés (“elképzel, ” “lelki szemeivel lát, ” “fejben hallja, ” “az érzés elképzelése”) szenzoros szortírozás gondolati dysmetria - cognitív dysmetria 1. zavar: tervezés, abstract gondolkodás, munka memória, verbalis gördülékenység 2. zavar: térbeli gondolkodás, visuospatialis szervezés és visuospatialis munka memória 3. zavar: személyiség változás, érzelmi tompaság és/vagy gátlástalan, inadekvát viselkedés 4. zavar: nyelvi problémák - agrammatism cerebellaris kognitiv affectiv syndroma Hasonló a prefrontalis syndromához

Cerebelláris syndromák anatómiai alapja • cerebellum sérülése a motoros coordináció zavarát okozza • sérülés vagy a cerebellum hiánya: nincs paralysis, nincs szenzoros kiesés, a beteg megérti a feladatot • DE: a beteg nem tudja jól végrehajtani a mozgást -az akaratlagos tervezett mozgás végrehajtása nehézkes (dysfunkció a cerebro-cerebellumban) • cerebellum sérülése rontja a test ipsilateralis oldalán a motoros funkciókat • ha a flocculonodularis lebeny sérül - nystagmus (vestibulocerebellum), motoros zavar, mint a vestibuláris apparatus sérülésekor • egyensúly zavarok, járás terpesztett lábbal, nem egyforma lépések – „részeg tengerész” (spinocerebellum)

Cerebelláris syndromák anatómiai alapja Microcephalia, aránytalan méretű pons és cerebellaris hypoplasia syndroma: A clinico-radiologiai phenotypus: calcium/calmodulin-dependent serine protein kinase gene mutáció (2 -éves leány ) http: //www. ijhg. com/articles/2013/19/1/images/Indian. JHum. Genet_2013_19_1_104_112921_u 1. jpg Cerebellaris hypoplasia - „a késői beszéd fejlődés kombinálódása ataxiával (bizonytalan, ügyetlen mozgás), autista tünetekkel, szem tünetekkel (nystagmus, strabismus, abnormális szem mozgások) utalhat cerebellaris hypoplasiára. ” E Wassmer, P Davies, W P. Whitehouse, S H. Green: Clinical Spectrum Associated With Cerebellar Hypoplasia. http: //www. youtube. com/watch? v=Dox 3_ox 8 C 2 U

Dyslexia és a cerebellum Fejlődési dyslexia szelektív retardáció az olvasási képesség kialakulásában, normális általános intelligencia szint mellett Dyslexiások MRI: -kisebb jobb lobus anterior cerebelli

Kisagy és közösségi kultúra – Larry Vandervert 2016 It is concluded that the essential components of culture are learned and sustained not by the cerebral cortex alone as many traditionally believe, but are learned through repetitious improvements in prediction and control by internal models in the cerebellum. From this perspective, the following new explanations of culture are discussed: (1) how culture can be learned unconsciously but yet be socially in synch with others, (2) how the recent evolutionary expansion of the cerebellum was involved in the co-evolution of earliest stone tools and language—leading to the cerebellum-driven origin of culture, (3) how cerebellar internal models are blended to produce the creative, forward advances in culture, (4) how the blending of cerebellar internal models led to human, multi-component, infinitely partitionable and communicable working memory, (5) how excessive television viewing may represent a cultural shift that diminishes the observational learning of internal models of the behavior of others and thus may result in a mild, parallel version of Schmahmann’s cerebellar cognitive affective syndrome!!!!!!

References Egidio D’Angelo and Stefano. Casali Seeking a unified framework for cerebellar function and dysfunction: from circuit operations to cognition. REVIEW ARTICLE published: 10 January 2013 , Frontiers in neuronal circuits http: //www. humpath. com/IMG/jpg_cerebellum_brainstem_1 m_12_2. jpg https: //www. google. hu/url? sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&docid=J 5 Ck. RVb. Hr 157 TM&tbnid=JYj. NUSDt. WCu. RHM: &ved=0 CAc. Qj. Rw&url = http%3 A%2 F%2 Fwww. absurdintellectual. com%2 F 2011%2 F 02%2 F 10%2 Ftwo-dimensional-trees-the-technique-of-espalier%2 F&ei=KKQp. VL 7 NG 4 LQyg. Oq 74 G 4 Dg&bvm =bv. 76247554, d. b. GQ&psig=AFQj. CNHw. Yokbp 8 Exc. CBx. Vtlnlfjzlqfr. IA&ust=1412101421702001

Annotation Ataxia = Loss of ability to coordinate voluntary muscular movements ; muscle incoordination and gait unsteadiness

Neural connections of the cerebellum

Function of the cerebellum • cerebellum is proposed to play a critical role in the learning and execution of both voluntary and certain reflex movements • Motor learning function • Cerebellum utilizes somatosensory information • Cerebellum utilizes vestibular information • Cerebellum utilizes visual information - activates vermis (midway – head area) – participation in movement toward the stimulus - flocculus controls the eye movements • Cerebellum utilizes auditory information - activates vermis (midway – head area) – participation in movement toward the stimulus • Cerebellum utilizes olfactory information • Cerebellum utilizes visceral information • Cerebellum is involved in cognitive functions - fibers from association cortex especially from prefrontal cortex

Neuronális kapcsolatok a cerebellumban I. http: //www. springerimages. com/img/Images/Springer/PUB=Springer-Verlag-Berlin-Heidelberg/ JOU=00418/VOL=2008. 130/ISU=4/ART=2008_483/Media. Objects/MEDIUM_418_2008_483_Fig 2_HTML. jpg

Kognitív funkciók A kognitív funkciók négy fő osztálya analógiásan megfeleltethető a komputer bemenet, tárolás, feldolgozás és kimenet operációinak: a receptív funkciók magukban hordozzák azt a képességet, hogy az információt kiválogatni, elsajátítani, osztályozni és integrálni tudják; a memória és tanulás az információtárolásra és felidézésre vonatkoznak; a gondolkozás az információ a mentális szervezésével és újjászervezésével foglalkozik; és a kifejező funkciók azok az eszközök, amelyek részt vesznek az információ közlésében vagy az információ által kiváltott cselekvésekben.