Muscoli Scheletrici

L’organizzazione gerarchica del controllo motorio

Interneuroni riflessi, coordinazione, locomozione

Motoneuroni

Midollo Spinale e Tronco dell’Encefalo

Corteccia Motoria pianificazione e iniziazione

dei movimenti volontari

Tronco dell’Encefalo tono muscolare, postura, orientamento a

stimoli sensoriali, controllo della

locomozione

Nuclei della Base selezione

Cervelletto coordinazione e apprendimento

Muscoli Scheletrici Muscoli Scheletrici

Input sensoriale (cinestetico, vestibolare,

dolorifico, ecc)

i Fusi Neuromuscolari

Strutture specializzate all’interno dei muscoli, sono i principali

recettori cinestetici (importanti anche i recettori dello stiramento

cutaneo, i corpuscoli del Ruffini).

Forniscono al sistema nervoso centrale due ordini di

informazione sullo stato degli arti:

Statica: Posizione.

Dinamica: Velocità di rotazione.

Sono disposti in parallelo con le fibre muscolari normali

(extrafusali), accompagnano quindi il muscolo nelle sue variazioni

di lunghezza.

Due tipi principali di fibre differiscono per le proprietà

meccaniche.

Fibra a catena di nuclei

–nuclei e sarcomeri distribuiti lungo la fibra. Hanno

proprietà visco-elastiche uniformi: se stirate

l’allungamento si distribuisce subito su tutta la fibra.

Fibra a sacco di nuclei

–nuclei raggruppati nella zona centrale della fibra,

sarcomeri alle estremità. Se stirate si allungano prima

nella zona centrale (zona elastica) e poi lentamente

riportano l’allungamento sul resto della fibra (zona

viscosa ed elastica).

gamma MN

gamma MN

Le afferenze sensoriali di tipo Ia e II hanno risposte diverse a variazioni di lunghezza del fuso.

Ia

–Risposta dinamica (alla velocità di allungamento del fuso). Dovuta al rapido allungamento elastico della zona centrale delle fibre a

sacco di nuclei, seguito da rilassamento quando la tensione si distribuisce al resto della fibra.

–Risposta statica (alla lunghezza del fuso). Dovuta all’allungamento delle fibre a catena di nuclei.

II

–Risposta statica (alla lunghezza del fuso). Dovuta all’allungamento delle fibre a catena di nuclei.

Le fibre intrafusali sono innervate da una sottopopolazione di motoneuroni, i motoneuroni gamma.

In generale contrazioni di un muscolo evocate dai motoneuroni alfa si accompagnano alla coattivazione dei motoneuroni gamma.

Questo mantiene la tensione e capacità di risposta nelle le fibre intrafusali a fronte di accorciamento del muscolo.

Inoltre, il livello di attività nei motoneuroni gamma regola la sensibilità delle risposte dei fusi (vedi figura), che può essere così

modulata (ad es. durante task motori di maggior precisione).

Gli organi tendinei del Golgi

Disposti in serie con il muscolo, segnalano la tensione

esercitata dal muscolo.

Il loro ruolo nella percezione cinestetica è incerto e

marginale rispetto ai fusi neuromuscolari.

Rispondono molto di più in seguito a contrazioni del

muscolo che a stiramento passivo.

Decerebrazione e Spinalizzazione come modelli sperimentali

La decerebrazione è una sezione completa a livello del mesencefalo.

Elimina il controllo e la modulazione dei circuiti spinali da parte delle aree superiori. Compare un aumento del tono muscolare negli

estensori degli arti: rigidità da decerebrazione. Associata a questa rigidità si ha una maggiore eccitabilità di alcuni riflessi.

La spinalizzazione è una sezione completa a livello basso toracico.

Elimina il controllo e la modulazione dei circuti spinali da parte del tronco dell’encefalo ed altre aree superiori. Inizialmente si

riducono drasticamente il tono muscolare ed i riflessi, una condizione detta shock spinale. In seguito, una riorganizzazione interna

dei circuiti spinali porta ad un ritorno del tono e dei riflessi fino alla spasticità e clono.

In entrambe i casi è possibile studiare il ruolo del midollo spinale del tronco dell’encefalo nei riflessi e nella generazione dei

movimenti ritmici stereotipati come la locomozione.

L’organizzazione somatotopica dei motoneuroni

I motoneuroni che innervano un muscolo sono organizzati in un nucleo (o pool) motorio che può estendersi su vari

segmenti spinali adiacenti.

I nuclei dei muscoli assiali e prossimali sono disposti nella zona mediale delle corna anteriori, mentre quelli dei muscoli

distali sono disposti via via più lateralmente.

il Riflesso da Stiramento (o Miotatico)

Si origina nei fusi neuromuscolari. In risposta allo stiramento

di un muscolo:

–viene contratto per via monosinaptica lo stesso muscolo

ed i suoi sinergisti.

–vengono inibiti i muscoli antagonisti tramite un

interneurone inibitorio (detto di tipo Ia) interposto tra fibra

afferente proveniente dai fusi neuromuscolari ed i

motoneuroni (via di-sinaptica).

Ha una componente dinamica mediata dalle afferenze Ia ed

una statica mediata da entrambe le afferenze Ia e II. La

componente statica coinvolge anche circuiti polisinaptici.

il Riflesso da Stiramento (o Miotatico)

La deafferentazione fa scomparire questo riflesso e

diminuire molto il tono muscolare.

Il riflesso da stiramento ha notevole importanza nel

mantenimento della postura e nella stabilizzazione delle

articolazioni durante i movimenti volontari. Costituisce un

meccanismo di feedback negativo utile al mantenimento

dello stato di allungamento muscolare.

E’ modulato a seconda delle necessità facilitando più o

meno l’attività dei motoneuroni gamma > quindi il tono delle

fibre intrafusali.

Test clinici come il riflesso patellare evidenziano patologie a

carico del sistema nervoso centrale che coinvolgono

l’eccitabilità dei motoneuroni gamma.

i riflessi di Retrazione

Mediano il rapido allontanamento da uno stimolo

nocicettivo della zona del corpo stimolata.

Nel caso di stimolo alle zone distali degli arti, porta

al reclutamento flessorio di tutte le articolazioni

ipsilaterali, accompagnate dall’estensione dell’arto

controlaterale per sostenere il peso corporeo e

mantenere l’equilibrio. In questo caso prende il

nome di Riflesso Flessorio ed Estensorio Crociato.

L’allontanamento dallo stimolo è molto preciso e

ottimizzato per ogni punto del corpo. In generale

può quindi reclutare tutti e quattro gli arti ed il

busto.

i Movimenti Ritmici Stereotipati

I circuiti nel sistema nervoso centrale che generano attività motoria stereotipata sono detti Central Pattern Generators (CPGs), o

generatori centrali di schemi motori.

Alcuni esempi:

Compito Motorio Localizzazione dei circuiti

Locomozione Midollo spinale (rigonfiamenti lombare e cervicale per il movimento degli arti, tutti i

segmenti midollari per i muscoli assiali). Esperimenti classici di Graham Brown (1911)

sull’animale spinalizzato hanno dimostrato che il midollo spinale può generare da solo

(anche dopo deafferentazione) il pattern locomotorio.

Respirazione Tronco dell’encefalo (circuiti nel ponte e nel bulbo; motoneuroni sia nei nuclei craniali

che in quelli spinali).

Masticazione Tronco dell’encefalo (circuiti nel ponte e nel bulbo; motoneuroni nei nuclei craniali).

Deglutizione Tronco dell’encefalo (circuiti nel bulbo)

Grattamento Midollo spinale

Eiaculazione Midollo spinale (ciruiti nei segmenti lombo–sacrali; motoneuroni somatici ed

autonomici pre-gangliari negli stessi segmenti)

La Locomozione: i circuiti spinali generano contrazioni muscolari ritmiche coordinate

Registrazioni elettromiografiche da molti muscoli nell’uomo durante la deambulazione a diverse velocità (da Lacquaniti et al).

–I sinergisti di ogni articolazione tendono a contrarsi sincronicamente (SOLEO e GASTROCNEMIO LATERALE)

–Gli antagonisti si congraggono invece in alternanza (SOLEO e TIBIALE ANTERIORE)

I circuiti possono riconfigurarsi modificando la coordinazione fra estensori e flessori

Il gatto spinale o decerebrato esprime le varie forme di locomozione dei quadrupedi a seconda della velocità della pedana. Questa

riconfigurazione è indotta dai segnali cinestetici provenienti dagli arti. (Swing=Oscillazione o Trasferimento; Stance=Appoggio).

Organizzazione delle vie discendenti (fasci o tratti) dal tronco dell’encefalo

Formazione Reticolare Pontina e Bulbare: controllo dei movimenti soprattuto dei muscoli assiali e prossimali,

controllo della postura in feedforward, controllo della locomozione, tono muscolare. I fasci decorrono nel cordone

ventrale del midollo.

Nuclei vestibolari: riflessi vestibolo-spinali, controllo della postura in retroazione. Il fascio vestibolo-spinale decorre

lungo il cordone ventrale del midollo.

Le proiezioni da entrambe terminano nell’area mediale delle corna anteriori e della zona intermedia (controllo di

motoneuroni ed interneuroni assiali e prossimali degli arti)

Organizzazione delle vie discendenti (fasci o tratti) dal tronco dell’encefalo

Collicolo superiore o tetto ottico (mesencefalo): movimenti di orientamento del capo verso stimoli dal mondo

esterno. Il fascio collicolo-spinale decussa e decorre lungo il cordone ventrale del midollo. Termina nell’area

mediale delle corna anteriori e della zona intermedia (controllo di motoneuroni ed interneuroni assiali)

Nucleo rosso (mesencefalo): controllo degli arti anteriori insieme alla corteccia motoria, da cui riceve direttamente

segnali. Il fascio rubro-spinale decussa e decorre lungo il cordone laterale del midollo. Termina nell’area laterale

delle corna anteriori e della zona intermedia (controllo degli interneuroni distali degli arti)

Organizzazione delle vie discendenti dalla corteccia motoria

Via diretta: il Tratto Cortico-Spinale detto

anche tratto “piramidale”

–laterale, (è quello principale) che decussa a

livello delle piramidi del bulbo e scende nel

cordone laterale per il controllo dei muscoli

distali degli arti.

–mediale, rimane ispilaterale e decorre nel

cordone ventrale del midollo per il controllo dei

muscoli prossimali.

Via indiretta: il Tratto Cortico-Bulbare

–dalla corteccia motoria trasmette alla

formazione reticolare i comandi motori da

eseguire. Questa a sua volta programma gli

opportuni aggiustamenti posturali e controlla i

muscoli assiali e prossimali a livello spinale.

Va menzionato fra le vie indirette anche il

controllo corticale del nucleo rosso

mesencefalico.

Il controllo della Postura

Tenere una determinata postura, ad esempio quella eretta, richiede:

1. L’attivazione tonica dei muscoli antigravitari.

2. Una opportuna compensazione dei disturbi, che possono essere

–Prevedibili. Controllo anticipatorio (o di tipo feed-forward) mediato dalla formazione reticolare

–Imprevisti. Controllo correttivo (o di tipo feed-back) mediato dall’apparato ed i nuclei vestibolari, nonchè da riflessi

spinali che coinvolgono la cinestesi.

Regolazione del tono dei muscoli antigravitari

La formazione reticolare nella sua componente motoria è suddivisibile in due zone che lavorano in antagonismo:

–Nuclei Reticolari Pontini. Tramite il fascio reticolo-spinale pontino stimolano i nuclei motori antigravitari.

I nuclei pontini hanno elevata eccitabilità e ricevono input dai nuclei vestibolari e altre aree superiori.

–Nuclei Reticolari Bulbari. Tramite il fascio reticolo-spinale bulbare inibiscono i nuclei motori antigravitari. Ricevono

input diretto e indiretto dalla corteccia motoria. Questo input può far antagonizzare l’effetto dei nuclei reticolari

pontini e rilassare i muscoli antigravitari, oppure lasciare che prevalgano nel mantenimento della postura.

La Rigidità da Decerebrazione

Si spiega con l’eliminazione degli input superiori corticali ai nuclei reticolari bulbari e conseguente spostamento

dell’equilibrio verso i nuclei pontini e vestibolari >>> eccitazione permanente dei muscoli antigravitari.

Il Controllo Corticale del Movimento

Le vie del controllo volontario del movimento dei

muscoli assiali, prossimali e distali degli arti

provengono dalla corteccia motoria.

Vie dirette:

Corticospinale (le fibre si riuniscono nelle piramidi

bulbari e sono dette anche tratto piramidale)

La maggior parte traversa la linea mediana scende

nel tratto corticospinale laterale e proietta nella zona

laterale del midollo (controllo distale degli arti

contralaterali); la parte rimanente scende nel tratto

corticospinale ventrale e proietta medialmente e

bilateralmente (controllo assiale e prossimale)

Corticobulbare; ai nuclei motori cranici

Vie indirette:

Cortico–Rubro–Spinale (controllo distale degli arti)

Cortico–Reticolo–Spinale (controllo assiale e

prossimale degli arti)

Effetti di lesioni alla corteccia motoria o vie corticali discendenti

Flaccidità muscolare contralaterale specifica a seconda della zona lesionata (vedi organizzazione somatotopica)

Gli effetti più gravi sono a carico del controllo della muscolatura distale in quanto quella assiale riceve input bilaterale.

Dopo la fase acuta si ha un recupero del tono (come dopo shock spinale) con segni particolare fra cui:

Sindrome del Babinski

Spasticità, iper-riflessia e clono (disinibizione dei centri del tono posturale nel tronco dell’encefalo)

Perdità del controllo dei muscoli distali della mano e delle dita (i movimenti di precisione in cui la corteccia gioca un ruolo

più diretto sono compromessi)

La Corteccia Motoria

Le principali aree sono:

–Area Motoria Primaria M1

–Area Premotoria (dorsale e ventrale)

–Area Motoria Supplementare

Ogni area contiene una rappresentazione o

mappa motoria del corpo.

Attacchi epilettici focali che coinvolgono la

corteccia motoria primaria (Jacksoniani):

Contrazioni che progrediscono lungo il corpo

seguendo il percorso dell’attività parossistica

lungo la mappa corticale (es. dita, mano,

braccio, spalla, viso).

Esperimenti di Penfield (1930) durante

neurochirurgia in pazienti umani.

Stimolazione elettrica della superficie

corticale >>> osservazione dei muscoli

reclutati. Rappresentazione come omuncolo

motorio.

L’Area Motoria Primaria, la Premotoria e la Motoria Supplementare

INPUT

–L’area motoria primaria dalla motoria supplementare (SMA) ed aree premotorie dorsale (PMd) e ventrale (PMv)

–Aree Corticali Somatosensoriali (S1) ed Area Associativa Parietale Posteriore (5 e 7; integrazione sensoriale multimodale)

–Aree della corteccia prefrontale (memoria spaziale)

Area Premotoria e Motoria Supplementare sono inoltre fortemente interconnesse fra loro.

Tutte le aree della corteccia motoria ricevono anche input subcorticali da:

–Nuclei della Base (selezione)

–Cervelletto (apprendimento motorio, supervisione e correzione del movimento)

OUTPUT

–Contribuiscono tutte alle vie cortico-bulbari e cortico-spinali dirette e indirette.

–Nuclei della base

–Cervelletto.

Le mappe somatotopiche motorie sono soggette a plasticità da lesione

Esperimenti sul ratto in cui dimostrano riorganizzazione dell’area motoria primaria in seguito a lesione del nervo cranico

VII (facciale) contralaterale. Questa lesione abolisce l’input sensoriale dalle vibrisse sul muso dell’animale.

Area Motoria Primaria

Area in cui la stimolazione elettrica evoca contrazione muscolare con la soglia più bassa.

Neuroni piramidali giganti del V strato corticale (cellule di Betz) proiettano con l’assone verso il bulbo e midollo spinale

(fibre del tratto piramidale). Gli assoni grandi e mielinizzati conducono il potenziale d’azione molto rapidamente.

A livello spinale contattano più di un nucleo motorio:

Nuclei Subcorticali coinvolti nella Regolazione di molte attività della Corteccia

Formano un anello di retroazione

Corteccia>Nuclei>Talamo>Corteccia

che modula l’attività corticale.

Aree corticali che proiettano ai nuclei della base

Anatomia

Nuclei di ingresso

Lo Striato: Putamen e Nucleo Caudato (riceve proiezioni cortico-striatali glutamatergiche)

Sostanza Nera zona compatta SNc (riceve proiezioni da varie zone cerebrali e modula l’attività dello striato )

Nuclei intermedi

Globo Pallido segmento esterno GPe, Nucleo Subtalamico NST

Nuclei di uscita

Globo Pallido segmento interno GPi, Sostanza Nera zona reticolata SNr

Il circuito interno ai gangli della base (semplificato)

Nuclei di ingresso

Lo Striato: Putamen e Nucleo Caudato (riceve proiezioni cortico-striatali glutamatergiche)

Sostanza Nera zona compatta SNc (riceve proiezioni da varie zone cerebrali e modula l’attività dello striato )

Nuclei intermedi

Globo Pallido segmento esterno GPe, Nucleo Subtalamico STN

Nuclei di uscita

Globo Pallido segmento interno GPi, Sostanza Nera zona reticolata SNr

L’uscita dei Nuclei della Base è Inibitoria!

L’anello motorio è organizzato in maniera somatotopica

Il controllo di diverse parti del corpo si mantiene

segregato a ciascun livello del circuito:

Corteccia Motoria

>Putamen

>Globo Pallido e Nucleo Subtalamico

>Talamo (Nuclei Ventro-anteriori e Ventro-laterali)

>Corteccia Motoria, principalmente area motoria

supplementare (SMA). I nuclei della base infatti

regolano soprattuto i movimenti eseguiti su

iniziativa interna e non in risposta a stimoli

esterni.

Neuroni e Convergenza Attraversi i Nuclei della Base

1. Neuroni detti ‘medium spiny’ nello Striato ricevono gli input corticali su sinapsi poste lungo i dendriti. Su un neurone

medium spiny convergono migliaia di neuroni corticali. In prossimità delle stesse sinapsi agiscono le fibre dei neuroni

dopaminergici della Sostanza Nera zona compatta SNc (modulano l’input sinaptico cortico-striatale).

Interneuroni locali dello Striato agiscono sui dendriti prossimali influenzando così l’integrazione dei pontenziali sinaptici di

origine corticale.

2. I neuroni medium spiny sono gabaergici (inibitori) e si dividono in due gruppi a seconda della proiezione:

–Via diretta al globo pallido segmento interno GPi

–Via indiretta al globo pallido segmento esterno GPe

3. C’e una notevole convergenza attraverso i nuclei della base

Via Diretta e Indiretta

Neurotrasmettitori:

GABA (inibitorio)

Glutammato (eccitatorio)

Modulatori:

Dopamina DA (eccitatorio sulla via diretta ed inibitorio

su quella indiretta)

Via Diretta

Via Indiretta

Gli aspetti del controllo motorio cui partecipano i Nuclei della Base

Iniziazione di movimenti, particolarmente quelli eseguiti su decisione interna

–molti neuroni dei Nuclei della Base si attivano prima dell’effettivo movimento (durante la fase di programmazione) in

modo analogo a quello dell’area motoria supplementare (SMA)

–il rilascio della tonica inibizione specifico ai movimenti che si intende eseguire non evoca automaticamente i movimenti

ma ‘apre il canale’ e ne permette la successiva espressione.

Esecuzione fluida di movimenti complessi

–contemporaneamente alla disinibizione del movimento da eseguire, si aumenta l’inibizione di altri tipi di movimenti

antagonisti o indesiderati

Il Modello spiega la Sintomatologia di Patologie a Carico dei Nuclei

Ipocinesia e Bradicinesia

il Morbo di Parkinson’s

Insorgenza in età avanzata

La seconda malattiva degenerativa del

sistema nervoso dopo l’Alzheimer

Tremore a riposo, lentezza dei movimenti

(bradicinesia), rigidità, assenza di

espressioni facciali e forte riduzione dei

movimenti spontanei (ipocinesia)

Si accompagna a degenerazione

progressiva dei Dopaminergici della

Sostanza Nera zona compatta (SNc). I

sintomi compaiono con più dell’80% di

degenerazione.

MPTP un modello sperimentale per

l’induzione del morbo. Il modello è

sostenuto da osservazioni come quella che:

una successiva lesione del Nucleo

Subtalamico (STN) può compensare molti

dei sintomi del morbo.

Controllano in parallelo non solo attività motorie, ma anche cognitive ed emozionali

All’interno dei nuclei della base queste varie modalità sono elaborate in parallelo, cioè con circuiti funzionalmente

segregati fra di loro. Il ruolo dei Nuclei anche nelle attività cerebrali non prettamente motorie può aiutare a spiegare deficit

cognitivi ed emozionali riscontrabili nelle patologie che li coinvolgono.

Il cervelletto puo’ essere suddiviso in base alle diverse sedi

di provenienza delle afferenze:

Cerebro-cervelletto, molto sviluppato nei primati; è coinvolto nella regolazione di movimenti

altamente specializzati, nella pianificazione ed esecuzione di complesse sequenze spaziali e

temporali dei movimenti, compresi quelli inerenti il linguaggio.

Vestibolo-cervelletto, Flocculo e nodulo, riceve dai nuclei vestibolari e la sua funzione

principale riguarda la regolazione dei movimenti alla base dell’ equilibrio e della postura.

Spino-cervelletto, riceve proiezioni direttamente dal midollo spinale; la parte laterale è

interessata nel controllo dei movimenti generati dai muscoli distali, la parte centrale (VERME)

nel controllo dei muscoli prossimali e nel controllo dei movimenti oculari in risposta a segnali di

natura vestibolare.

Le connessioni tra il cervelletto e altre parti del SNC sono stabilite tramite i peduncoli, superiore

(fibre efferenti), medio (fibre afferenti al cervelletto) e inferiore (Fibre afferenti ed efferenti).

Dalla corteccia cerebrale attraverso

i nuclei pontini arrivano la maggiorparte delle proiezioni al cerebro-cervelletto.

Le proiezioni allo spino cervelletto

si distribuiscono secondo mappe

somatotopiche. Queste mappe sono

però frammentarie ogni piccola area

della superficie corporea è

rappresentata piu’ volte. Inoltre il

Cervelletto di destra elebora informazioni relative alla metà destra del corpo e il

cervelletto di sinistra alla metà sinistra del corpo.

Ad eccezione della proiezione diretta dal vestibolo-cervelletto ai nuclei vestibolari,

la corteccia cerebellare

proietta sempre ai nuclei cerebellari profondi (dentato, interpositi, fastigio)

che a loro volta proiettano, attraverso iI talamo ai motoneuroni superiori

della corteccia e al midollo spinale attraverso il tronco dell’ encefalo

Cellule GABA-ergiche. Il

sistema efferente ha

carattere inibitorio