Prof. Paolo CAVALLARICattedra d Fisiologia Umana

Dipartimento di Medicina, Chirurgia e Odontoiatria - Polo Didattico San Paolo Università degli Studi di Milano

RUOLO DEL CERVELLETTO NEL CONTROLLO DEL MOVIMENTO

considerazioni fisiologiche

cervelletto: istologia

Jan Evangelista Purkyne, Purkinje (1787-1869)

1200-1400 g

104-122 g

Escalona PR et al (1991)Am J Neuroradiol 12:927-9

Blinkov SM and Glezer II (1968)The Human Brain in Figures and Tables, New York, Plenum Press

Number of Purkinje cells = 15-26 millionNumber of synapses made on a Purkinje cell = up to 200,000

due numeri sul cervelletto

Molecular layerPurkinje cell layer

Granule cell layerWhite matter

Folium

Folium

microstruttura della corteccia cerebellare

• tre strati:– molecolare– Purkinje– granulare

• fibre:– rampicanti (olivari)– muscoidi (non olivari)– parallele

• uscita:– cellule di Purkinje

M

P

Grampicanti

muscoidi

esterno

microstruttura della corteccia cerebellare

sostanza bianca

fibre afferenti

microstruttura della corteccia cerebellare

cellule di Purkinje

• ogni cellula di Purkinje riceve una fibra rampicante, chepuò formare fino a 26,000 contatti sinaptici con il suoalbero dendritico

• ogni cellula di Purkinje cell riceve inoltre circa 175,000contatti sinaptici dalle fibre parallele (nel ratto)

• ogni fibra parallela prende contatto con numerosissimecellule di Purkinje

• gli assoni delle cellule di Purkinje costituiscono laprincipale via efferente del cervelletto, attraverso i nucleicerebellari.

le cellule del cervelletto

microstruttura della corteccia cerebellare

Le cellule dei granuli sono ecitatorie ed utilizzano glutammatocome mediatore sinaptico

Sono attivate dalle fibre muscoidi

Gli assoni delle cellule dei granuli costituiscono il sistema dellefibre parallele

le cellule del cervelletto

microstruttura della corteccia cerebellare

cellule stellate localizzate nellocellule a canestro strato molecolare

le cellule di Golgi sono localizzate nello stratogranulare; il loro assone, insieme alle fibremuscoidi e ai dendriti delle cellule dei granulicostituiscono il glomerulo.

le cellule del cervelletto

GP

B

Gr

Deep cerebellarnuclei

PM

ossy

fibe

rs

Clim

bing

fibe

rs

B: Basket cellsGr: Granule cellsG: Golgi cellsP: Purkinje cells St: Stellate cells

DendritesExcitatory

Inhibitory

Parallel fibers

From inferior olivary nucleus

GABA

GABA

St

Spinal cord and brain stem

la circuiteria

microstruttura della corteccia cerebellare

microstruttura della corteccia cerebellare

cellule di Purkinje: spikes semplici e complessi

cervelletto: fisiologia

• integra varie forme di informazioni sensoriali per renderearmonico ed accurato il movimento volontario

• modula il comando motorio e controlla velocità e traiettoriadi un movimento

• controlla il tono muscolare, la postura e l’equilibrio

• controlla la produzione verbale

• è necessario per alcune forme di apprendimento motorio

funzioni del cervelletto

• i neuroni del fastigio sono attivati selettivamente durante lalocomozione

• i neuroni dell’interposito scaricano quando la posizione di un arto vienealterata da una forza transiente, per compensare e correggere ilmovimento

• l’attività neuronale del dentato precede l’inizio del movimento ed èattivato dall’associazione mentale con stimoli visivi o uditivi

attività dei nuclei cerebellari

arm tremor during reaching;lack of coordination in theagonist-antagonist muscles

deficits in standing and walking

deficits in reaching andpinching; decomposition ofmovement

normal

lesioned: excessive angulation ofshoulder; target overshoot

effetti di lesioni dei nuclei cerebellari

scarica neuronale durante il movimento attivo

← inizio del movimento

← sviluppo del movimento

movimento rapidi in risposta a stimolo visivo

scarica neuronale durante il movimento attivo

← riflesso da stiramento

mantenimento di una posizione costante + disturbo

scarica neuronale durante il movimento attivo

uomo EMG del m. bicipite

scimmia neuroni del dentato

componente riflessa

componente volontaria

un paziente portatore di una lesione all’emisfero cerebellare sinistroè sottoposto ad un test in cui deve allungare due molle,

con la mano destra e con la mano sinistra, e manterele stirate

Time

la mano destra, lato sano, si muoverapidamente ed accuratamente, mantenendola molla stirata in modo opportuno

la mano sinistra, lato patologico, inizia ilmovimento con ritardo, si muove lentamente,compie numerosi aggiustamenti, oltrepassala mira e non riesce a mantenere la mollastirata

effetti di lesioni cerebellari

sincronizzazione dell’attività degli antagonisti

risposte oscillatorie nel movimento volontario

Villis T and Hore J (1977) J Neurophysiol 40:1214-1224

mantenimento di una posizione costante + disturbo movimento volontario

riflesso tendineo in un soggetto sano (A) ed in un paziente cerebellare (B)

risposte oscillatorie durante un movimento riflesso

atassia cerebellare (adiadococinesi)

scarica tonica a riposo

inibizione

scarica tonica a riposo

inibizione

atassia cerebellare (adiadococinesi)

movimenti di inseguimento nell’atassia cerebellare

normale normalepatologico patologico

atassia da ingestione di alcool

BA

cervelletto e controllo posturale

cervelletto e controllo posturale

tennis e cervelletto: coordinazione occhio-mano

coordinazione occhio-mano

RC Miall, GZ Reckess, H Imamizu (2001) Nature neuroscience, 4(6):638-644

coordinazione di più segmenti: mano-piede

lesioniagli emisferi

lesionivermiane

e paravermiane

lesioniagli emisferi

lesionivermiane

e paravermiane

coordinazione di più segmenti: mano-piede

apprendimento di movimenti nuovi

apprendimento motorio (correzione di un errore)

Martin TA et al (1966a,b) Brain 119:1183-1198;1199-1211

apprendimento motorio (correzione di un errore)

Martin TA et al (1966a,b) Brain 119:1183-1198;1199-1211

apprendimento motorio (correzione di un errore)

Martin TA et al (1966a,b) Brain 119:1183-1198;1199-1211

apprendimento motorio (regolazione di guadagno)

apprendimento motorio (regolazione di guadagno)

al buio

con fissazione

sopressione VOR

movimento testamovimento occhi

flocculo

can. sem.

apprendimento motorio (regolazione di guadagno)

Optican and Robinson (1980) J Neurophysiol 44(6):1058-76

vie del riflesso condizionato dell’ammiccamento

effetto di lesioni cerebellari sul riflesso condizionato

attività dell’interposito durante il condizionamento

120 trials 120 trials

tono

soffio

tono tonosoffio soffio

disaccoppiati accoppiati

giorno 1 giorno 2

• studi PET e fMRI, nell’uomo, hanno dimostrato siti di attivazione delcervelletto dutrante compiti cognitivi

• adulti e bambini portatori di lesioni confinate al cervelletto soffrono dialterazioni affettive e cognitive (deficit di working memory, disturbi visuo-spaziali, mutismo, problemi intellettivi)

• il cervelletto sembrerebbe implicato sia nell’autismo che nellaschizofrenia

funzioni cognitive

funzioni cognitive (discriminazione sensoriale)

JH Gao et al. (1996) Science, 272:545 - 547

funzioni cognitive (immaginazione motoria)

funzioni cognitive (discriminazione di ritmo e melodia)

funzioni cognitive (scale vs. concerto)

funzioni cognitive (musica suonata e immaginata)