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Controle motor da mão do cérebro

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Eu estava assistindo a um documentário (não lembro o nome ou a URL do documentário), mas eles afirmaram que o cérebro é dividido em camadas e que cada nova camada é colocada em cima da anterior. Portanto, a parte mais primitiva do cérebro que envia um sinal para mover os dedos, na verdade não tem como mover apenas um, mas na verdade envia uma mensagem para apenas abrir e fechar a mão. Essa mensagem é então passada para uma parte mais nova do cérebro, que então a filtra em movimentos individuais dos dedos.

Gostaria de saber se isso é verdade e como a camada mais recente do cérebro é capaz de captar uma mensagem abrir-fechar e identificar que dedo mover.

Parece uma maneira estranha de o cérebro funcionar; enquanto estou digitando esta mensagem a 86 ppm, como meu cérebro está realizando uma tarefa tão complexa de mover todos os meus dedos de uma mensagem de abrir e fechar?


Controle motor da mão do cérebro - Biologia

A característica definidora do sistema nervoso somático é que ele controla os músculos esqueléticos. Os sentidos somáticos informam o sistema nervoso sobre o ambiente externo, mas a resposta a isso é por meio do movimento muscular voluntário. O termo “voluntário” sugere que existe uma decisão consciente de fazer um movimento. No entanto, alguns aspectos do sistema somático usam músculos voluntários sem controle consciente. Um exemplo é a capacidade de nossa respiração de mudar para o controle inconsciente enquanto estamos focados em outra tarefa. No entanto, os músculos responsáveis ​​pelo processo básico da respiração também são utilizados para a fala, que é inteiramente voluntária.


1. Introdução

Em 2030, espera-se que quase um em cada cinco residentes dos EUA tenha 65 anos ou mais. Projeta-se que essa faixa etária aumente para 88,5 milhões em 2050, mais do que dobrando o número atual (38,7 milhões, dados do Censo dos Estados Unidos). Com a idade avançada, ocorre um declínio no controle e funcionamento sensório-motor. Esses declínios no controle motor fino, marcha e equilíbrio afetam a capacidade dos idosos de realizar atividades de vida diária e manter sua independência. As causas desses déficits motores são multifatoriais, com declínios do sistema nervoso central e alterações nos receptores sensoriais, músculos e nervos periféricos.

Os avanços nas técnicas de neuroimagem contribuíram muito para a nossa compreensão do envelhecimento do cérebro. O impacto das diferenças cerebrais relacionadas à idade na função cognitiva foi estudado extensivamente nos últimos anos, e este tópico foi revisado em outro lugar (cf. Cabeza, 2001 Li et al., 2001 Park & ​​# x00026 Reuter-Lorenz, 2009 Raz et al. ., 2007). A literatura sobre diferenças relacionadas à idade no controle neural do movimento não se desenvolveu tão rapidamente, mas vários estudos foram conduzidos até o momento (cf. Harada et al., 2009 Heuninckx et al., 2005, 2008 Hutchinson et al., 2002 Mattay et al., 2002 Naccarato et al., 2006 Riecker et al., 2006 Ward & # x00026 Frackowiak, 2003). Os resultados até agora apontam para alguns paralelos no envelhecimento dos sistemas motor e cognitivo, mas também sugerem áreas de divergência. O objetivo do presente artigo é fornecer uma revisão abrangente das diferenças relacionadas à idade na estrutura, função e bioquímica do cérebro, com referência particular ao seu impacto no desempenho motor em adultos mais velhos. Avançamos a hipótese de que o controle motor se torna mais dependente dos mecanismos centrais com a idade, incluindo os sistemas de gânglios pré-frontais e basais (para evidências de apoio, consulte as seções 3.3 e 4). O envolvimento dessas estruturas provavelmente reflete o aumento da confiança nos mecanismos de controle cognitivo para adultos mais velhos, em compensação pelos declínios sensório-motores relacionados à idade (ver Figura 1). Paradoxalmente, as estruturas pré-frontais que suportam o controle cognitivo mostram as maiores diferenças relacionadas à idade (ver seção 3.1 para evidências), potencialmente levando a mais comprometimentos no controle motor.

Estrutura & # x0201cSuprimento e demanda & # x0201d aplicada às mudanças relacionadas à idade no controle neural do movimento. Os adultos mais velhos dependem cada vez mais dos processos cognitivos do cérebro para o controle motor (& # x0201demanda cognitiva & # x0201d) devido aos declínios estruturais e funcionais nas regiões corticais motoras (MC), cerebelo e vias dos gânglios basais, juntamente com a disponibilidade reduzida de neurotransmissores. Ao mesmo tempo, a capacidade de atenção e outros recursos cognitivos relevantes (& # x0201 suprimento cognitivo & # x0201d) são reduzidos devido à degradação diferencial do córtex pré-frontal (PFC) e do corpo caloso anterior (CC). Adultos jovens (YA) Adultos mais velhos (OA).

Observação: usamos o termo & # x0201ccognitivo & # x0201d aqui em um sentido geral para representar atenção, memória de trabalho, processamento visuoespacial e outras funções que contribuem para o controle motor.


Vias neurais para comando cognitivo e controle dos movimentos das mãos

Um pedaço de fruta - uma passa - balança em uma vara na frente de um macaco (Fig. 1). Ele gosta de passas, ele quer esta. Ele estende o braço, abre a mão com os dedos bem separados e tenta capturá-la, mas perde (estoura B e D). Ele tenta novamente, desta vez com sucesso (explosão F). Ele pega a passa, tira-a do palito, leva-a à boca e a come. Delicioso! O que acontece no cérebro quando o animal executa essas ações? O gráfico acima das imagens na Fig. 1 rastreia as respostas de um neurônio registrado na área lateral 5 que faz fronteira com o sulco intraparietal, uma sub-região do córtex parietal posterior (PPC) originalmente estudado por Mountcastle et al. (1, 2), e descrito como um “neurônio de comando” de manipulação da mão engajado em ações intencionais da mão: alcançar e agarrar um objeto de interesse comportamental.

(Superior) Análise de explosão de respostas neurais a alcances espontâneos e tentativas de agarrar uma uva-passa em uma vara se movendo pela área de trabalho. O traço de explosão verde marca os intervalos quando as taxas de disparo são um SD maior do que a média durante o período de análise de 3 minutos. As taxas de disparo são mais altas quando o animal alcança a passa e tenta agarrá-la (rajadas B, D e F), e decai quando a mão se retrai para uma posição de repouso. (Diminuir) Traçados quadro a quadro da cinemática da mão, direção do olhar e localização do alvo em videoclipes digitais gravados simultaneamente com respostas neurais. Mesmo neurônio das figuras 4–7 de Gardner et al. (30).

Mountcastle et al. (1) propôs que essas regiões do PPC, ... recebam sinais aferentes descritivos da posição e movimento do corpo no espaço e contenham um aparelho de comando para operação dos membros, mãos e olhos dentro do espaço extrapessoal imediato. Esta função de comando geral é exercida de maneira holística. Refere-se a atos dirigidos a determinados objetivos comportamentais e não aos detalhes da contração muscular durante a execução. Esses detalhes são, nesta hipótese, tornados precisos pelo sistema motor, para o qual é bem adequado em virtude de seus poderosos mecanismos para especificar exatamente o movimento.

No entanto, nenhum substrato anatômico foi definido nesse relatório além do "sistema motor".

Em PNAS, Rathelot et al. (3) usar um rastreamento de via neuroanatômica de última geração para demonstrar uma via direta da área lateral 5 aos interneurônios da medula espinhal, fornecendo uma rota rápida e eficiente para modular os movimentos da mão e do braço durante comportamentos direcionados ao objetivo. Esses autores aproveitaram as toxinas bacterianas e os vírus para rotular os circuitos biológicos que implementam as funções de comando originadas do PPC, fornecendo um diagrama de fiação que complementa as vias de movimento voluntário tradicional da área 5 aos tratos de fibra corticomotoneuronal para os motoneurônios (4 ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ –13).

Rathelot et al. (3) levar o leitor, passo a passo, através do caminho do PPC para a ação. Primeiro, eles colocaram microeletrodos na área lateral 5, onde Mountcastle et al. (1) registrou neurônios de “comando” e evocou movimentos do tipo preensão do polegar e dos dedos seguindo sequências de pulsos elétricos liberados pelos eletrodos. Movimentos de preensão foram evocados tanto da margem anterior do sulco intraparietal (área PEip), quanto da superfície cortical adjacente caudal à área da mão S1 (área PE).

Para determinar os alvos de projeção anatômica dessas zonas fisiologicamente identificadas, Rathelot et al. (3) injetou a área lateral 5 com a subunidade B da toxina da cólera (CTb), uma molécula traçadora anterógrada altamente sensível. A captação de CTb pelos neurônios é mediada por endocitose absortiva quando se liga ao monossialoglicosídeo GM1 nas membranas neuronais, e é ativamente transportado bidirecionalmente dentro do neurônio, retrógrado (de volta para o soma celular e dendritos) e anterógrado (para a frente ao longo do axônio para os terminais sinápticos) (14,15). Rathelot et al. (3) demonstram que o transporte anterógrado de CTb produz marcação densa dos terminais do axônio no corno dorsal medial da medula espinhal de C2 para T2. Essa região é povoada por interneurônios espinhais que recebem estímulos somatossensoriais dos mecanorreceptores da mão (16), muitos deles também participam de vias reflexas para os motoneurônios da mão. A projeção corticoespinhal descendente da área 5 é contralateral e exclui o corno ventral onde residem os motoneurônios. A via da área 5 é dissináptica e não excita os motoneurônios diretamente.

Em uma segunda série de experimentos, Rathelot et al. (3) injetaram o vírus da raiva em músculos específicos da mão para delinear o circuito das projeções anatômicas de seus motoneurônios espinhais. Em estudos anteriores, esses autores e outros demonstraram o transporte transneuronal retrógrado do vírus da raiva dos músculos da mão para os grupos de motoneurônios da medula espinhal e, subsequentemente, para as células corticomotoneuronais do córtex motor primário (13, 14, 17 ⇓ –19). Níveis múltiplos de transporte transneuronal retrógrado dependem do tempo de sobrevivência após a injeção viral. Rathelot et al. (3) demonstram que tempos de sobrevivência curtos marcam os somas celulares de motoneurônios específicos, bem como os de interneurônios nas lâminas IV-VIII. Além disso, havia muita sobreposição entre os interneurônios marcados com vírus retrogradamente projetando-se para motoneurônios da mão específicos e os terminais nervosos marcados anterogradamente das injeções de CTb da área 5. Esses dados indicam que as projeções descendentes da área 5 modulam a atividade dos motoneurônios que inervam os músculos da mão através de um via dissináptica mediada por interneurônios de última ordem no corno dorsal medial.

Tempos de sobrevivência mais longos marcavam projeções transneuronais de terceira ordem do córtex cerebral para os músculos das mãos injetados com vírus. Essas regiões incluem o córtex motor primário (M1), várias regiões do córtex pré-motor e, mais importante, a camada V da área lateral 5. O marcador retrógrado nas áreas PE e PEip se sobrepõe aos locais de projeção anterógrada demonstrados nos experimentos de CTb e microestimulação. Além disso, a densidade de neurônios marcados transsinapticamente no PPC foi substancialmente maior quando o vírus da raiva foi injetado nos músculos distais da mão, do que nos músculos proximais do cotovelo e ombro. Neurônios corticospinais marcados retrogradamente da área lateral 5 eram apenas cerca de metade da freqüência daqueles em M1, mas quase 1,5 vezes mais numerosos do que aqueles no córtex pré-motor dorsal.

Rathelot et al. (3) concluem que a "região lateral dentro da área 5 tem neurônios corticospinais que estão diretamente ligados ao controle dos movimentos das mãos" e que "uma região localizada dentro do córtex parietal posterior tem" uma "rota mais direta para acessar a saída motora" do que vias de áreas pré-motoras. Seus dados claramente se encaixam na visão de Mountcastle de uma função de comando para o PPC (1, 2).

É significativo que as projeções da área descendente 5 demonstradas por Rathelot et al. (3) terminam em interneurônios, não em motoneurônios, modulando assim a excitabilidade dos grupos de motoneurônios. Terminar em motoneurônios simplesmente conferiria uma função motora direta ao PPC. Em vez disso, ao terminar em interneurônios que ativam conjuntos de motores específicos, as células PPC podem acelerar o motor ou desacelerá-lo, permitindo a facilitação ou inibição de ações específicas. Além disso, ao terminar em interneurônios em uma zona de projeção somatossensorial, como demonstrado por Rathelot et al., Os neurônios PPC podem aumentar as entradas sensoriais relevantes e suprimir ou bloquear sinais irrelevantes e distrativos quando os sujeitos se envolvem em atos intencionais.

O Mountcastle et al. o artigo (1) foi uma virada de jogo, uma mudança de paradigma na neurociência, porque demonstrou que era possível estudar funções superiores do cérebro em primatas não humanos (tópicos como intenção, atenção a eventos sensoriais, planejamento motor e decisão fazer) e analisar comportamentos complexos espontâneos sob controle subjetivo do animal. O relatório também desmascarou a ideia de que o PPC era uma área de associação sensorial de ordem superior na qual várias modalidades convergiam em neurônios individuais. As ações descritas no relatório de 1975 e ilustradas na Fig. 1 combinam o rastreamento visual de um objeto e a propriocepção das ações da mão e do braço durante o alcance e a preensão, com os comportamentos motores necessários para cumprir a meta de aquisição de um alvo imprevisível balançando no espaço.

O papel do PPC é sensorial, motor ou uma combinação dessas funções? Quando um animal explora seu ambiente com as mãos ou olhos, está buscando alguma informação ou tentando adquirir um objeto desejado, como a comida. Essas ações persistem até que o objetivo seja alcançado. O feedback sensorial confirma as expectativas subjetivas ou altera as ações para atingir esse objetivo.

Estudos posteriores de outros neurofisiologistas usando tarefas treinadas estabeleceram claramente que os neurônios PPC nas áreas 5 e 7 estão envolvidos no planejamento de movimentos direcionados à meta da mão, braço e olhos para obter uma recompensa e fornecer feedback sensorial relevante sobre a realização dos objetivos da tarefa ( 20). Essas funções são segregadas anatomicamente em sub-regiões específicas do PPC. Áreas mediais, como a área intraparietal medial e a "região de alcance parietal", são engajadas alcançando alvos com indicação no espaço de trabalho (21 ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ -26) regiões corticais laterais ao redor do sulco intraparietal (área 5 e o interparietal anterior área) sinalizam as posturas das mãos usadas para agarrar objetos específicos (27 ⇓ ⇓ ⇓ -31) e áreas da parede medial do hemisfério integram os movimentos dos braços e das mãos com os sinais visuais (32, 33). Os planos motores e a atenção sensorial são transformados em ação por interconexões parietais com áreas pré-motoras relevantes do lobo frontal. O Rathelot et al. o relato (3) demonstra uma nova via: conexões parietais diretas a pools de interneurônios espinhais, permitindo a modulação dos circuitos espinhais para ações direcionadas ao objetivo da mão e do braço, complementando as vias motoras frontais diretas mais tradicionais.


O estudo de mapeamento cerebral sugere que regiões motoras para a mão também se conectam a todo o corpo

Mapear diferentes partes do cérebro e determinar como elas correspondem a pensamentos, ações e outras funções neurais é uma área central de investigação na neurociência, mas enquanto estudos anteriores usando varreduras de fMRI e EEG permitiram aos pesquisadores descobrir áreas cerebrais conectadas com diferentes tipos de atividades neurais, eles não permitiram mapear a atividade de neurônios individuais.

Agora em um jornal publicado em 26 de março na revista Célula, os investigadores relatam que usaram matrizes de microeletrodos implantados no cérebro de duas pessoas para mapear as funções motoras até o nível de uma única célula nervosa. O estudo revelou que uma área que se acredita controlar apenas uma parte do corpo realmente opera em uma ampla gama de funções motoras. Também demonstrou como diferentes neurônios se coordenam.

"Esta pesquisa mostra pela primeira vez que uma área do cérebro que se pensava estar conectada apenas ao braço e à mão tem informações sobre o corpo inteiro", diz o primeiro autor Frank Willett, pós-doutorado no Laboratório de Prótese Neural Translacional em Stanford University e do Howard Hughes Medical Institute. "Também descobrimos que essa área tem um código neural compartilhado que liga todas as partes do corpo."

O estudo, uma colaboração entre neurocientistas da Stanford e da Brown University, faz parte do BrainGate2, um ensaio clínico piloto multisite focado no desenvolvimento e teste de dispositivos médicos para restaurar a comunicação e independência em pessoas afetadas por condições neurológicas como paralisia e síndrome do encarceramento. Um dos principais focos da equipe de Stanford tem sido o desenvolvimento de maneiras de restaurar a capacidade dessas pessoas de se comunicarem por meio de interfaces cérebro-computador (BCIs).

O novo estudo envolveu dois participantes com tetraplegia crônica - perda parcial ou total da função em todos os quatro membros. Um deles tem lesão medular de alto grau e o outro tem esclerose lateral amiotrófica. Ambos têm eletrodos implantados na chamada área de botão manual do córtex motor de seus cérebros. Esta área - nomeada em parte por sua forma em forma de botão - foi pensada anteriormente para controlar o movimento apenas nas mãos e nos braços.

Os pesquisadores usaram os eletrodos para medir os potenciais de ação em neurônios individuais quando os participantes foram solicitados a fazer certas tarefas - por exemplo, levantar um dedo ou girar um tornozelo. Os pesquisadores analisaram como os microarrays no cérebro foram ativados. Eles ficaram surpresos ao descobrir que a área do botão da mão foi ativada não apenas por movimentos na mão e no braço, mas também na perna, rosto e outras partes do corpo.

"Outra coisa que observamos neste estudo foi combinar os movimentos dos braços e pernas", diz Willett, "por exemplo, mover o pulso para cima ou o tornozelo para cima. Seria de esperar que os padrões resultantes da atividade neural no córtex motor fossem ser diferente, porque eles são um conjunto de músculos completamente diferente. Na verdade, descobrimos que eles eram muito mais semelhantes do que esperávamos. " Essas descobertas revelam uma ligação inesperada entre os quatro membros do córtex motor que pode ajudar o cérebro a transferir as habilidades aprendidas de um membro para outro.

Willett diz que as novas descobertas têm implicações importantes para o desenvolvimento de BCIs para ajudar as pessoas que estão paralisadas a se mudarem novamente. “Costumávamos pensar que, para controlar diferentes partes do corpo, precisaríamos colocar implantes em muitas áreas espalhadas pelo cérebro”, observa. "É emocionante, porque agora podemos explorar os movimentos de controle por todo o corpo com um implante em apenas uma área."

Uma importante aplicação potencial para BCIs é permitir que pessoas paralisadas ou com síndrome de encarceramento se comuniquem controlando um mouse de computador ou outro dispositivo. "Pode ser que possamos conectar diferentes movimentos corporais a diferentes tipos de cliques de computador", diz Willett. "Esperamos poder alavancar esses diferentes sinais com mais precisão para permitir que alguém que não pode falar use um computador, uma vez que os sinais neurais de diferentes partes do corpo são mais fáceis para um BCI separar do que aqueles do braço ou da mão apenas."

Este trabalho foi apoiado pelo Escritório de Pesquisa e Desenvolvimento, Serviço de P&D em Reabilitação, Departamento de Assuntos de Veteranos, Comitê Executivo de Pesquisa do Hospital Geral de Massachusetts, NIDCD, NINDS, Larry e Pamela Garlick, Samuel e Betsy Reeves, o Wu Tsai Instituto de Neurociências em Stanford, a Colaboração da Fundação Simons no Cérebro Global, o Escritório de Pesquisa Naval e o Instituto Médico Howard Hughes.

Célula, Willett et al. "Hand Knob Area of ​​Premotor Cortex Represents the Whole Body in A Composional Way" https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(20)30220-8

Célula (@CellCellPress), o jornal principal da Cell Press, é um jornal bimestral que publica descobertas de importância incomum em qualquer área da biologia experimental, incluindo, mas não se limitando a biologia celular, biologia molecular, neurociência, imunologia, virologia e microbiologia, câncer, genética humana, biologia de sistemas, sinalização e mecanismos e terapêuticas de doenças. Visite: http: // www. célula. com / cell. Para receber alertas de mídia da Cell Press, entre em contato com [email protected]

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Anatomia e funções da ponte

A ponte é uma das menores partes do cérebro, com apenas 2,5 cm de comprimento, mas, especialmente por ser uma parte do tronco cerebral, está envolvida em muitos processos que executam a parte central e sistema nervoso periférico.

Nervos cranianos

A ponte é vital para a central e sistema nervoso periférico - uma das principais razões para isso são suas conexões com vários nervos cranianos, incluindo os nervos trigêmeo, abducente, facial e vestibulococlear.

No centro da ponte está uma reentrância, ou linha, chamada de sulco basilar (também onde a artéria basilar está localizada). Todos os nervos cranianos se originam do mesmo lado do sulco basilar, com exceção do nervo trigêmeo.

Por causa de sua abundância de conexões nervosas, a ponte está envolvida em muitas funções do sistema nervoso, que vão desde funções sensoriais a motoras. O nervo trigêmeo é o maior nervo craniano e recebe o nome de seus três ramos: os nervos oftálmico, maxilar e mandibular.

Esse coleção de nervos controla as informações sensoriais coletadas dos órgãos da face e o controle motor da mastigação.

O abducente controla o movimento do olho, o nervo facial controla as expressões do rosto (portanto, controla a transmissão de sinais neuronais do cérebro para todos os músculos finos do rosto - isso é um muito para administrar!) e o sentido do paladar e o vestibulococlear regula o equilíbrio e as sensações auditivas.

Todos os nervos cranianos associados a esta estrutura emergem da superfície ventral da ponte.

Mesmo se parássemos por aqui, é claro que a funcionalidade da ponte é de amplo alcance. Mas, não para por aí!

Outras características anatômicas externas da ponte

A mesma área de onde estes nervos cranianos emergir é distinguido por uma protuberância formada por uma estrutura chamada de fibras pontocerebelares transversais. Esse feixe de nervos se conecta ao cerebelo e constitui a principal fonte aferente de informações neuronais para o cerebelo.

Grande parte das informações enviadas pelas fibras pontocerebelares diz respeito ao planejamento e execução de movimentos finos, especificamente, movimentos do braço, antebraço e mão. Essas fibras envolvem o restante do tronco cerebral.

Um marco importante a ser observado é a junção pontomedular: ela é marcada pelo ângulo entre a região inferior da ponte e o limite superior da medula oblonga.

O assoalho do quarto ventrículo constitui a superfície dorsal da ponte, junto com a da medula oblonga. Mais algumas estruturas podem ser identificadas nesta região da ponte incluindo a eminência medial, que marca a linha média da superfície dorsal, o colículo facial, uma protuberância formada pelo fibras dos nervos faciais essa volta ao redor do núcleo dos abducentes e da estria medular, um feixe de nervos pertencente ao quarto ventrículo.

Outro ponto de referência para ajudá-lo a identificar a ponte é o chamado ângulo cerebelopontino, onde o flóculo cerebelar (uma pequena parte do cerebelo envolvida no controle motor), o plexo coróide ventriculare os nervos facial e vestibulococlear circundam o forame de Luschka (estruturas que ligam o quarto ventrículo à cisterna cerebelopontina, outro espaço no qual o líquido cefalorraquidiano pode se acumular).

Anatomia Interna da Ponte

O pons é reconhecido por ter duas divisões principais: o ponte ventral e a tegmento (diferente do tegmento do mesencéfalo.) A ponte ventral abriga os núcleos pontinos, estruturas responsáveis ​​pela coordenação do movimento. Esses núcleos viajam da ponte através da linha média e formam os pedúnculos cerebelares médios à medida que avançam para o cerebelo.

O tegmento da ponte é considerado a região mais velha da ponte evolutivamente (o que significa que essa estrutura estava presente nos ancestrais dos humanos e outros vertebrados que tinham uma ponte como parte de seu sistema nervoso).

O tegmento faz parte da formação reticular, uma rede de nervos que se estende da medula oblonga e se conecta à medula espinhal e ao tálamo.

Núcleos Pontinos

Esses núcleos são uma parte da ponte que é preocupado com a atividade motora. Eles estão entre os maiores núcleos que informam o cerebelo e fornecem algumas das transmissões neuronais mais importantes. Os núcleos pontinos são informados principalmente pelo córtex cerebral e se projetam para os hemisférios cerebelares.

Formação reticular

o formação reticular é uma coleção complexa de fibras nervosas e corpos celulares que são compostos por tratos nervosos ascendentes e descendentes. Os núcleos dentro da formação reticular estão envolvidos com a produção de neurotransmissores e associados a vários nervos cranianos, controlando as funções sensoriais e motoras com os tratos descendentes e a excitação e consciência com os tratos ascendentes.

o neurotransmissores produzidos pela formação reticular estão conectados com muitas partes do sistema nervoso central e regulam muitos tipos de atividade em várias áreas diferentes do cérebro. Essa formação reticular está relacionada à produção de dopamina, liberação de serotonina, produção de acetilcolina e muito mais. Todos esses hormônios e neurotransmissores estão relacionados à percepção sensorial, controle motor e respostas comportamentais a vários estímulos.

Tratos nervosos que passam pela ponte

Existem quatro tratos nervosos principais que passam pela ponte para controlar as funções sensoriais, autonômicas e voluntárias do corpo.

Trato Corticoespinhal

o trato corticoespinhal (CST), também conhecido como trato piramidal, compreende parte dos tratos nervosos descendentes que emergem da ponte para a medula espinhal e para o sistema nervoso periférico. Há cerca de 1 milhão de fibras nervosas que compõem o CST, cada uma delas transmitindo informações neuronais a velocidades de 60m / s!

O CST viaja através da corona radiata (uma camada de substância branca) e ramo posterior da cápsula interna para terminar no tronco cerebral. Assim que atinge o tronco cerebral, uma das estruturas por onde passa, é claro, é a ponte. O CST controla muitas funções motoras, incluindo os reflexos espinhais, e o mais notável dos movimentos voluntários são os movimentos distais voluntários.

Trato Corticobulbar

Este é um decrescente via neuronal responsável pela inervação de vários nervos cranianos, controlando os músculos da face, língua, mandíbula e faringe.

o nervos cranianos que são fornecidos pelo trato corticobulbar incluem o nervo trigêmeo (controla o processo de mastigação), o nervo facial (controla os músculos da face), o nervo acessório (controla especificamente os músculos esternocleidomastóideo e trapézio) e o nervo hipoglosso (controla os músculos da língua) .

Trato de Lemnisco Medial

O trato nervoso faz parte de uma via maior chamada via lemniscal medial-coluna dorsal, que é responsável pela transmissão de informações sensoriais relacionadas à sensação tátil fina, detecção de vibrações e propriocepção (consciência da posição de certas partes do corpo).

Trato espinotalâmico

O trato espinotalâmico atua junto com o trato medial do lemnisco para criar uma das vias mais importantes do sistema nervoso, responsável por transmitir informações sobre as sensações.

Sinais neuronais relacionados à dor, temperatura e toque são transmitidos para a região somatossensorial do hipotálamo por meio desse trato nervoso. No total, o trato espinotalâmico é composto de quatro subtratos: o trato espinotalâmico anterior, o trato espinotalâmico lateral, o trato espinorreticular e o trato espinotetal.


Aprender a coordenação motora fina muda o cérebro

Resumo: O estudo identifica uma população de neurônios em uma área do mesencéfalo, chamada de núcleo vermelho, que se altera quando as habilidades motoras finas são aprendidas. Quanto mais uma ação é praticada, mais fortes se tornam as conexões entre esses neurônios.

Fonte: Universidade da Basileia

Quando treinamos o alcance e a apreensão de objetos, também treinamos nosso cérebro. Em outras palavras, essa ação provoca mudanças nas conexões de uma determinada população de neurônios no núcleo vermelho, uma região do mesencéfalo. Pesquisadores da Universidade de Basel & # 8217s Biozentrum descobriram este grupo de células nervosas no núcleo vermelho. Eles também mostraram como as tarefas motoras finas promovem a reorganização plástica dessa região do cérebro. Os resultados do estudo foram publicados recentemente em Nature Communications.

Simplesmente segurar uma xícara de café requer coordenação motora fina com a mais alta precisão. Esse desempenho necessário do cérebro é uma habilidade que também pode ser aprendida e treinada. O grupo de pesquisa do Prof. Kelly Tan & # 8217s no Biozentrum, Universidade de Basel, investigou o núcleo vermelho, uma região do mesencéfalo que controla o movimento motor fino, e identificou uma nova população de células nervosas que muda quando a coordenação motora fina é treinada. Quanto mais essa apreensão é praticada, mais as conexões entre os neurônios desse grupo de células nervosas são fortalecidas.

O núcleo vermelho, uma região pouco investigada do cérebro

A preensão é uma habilidade que pode ser treinada e aprimorada, mesmo em adultos. Para que os músculos executem um movimento corretamente, os comandos do cérebro devem ser transmitidos pela medula espinhal. O núcleo vermelho, que, ao longo dos anos, tem recebido pouca atenção nas pesquisas do cérebro, desempenha um papel importante na coordenação motora fina. Aqui, o cérebro aprende novas habilidades motoras finas para agarrar e armazena o que aprendeu.

Nossas habilidades motoras finas, como agarrar, são dirigidas pelo núcleo vermelho, uma região do mesencéfalo. A imagem é creditada à Universidade de Basel, Biozentrum.

A equipe de Kelly Tan & # 8217s agora investigou o núcleo vermelho com mais detalhes no modelo do mouse e analisou sua estrutura e composição neuronal. & # 8220Nós descobrimos que essa região do cérebro é muito heterogênea e consiste em diferentes populações de neurônios & # 8221, diz Giorgio Rizzi, primeiro autor do estudo.

Melhoria das habilidades motoras finas por meio de mudanças plásticas no cérebro

A equipe de pesquisa caracterizou uma dessas populações de neurônios e demonstrou que aprender novos movimentos de preensão fortalece as conexões entre os neurônios individuais. & # 8220Ao aprender novas habilidades motoras finas, a coordenação desse movimento específico é otimizada e armazenada no cérebro como um código, & # 8221 explica Tan. & # 8220Assim, também pudemos demonstrar neuroplasticidade no núcleo vermelho. & # 8221

Em uma etapa posterior, a equipe agora quer investigar a estabilidade dessas conexões de células nervosas fortalecidas no núcleo vermelho e descobrir até que ponto elas regredem quando os movimentos motores finos aprendidos não são praticados. As descobertas também podem fornecer novos insights sobre a compreensão da doença de Parkinson & # 8217s, na qual os indivíduos afetados sofrem de distúrbios motores. The team hopes to find out whether the neuronal connections in the red nucleus have also changed in these patients and to what extent fine motor training can restrengthen the neuronal network.

Fonte:
University of Basel
Media Contacts:
Heike Sacher – University of Basel
Image Source:
The image is credited to University of Basel, Biozentrum.


Understanding the control of instinctive behaviour

Dr. Cornelius Gross, Deputy Head of Unit and Senior Scientist at EMBL, recently gave a seminar at SWC on how animals produce and control fear behaviours. I caught up with him to learn more about his research on instinctive behaviours.

How do you define instinctive behaviour?

People often use the terms “instinctive” or “innate” to describe behaviours that are not learned, i.e. behaviours you already know how to do for the first time. Instinctive behaviours are important for promoting the survival of your genes and thereby your species.

What role is the hypothalamus thought to play in the expression of instinctive behaviours?

The hypothalamus is an ancient part of the brain whereas other areas, such as the cortex and forebrain, are very recent evolutionary additions. As such, the hypothalamus is able to respond to sensory inputs, form internal states and induce motor outputs.

According to the evolutionary neurobiologist Detlev Arendt, the hypothalamus was formed by the fusion of two ancient neural nets:

  • a neuroendocrine system that responded to light and secreted factors into the main body cavity – ancestor of the modern midline neuroendocrine nuclei
  • a motor system that controlled contractile tissue to produce basic behavioral patterns – ancestor of the medial and lateral hypothalamus that control instinctive behaviors

The hypothalamus is sometimes mistakenly called the “reptilian” brain in reality it dates back to before the appearance of the first bilaterian organisms and is perhaps better termed the Ur-brain. A lot of current work focuses on trying to understand how the hypothalamus encodes internal motivational states that drive instinctive behaviour, and although its basic architecture was clarified already 30 years ago, how it controls behaviour it still pretty much a mystery.

Why does emotion often accompany instinctive urges in humans?

The question of emotion is a prickly issue. Strictly speaking, only humans have emotions as, by definition, they have to be conscious and reportable in some way. However, we know that areas of the brain that control behaviours associated with emotions like fear and sexual desire in humans are highly conserved across many species and so the presumption is that animals also have emotion-like states, which we call internal states or motivational states.

You might ask why we don’t just respond to threatening stimuli by running away without feeling the emotion of fear. This strategy might be effective for an animal that repeatedly encounters the same threat and has a standard, fixed response pattern. This happens in humans for example when we trip and our hands automatically rise to protect our face. However, emotional behaviours are typically elicited by living, autonomous stimuli that are unpredictable.

To survive animals need to integrate information about a threat to guide the activation of a repertoire of predetermined instinctive behaviours, both to select the most appropriate response and to keep the predator guessing about its intentions. One can argue that such an integration-selection task is better served by the activation of an internal state that encodes threat intensity and that empowers a variety of behavioural responses. It is not clear, however, whether internal states are really the best way to drive instinctive behaviour, or whether this brain architecture is just an evolutionary relic that was useful to our ancestors.

One idea is that emotions in humans are the result of our conscious detection of these internal states. As our cortex has developed, our capacity for self-awareness of our internal states has increased to the point where we are often able to feel and report them. In my opinion, a major goal of emotional behaviour research is to discover methods to increase awareness of our internal states and reduce the suffering they impart.

How much is currently known about the brain regions that support instinctive responses?

The basic architecture of the system – the brain regions involved and their connections – was worked out in the 1980s and 90s using classic anatomical methods. At the moment we are in a second phase of discovery where we are applying new genetic tools – optogenetics, pharmacogenetics, and neural activity imaging – to identify the individual cell-types involved and see how the microcircuitries in each structure works.

At the completion of this discovery phase will should understand how you go from sensory input to motor output and how information is encoded and transformed at each synapse along the way. With this information we will be able to make computational models that will help us predict the performance of these circuits and will lead us to new hypotheses about how their work that can be tested by further experiments. I was excited to see how the Sainsbury Wellcome Centre is perfectly placed to contribute to this marriage between experimental and computational neural circuit approaches.

A future phase will focus on plasticity and how the circuits can be adapted, and exploring how the process can be targeted by drugs, such as small molecules that can selectively block regions or cell types or modulate their computational capacity to mitigate behaviours. We are still a long way away from translating this work to humans, but there is great potential in targeting the instinctive behavioural system to treat psychiatric disorders because the suffering associated with these illnesses is overwhelmingly caused by pathological excess or insufficiency in these behaviors.

Why are we so far away from translating this research to humans?

For one, if you look at the human literature nobody talks about the hypothalamus and behaviour. The hypothalamus is very small and can’t be readily seen by human brain imaging technologies like functional magnetic resonance imaging (fMRI). Also, much of the anatomical work in the instinctive fear system, for example, has been overlooked because it was carried out by Brazilian neuroscientists who were not particularly bothered to publish in high profile journals. Fortunately, there has recently been a renewed interest in these behaviors and these studies are being newly appreciated.

Are animals able to control instinctive behaviours?

Yes, we observe that animals dramatically adapt their instinctive responses depending on their environment. For example, animals can become more avoidant of other animals, a form of social fear, if they are bullied by other animals and this avoidance can last for weeks even if the animal is not further bullied.

We have some ideas of how this plasticity works. Cortical structures that record past experiences are able to reach into the brain regions that control the production of instinctive fear behaviour and suppress them. And we have found that these circuits are conserved in primates, so it is very likely that humans use them as well to suppress avoidance behavior.

We also know that the capacity to control instinctive behaviours increases around adolescence when humans begin to interact with peers and presumably need to regulate their instincts so as to balance their immediate needs with those of the group.

How are instinctive behaviours connected to psychiatric disorders?

If you talk to psychiatrists about the things that bother their patients most, they often say it is the negative symptoms such as aggression, fear, and lack of pleasure. Even if we don’t know the origin of the disorder, if we could block the relevant instinctive drive, we could probably help these people. A drug that selectively ramped down aggression, for example, even if it did not improve cognitive symptoms, could be very useful in autism or schizophrenia.

Even if we could target negative behaviour, would people still experience negative feelings?

It would depend on where you intervene between the sensory input and motor output. Of course, this is a big question in humans as we have so much access to our internal states and we don’t really know at what part along the pathway the emotions are getting monitored.

Work in mice and rats suggests that the emotional part is coming from a connection between the medial hypothalamus and cortex that goes via the mid-line thalamus, but in humans this may be different as there may be more connections that we don’t know about. For example, humans could have access to very early sensory information with emotional content, and blocking this could be much more complex than in mice and rats.

What techniques do you currently use in the lab and what are the main research challenges you face?

We use the full range of neural circuit and molecular manipulation and monitoring tools adapted to behaving mice. Many of these are new and truly revolutionary, but we still need more selectively ways to subtly up and down modulate synaptic connections without altering endogenous neural firing activity.

This is because our current tools are still very crude as they globally activate or suppress cells, essentially breaking the circuit. Ideally, you want to leave the circuits intact and tweak their computational properties up or down, increasing or decreasing the gain to see what happens.

Another advance that is desperately needed is the ability to record from thousands or even millions of neurons simultaneously across many brain regions. This will allow us to see brain states encoded in a distributed manner and understand how the brain works as a single organ.

At the same time we need to go down to the sub-cellular level and understand the cell biological mechanisms of circuits. I think we will find that there is a lot of divergence from the standard models about how neurons work. This work will require electron microscopy as synapses lie beyond the resolution of light microscopy, and new tools will be needed like genetically-encoded EM-visible dyes and sensors.

About Dr. Cornelius Gross

Dr. Cornelius Gross is Group Leader, Senior Scientist, and Deputy Head of the Epigenetics & Neurobiology Unit at the European Molecular Biology Laboratory (EMBL) in Rome since 2003. His research aims to understand the neural circuit mechanisms controlling instinctive behaviors, with a special focus on fear and anxiety.

Dr. Gross was raised in the United States and received undergraduate training in biophysics at the University of California, Berkeley and then pursued doctoral research at Yale University studying transcriptional regulation by homeodomain factors with William McGinnis. Dr. Gross then joined the group of René Hen at Columbia University as a postdoctoral fellow where he discovered a developmental role for serotonin in determining life-long anxiety-related behavior and identified the serotonin receptor responsible for the therapeutic effects of antidepressants.

In his early work at EMBL he showed how deficits in serotonin autoregulation can cause sudden infant death syndrome and how serotonin moderates the impact of maternal care on anxiety traits in adulthood. His laboratory is currently focused on characterizing hypothalamic and brainstem circuits that regulate social and predator fear and understanding the role of microglia in determining the wiring of behavioral circuits during development.

In 2013 he was awarded an Advanced Grant from the European Research Council (ERC) to study social and predator fear circuits in the brain. Earlier in his career Dr. Gross served for two years as a science teacher at a public high school in New York City, where he gained an appreciation of the benefits and challenges of communicating science to a lay audience. He is married with three children and lives in Rome, Italy.


How the Motor Cortex Works

The different sections of the motor cortex control different aspects of movement. For example, the premotor cortex is responsible for planning movement, and the primary motor cortex is in charge of executing that movement.

The primary motor cortex is arranged in such a way that different parts of the cortex control different parts of the body. However, not every part has equal amounts of brain matter devoted to it.

Complex movements that require more precise control take up larger amounts of space in the brain than simple motions do. For example, a significant portion of the motor cortex is devoted to finger movements and facial expressions, while a smaller portion of the brain is responsible for leg motions, since these movements are less precise.

This fact explains why many stroke patients struggle with fine motor control or facial paralysis. Because those motions are controlled by a larger portion of the motor cortex, they have a much higher likelihood of becoming damaged during a stroke.

On the other hand, with leg control, only a small amount of brain matter controls it. So a stroke must occur in that small area in order to affect the leg.


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