BASALIS GANGLIONOK ÉS IDEGI ÖSSZEKÖTTETÉSEIK Nemeskéri Ágnes 2016 Motoros rendszer, basalis ganglionok, direkt neuronális kör, indirekt neuronális kör, mirror neuron Semmelweis Egyetem Anatómiai, Szövet- és Fejlődéstani Intézet nemeskeri.agnes@med.semmelweis-univ.hu

Basalis ganglionok (törzsdúcok) Fejlődés: * a telencephalicus agyhólyag ventrális fala neostriatum + paleostriatum corpus striatum (dorsalis striatum) Lokalizáció: a ventrális telencephalonban mediálisan, a diencephalonra lenövő központi magok: * nucleus caudatus – a striatum asszociációs áreája * putamen nucleus caudatus + putamen=striatum=neostriatum * globus pallidus (pallidum=paleostriatum)

Dorsalis striatum Nucleus caudatus - a görbült agyhólyagnak megfelelően a kamra homorulatához fekszik - a striatum (dorsális) asszociációs része - caput n. caudati főleg a prefrontalis cortexből kap informaciót (input) - kevés neuronja vesz részt motoros funkcióban COGNITIV FUNKCIÓKBAN VESZ RÉSZT Putamen - a striatum szenzorimotoros része - rostok zöme a motoros és somatosensoros cortexből - centralisan részt vesz a basalis ganglionok legtöbb motoros funkciójában **testtájékok térképe a putamenben The Human Brain: An Introduction to its Functional Anatomy by John Nolte - 2009 Eyes

Ventralis striatum Nucleus accumbens - a bazális előagyi régióban, a hypothalamus preopticus areájától rostrálisan VENTRÁLIS STRIATUM: N. ACCUMBENS + TUBERCULUM OLFACTORIUM - afferensek: prefrontális asszociációs cortex, basolaterális amygdala, hippocampus - efferensek: basális ganglionokhoz, globus pallidushoz, substantia nigrahoz, formatio reticularishoz A ventrális striatum akkor aktiválódik, amikor csinálunk (vagy tervezünk csinálni) valamit, ami élvezetes számunkra http://mybrainnotes.com/brain-nucleus-accumbens.jpg https://66.media.tumblr.com/258bd326936f50d7cda065746a0d7293/tumblr_ob2lroUWGI1sbub06o1_500.jpg

Basális ganglionok Motoros aktivitás szándéka a motoros corticális mezőkben keletkezik - az aktivitás gyorsan átterjed a basális ganglionok neuronjaira Funkció: * specifikus corticális funkciókat modulál, regulál ( nem csak motor, + limbikus, + asszociációs corticális aktivitás) * neuroanatómiai hálózatok kapcsolják a basális ganglionokat a frontális lebeny specifikus areáihoz * a befutó információk feldolgozása, majd specifikus thalamikus magokon keresztül visszajut a cortexbe a feldolgozott információ *aktivitás megfigyelhető a mozgási feladat előkészítési, tervező fázisaiban és a motoros feladat végrehajtása során is

A basális ganglionok tágabb értelmezése Klinikai terminológia: „basális ganglionok” n. caudatus + putamen=neostriatum - telencephalon paleostriatum=globus pallidus - telencephalon Tágabb értelmezés funkcionális együttműködés alapján: nucleus subthalamicus - diencephalon substantia nigra - mesencephalon thalamus nuclei - ventral anterior, ventral lateral

Neuronális hálózatok a basális ganglionok és a cortex között Közvetlen kör (direct loop) Humán agy több mint 100 millió corticostriatális rostot/ hemispherium tartalmaz * Corticostriátális rostok aktiválják a striátum GABA-erg gátló neuronjait *Striátális neuronok gátolják a globus pallidus (int) és a subst. nigra (pars reticulata) GABA-erg gátló neuronjait: desinhibició (gátlás gátlása) * Thalamocorticális glutamaterg rostok specifikus corticális áreákat aktiválnak Eredmény: a frontális kéreg célterületén corticális aktivitás fokozódik „Direct loop” felelős a corticális szinten beindított motoros aktivitás megerősítéséért

Neuronális hálózatok a basális ganglionok és a cortex között Közvetett kör (indirect loop) -rostok zöme a sensorimotoros, associációs és limbikus corticális áreákból -motoros cortex *Corticostriátális rostok activálják a striatum GABA-erg gátló neuronjait *striátális neuronok gátolják a globus pal- lidus (ext) GABA-erg gátló neuronjait: desinhibició *Tehát a gátlás alól felszabaduló glutamat- erg neuronok aktiválódnak a nucleus subthalamusban *és activálják a globus pallidus (int) és a subst. nigra gátló neuronjait *GABA-erg gátló neuronok gátolják a dorsális thalamikus neuronokat Eredmény: a frontális cortex célterületén csökken az aktivitás „Indirect loop” felelős az ellentmondó mozgásmintázatok gátlásáért corticális szinten

csak szelektált mozgások http://41.media.tumblr.com/2485b00bcbe65f25affb4626a004efcd/tumblr_mmxt8hZbHc1snbqcco1_1280.jpg http://4.bp.blogspot.com/AiNf2GUFhmM/VeHIIdKE3OI/AAAAAAAAAZ8/YmZgq9yk1u8/s1600/Basal%2Bganglia%2B%2526%2BDBS%2B-%2BFigure%2B1.jpg összes tervezett mozgás csak szelektált mozgások információk az összes tervezett mozgásról csak szelektált mozgások – összes többi gátlása

Basális ganglionok A globus pallidus és a substantia nigra (SNr) idegsejtjeinek nagy frekvenciájú spontán kisülései gátolják az információ áramlást a thalamusból a frontális cortexbe

Moduláló neuronális körök substantia nigra (pars compacta) dopaminerg neuronjaiból (A9) indul a nigrostriatális pálya *Nigrostriatális axonok a striatális neuronok D1 receptorain végződnek és stimulálják a GABA-erg striatális neuronjait Eredmény: A nigrostriatális rendszer felerősíti a cortexből indított motoros activitást a direct loop stimulálásával és az indirect loop gátlásával

„Mirror neuronok” a pre-motor áreában HOT SPOT! „How I know why you do what you do?” „Mirror neuronok” a premotoros cortexben, parietal cortexben Brain (1996), 119, 593-609 Action recognition in the premotor cortex V. Gallese, L. Fadiga, L. Fogassi and G. Rizzolatti E közlemény, az agyi tevékenység egy új értelmezését tette lehetővé és a mirror neuron teóriát mindmáig intenzív kutatják. Mirror neuronok tüzelnek egy adott motoros feladat végrehajtásakor ÉS Akkor is, ha valaki mozdulatlanul szemlél egy másik személyt amint az adott mozgást végzi mirror link

Basalis ganglionok vérellátása Striatum: -a. cerebri media -caput nuclei caudati: a. cerebri ant. (Heubner féle arteria) Globus pallidus: -a. choroidea ant. Substantia nigra + n. subthalamicus: -a. cerebri posterior + a. communicans posterior A hemispheriumok bazális régióinak (BASALIS GANGLIONOK) csökkent vérellátása: INFARCTUS; VÉRZÉS; ISCHEMIA Pl.: aa. lenticulostriata lateralis Elsődleges klinikai tünet: akaratlan mozgások (DYSKINESIA) és izom gyengeség (HEMIPARESIS)).

A basális ganglionokat érintő kórképek Parkinson-kór *akinesia (mozgásképtelenség), dyskinesia (akaratlan abnormális mozgás), bradykinesia (mozgás lassú), muscularis rigiditás (állandó izomkontrakció, ellenállás a passzív mozgatásnak), nyugalmi tremor kifejezéstelen, merev arc *a mozgás indításának késése * a mozgás végrehajtásának lassúsága * a komplex mozgások végrehajtásának nehézsége *A substantia nigra dopaminerg neuronjainak szelektív pusztulása *A dopaminerg rostok és terminálisok eltünése a striatumból

kék=stimuláció piros=gátlás Parkinson-kór normál Parkinson-kór Bradykinésia : dopamin nem stimulálja a striátális neuronokat - a pallidum kiszabadul a striatum gátlása alól - fokozottan gátolja a thalamikus VLa magot - nem képes serkenteni a kérgi aktivitást –frontális kéreg aktivitása csökken. Normálisan: dopaminerg projectio a striatumban valószínüleg gátolja thalamikus bursting activitást. DA hiányában: ritmikus bursting a thalamusban – tremor nyugalomban – eltűnik az akaratlagos mozgás idején.

Could this bacterium cause Parkinson's disease?????? Toxin? – dopaminerg neuronok pusztulását okozza?? Helicobacter Pylori http://www.bbc.co.uk/news/health-13469716 Helicobacter pylori infection and Parkinson's disease: apoptosis as an underlying common contributor. Kountouras J. et al. European Journal of Neurology. 19(6):e56, 2012 Jun. DE: Karen Rees azt írja: „There is limited evidence to suggest that H Pylori eradication improves the absorption of levodopa and improves motor symptoms. „

Dyskinesia és hypotonia 1.Chorea -kiszámíthatatlan, kontrollálatlan izom-kontrakciók – a végtagok distális izmaiban -hypotonia -Huntington- chorea – örökletes, autosomalis, domináns betegség -massive, bilateralis neostriatalis sejtpusztulás 2.Ballismus - kiszámíthatatlan, kontrollálatlan izom-kontrakciók - proximalis végtagizmokban és függesztőövi izmokban – az egész végtagra kiterjedő vad mozgások -nucleus subthalamicus focalis léziója – az ellenoldali végtag ballisztikus mozgása -”direct loop”–nak nincs ellensúlya – thalamocorticalis stimuláció fokozott

Perfusiós CT felvétel – 73 éves beteg Perfusiós CT felvétel – 73 éves beteg. CT felvétel 30 perccel a hirtelen kialakuló jobboldali hemiplegia után agyi véráramlási térképen a kék szín: az agyi véráramlás lassú bal oldalon a basális ganglionok területe, a capsula interna kék: irreversibilisen károsodott agyszövet

Agyi tevékenység által kontrollált funkcionális elektromos izom-stimuláció (FES) Remény! NEUROPROSTHETIC DEVICE CT Moritz et al. Nature , 1-4 (2008) This report created tremendous public interest as a perceived milestone in the development of a seamless neurotechnological solution for restoring function in paralysis!!!!!!! Neuroprosthetic devices: How far are we from recovering movement in paralyzed patients? Joseph J. Pancrazio1, and P. Hunter Peckham; 2009 Expert Rev Neurother. Combination of an implanted electrode array in the motor cortex + functional electrical stimulation (FES) to muscles in paralyzed wrist Coordinated stimulation of paralyzed muscles through FES has been shown to be effective for restoring hand grasp, bladder control , respiration, standing and walking, and coughing. Earlier trials: An implantable system for control of hand grasp achieved commercialization as the Freehand system in 1997, and has been successfully used by over 250 C5/C6 spinal cord injured persons. Freehand recipients control hand grasp through operation of an external joystick, controlled by the movement of the opposing non-paralyzed shoulder.

BRAINGATE SYSTEM Presentation By Revathi.B Naga Praveena.CH

Introduction How Does Brain Control Motor Function ? The Mind-To-Movement System That Allows A Quadriplegic Man To Control A Computer Using Only His Thoughts Is A Scientific Milestone

Neuro Feedback Neuroprosthetic device Principle

NEURO CHIP:   Outer View Of Brain Gate System

Applications A Boon to the paralyzed -Brain Gate Neural Interface System Clinical trial on Nagle Statement Of Nagle “I can't put it into words. It's just—I use my brain. I just thought it. I said, "Cursor go up to the top right." And it did, and now I can control it all over the screen. It will give me a sense of independence.”

After taking part in a clinical trial of this system: he has opened e-mail, switched TV channels, turned on lights moved a robotic hand from his wheelchair - brain–machine interface Active tactile exploration using a brain–machine–brain interface Joseph E. O’Doherty 2011 Here we report the operation of a brain–machine–brain interface (BMBI) that both controls the exploratory reaching movements of an actuator and allows signalling of artificial tactile feedback through intracortical microstimulation (ICMS) of the primary somatosensory cortex.

Nature | News Feature NEW! Neuroprosthetics: Once more, with feeling Prosthetic arms are getting ever more sophisticated. Now they just need a sense of touch. Roberta Kwok 08 May 2013

Felhasznált irodalom http://www.pbs.org/wgbh/nova/sciencenow/3204/01.html http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/94/DA-loops_in_PD.jpg