Funzioni dei nuclei della base
nel controllo posturale e nella
deambulazione
Eugenio Scarnati – Marco Paoloni
Funzioni dei nuclei della base nel controllo posturale e nella deambulazione
The Basal Ganglia
A major centre in the complex
extrapyramidal motor system.
Are involved in many neuronal
pathways having emotional,
motivational, associative and
cognitive functions as well.
Herrero et al, Functional anatomy of thalamus and basal ganglia, Child’s Nerv
Syst 2002
Funzioni dei nuclei della base nel controllo posturale e nella deambulazione
Putamen
Striatum
Caudato
Globus Pallidus (GPe,
GPi)
Substantia Nigra
(SNc, SNr)
Subthalamic Nucleus
Funzioni dei nuclei della base nel controllo posturale e nella deambulazione
The striatum receive inputs from all cortical
Throughout the thalamus the striatum project principally to frontal
lobe areas (prefrontal, premotor and supplementary motor areas) which are
concerned with motor planning
Herrero et al, Functional anatomy of thalamus and basal ganglia, Child’s Nerv Syst 2002
Funzioni dei nuclei della base nel controllo posturale e nella deambulazione
Schultz et al, 1992
Funzioni dei nuclei della base nel controllo posturale e nella deambulazione
Schultz W, 2003
Funzioni dei nuclei della base nel controllo posturale e nella deambulazione
Discrimination of reward magnitude by striatal neurons. (a) Increasing response in a caudate
neuron to instruction cues predicting increasing magnitudes of reward (0.12, 0.18, 0.24 ml).
(b) Decreasing response in a ventral striatum neuron to rewards with increasing volumes.
Funzioni dei nuclei della base nel controllo posturale e nella deambulazione
Funzioni dei nuclei della base nel controllo posturale e nella deambulazione
The dopaminergic system
innervates all BG structures as well
as its projection targets like the
thalamus and brainstem motor
centers
Funzioni dei nuclei della base nel controllo posturale e nella deambulazione
Multiple dopamine signals
Neurophysiological activations of dopamine neurons following primary rewards and
conditioned, reward-predicting stimuli, physically intense stimuli, risk, and primary and
conditioned aversive stimuli
Schultz W, 2012
Funzioni dei nuclei della base nel controllo posturale e nella deambulazione
Multiple dopamine signals
Different groups of dopamine neurons convey motivational signals in distinct manners
Matsumoto M, Hikosaka O. Nature 2009
Funzioni dei nuclei della base nel controllo posturale e nella deambulazione
The BG and movement: basic concepts
The original model of the BG was concerned with
motor control and based on three main findings:
o
Somatotopic Arrangement
o
Striato-Pallidal Pathways
o
Output of BG
Obeso et al, Functional Organization of the Basal Ganglia: Therapeutic Implications for Parkinson’s Disease, Mov Disord (2008)
Funzioni dei nuclei della base nel controllo posturale e nella deambulazione
Somatotopic Arrangement
The cortical motor areas (M1, PMA, SMA) and the primary
somatosensory cortex project in a somatotopically organized fashion
to the striatum.
Obeso et al, Functional Organization of the Basal Ganglia: Therapeutic Implications for Parkinson’s Disease, Mov Disord (2008)
Funzioni dei nuclei della base nel controllo posturale e nella deambulazione
Striato-Pallidal Pathways
Striatal efferent neurons, the medium spiny neurons (MSN), are
GABAergic and connect with the GPe and GPi by two different
projections systems, the ‘‘indirect’’ and ‘‘direct’’ pathways
Obeso et al, Functional Organization of the Basal Ganglia: Therapeutic Implications for Parkinson’s Disease, Mov Disord (2008)
Funzioni dei nuclei della base nel controllo posturale e nella deambulazione
Striato-Pallidal Pathways
Neurons in the ‘‘direct pathway’’ project directly from putamen to
GPi/SNr. They bear DA D-1 receptors, co-express the peptides
substance-P, and dynorphin and establish a monosynaptic inhibitory
connection with GPi/SNr neurons.
Neurons in the ‘‘indirect pathway’’ contain DA D-2 receptors and
co-express enkephalin. They project to the GPe which in turn influence
the GPi/SNr by a monosynaptic inhibitory connection and indirectly
through the GPe–STN–GPi projection.
DA modulates glutamatergic effects on corticostriatal inputs by exerting a
dual effect on striatal neurons, exciting D1 neurons in the direct
pathway and inhibiting D2 neurons in the indirect circuit.
Obeso et al, Functional Organization of the Basal Ganglia: Therapeutic Implications for Parkinson’s Disease, Mov Disord (2008)
Funzioni dei nuclei della base nel controllo posturale e nella deambulazione
Output of the BG
Reduced BG output leads to movement
facilitation
and increased activity to movement inhibition
Obeso et al, Functional Organization of the Basal Ganglia: Therapeutic Implications for Parkinson’s Disease, Mov Disord (2008)
Classic model of the organization of the basal ganglia in the normal (A),
parkinsonian (B), and levodopa-induced dyskinetic (C) states.
Funzioni dei nuclei della base nel controllo posturale e nella deambulazione
Current concepts of the BG
The BG are currently seen as a highly organized
network, where different parts are activated depending
on specific functions and circumstances.
The BG are not only involved in movement control, but
also in functions such as learning, planning, working
memory, and emotions
Obeso et al, Functional Organization of the Basal Ganglia: Therapeutic Implications for Parkinson’s Disease, Mov Disord (2008)
Funzioni dei nuclei della base nel controllo posturale e nella deambulazione
Corticobasal Ganglia Projections
Cortical input accesses the BG through the corticostriatal projection to
medium spiny neurons projecting to the GP and to the STN.
The cortical projection exerts an opposite (inhibitory/excitatory)
disynaptic effect onto the GPe and Gpi.
Activity of the GPe modulates back the excitability of the striatum and STN by
means of the reciprocal inhibitory connections. The GPe seems as a critically
important nucleus controlling BG output
Obeso et al, Functional Organization of the Basal Ganglia: Therapeutic Implications for Parkinson’s Disease, Mov Disord (2008)
Funzioni dei nuclei della base nel controllo posturale e nella deambulazione
These five parallel loops are not completely independent;
there is a convergence of information:
1. At the level of the globus pallidus and substantia nigra
pars reticulata
2. At the level of the thalamus
3. By axonal collateralisation within the different nuclei
Herrero et al, Functional anatomy of thalamus and basal ganglia, Child’s Nerv Syst (2002)
Funzioni dei nuclei della base nel controllo posturale e nella deambulazione
This anatomical organization sustains functions such as attention, explicit
and implicit learning, reward-related behavior, habit formation, and
time estimation, which depend on the activation of cortical loops through
the caudate nucleus, anterior, and ventral putamen
Obeso et al, Functional Organization of the Basal Ganglia: Therapeutic Implications for Parkinson’s Disease, Mov Disord (2008)
Funzioni dei nuclei della base nel controllo posturale e nella deambulazione
La via talamo striatale
Le principali origini delle fibre
talamo-striatali sono i nuclei
intralaminari del talamo: centro
mediano (CM) e parafascicolare
Il
CM appare connesso con il
(Pf)
territorio “sensorimotorio” dello
striato, mentre il Pf sembra
innervare predominantemente
il territorio “associativolimbico” dello striato.
Sadikot et al. J. Comp Neurol. 1992
Funzioni dei nuclei della base nel controllo posturale e nella deambulazione
La via CM- striato sensorimotorio
Le fibre del CM nello striato fanno sinapsi sulle cellule NADPH-diaforase positive
produttrici di NO.
Considerata la natura glutamatergica della via CM-striato, la attivazione di questa
dovrebbe eccitare le cellule NADPH-diaforase positive ed indurre la liberazione di
NO.
Lo NO è uno degli agenti, assieme alla trasmissione dopaminergica ed a quella
colinergica, in grado nello striato di indurre Log Term Depression (LTD).
La LTD e la Long Term potentiation (LTP) sono i due meccanismi di membrana
attraverso
i quali nello striato si riesce ad evidenziare l’informazione rilevante ai fini della
attività
motoria
Calabresi et al. Trends Neurosci 2007; 30: 211-219
Funzioni dei nuclei della base nel controllo posturale e nella deambulazione
La via Pf- striato limbico-associativo
Le fibre talamiche del Pf formano sinapsi asso-dendritiche ed asso-spinose nella
matrix del compartimento “associativo-limbico”.
Per quanto concerne la suddivisione in cellule striatali poste sulla via “diretta” od
“indiretta” le fibre talamiche innervano entrambi i sottotipi cellulari di medium
spiny neurons.
In relazione alla proiezione Pf-striato bisogna notare che queste connessioni tra
parti del
talamo limbico e parti limbiche dello striato ricordano molto da vicino i circuiti
coinvolti
nelle patologia ossessivo compulsive e nei comportamenti da dipendenza.
Tutto ciò suggerisce fortemente che la “motivazione” debba rientrare tra i
meccanismi
alterati nelle patologie dei gangli della base come il Parkinson.
Funzioni dei nuclei della base nel controllo posturale e nella deambulazione
ei ventrale-anteriore (VA) e ventrale-laterale (VL) del talamo
Questi due nuclei sono considerati da tempo i nuclei su cui converge l’output dei
BG proveniente dal GPi nei primati superiori. Tuttavia alcuni dati recenti sono in
grado di far ipotizzare una funzione non solo di mero relay per questi nuclei ma
una qualche funzione integrativa delle attività svolte a monte nei BG.
•
Via diretta pallido-VA-corteccia
•
Via indiretta pallido-nucleo reticolare-VA-corteccia
Possibili funzioni di feedforward
inhibition in grado probabilmente di
modulare in intensità e durata
l’informazione che fluisce nella
connessione diretta.
Funzioni dei nuclei della base nel controllo posturale e nella deambulazione
Il Nucleo Subtalamico
Di
recente
la
connessione
cortico-sottotalamica diretta è
stata
rivalutata
ed
ipotizzata
essere la terza via dei BG: dopo la
“diretta”
ed
“indiretta”
la via
“iperdiretta”.
La funzione di questa via sembra
essere principalmente quella della
trasmissione della informazione
sensitiva giunta in corteccia che
viene ritraslata ai BG.
Nambu A. Prog Brain Res. 2004; 143: 461-66
Funzioni dei nuclei della base nel controllo posturale e nella deambulazione
La via Talamo-sottotalamica
Possibile importanza dal momento che i nuclei talamici si trovano a
controllare con il loro input sia “l’inizio” del circuito dei BG che quello che
viene giustamente considerato un nucleo chiave per la sua valenza
eccitatoria: il STN.
Nambu A. Prog Brain Res. 2004; 143: 461-66
Funzioni dei nuclei della base nel controllo posturale e nella deambulazione
The Pedunculopontine Nucleus (PPN)
Is formed by an ensemble of cholinergic
(the majority cells express Ach) and
noncholinergic neurones (many cells
utilize other neurotransmitters, Glutamate,
Gaba, Dopamine)
Two parts: the pars compacta (PPNc) and
the pars dissipatus (PPNd).
Its rostral end begins just below the
red nucleus, dorsal to the SN,
continuing caudally to the level of
the locus coeruleus
Anatomy, Physiology, and Pathophysiology of the Pedunculopontine Nucleus. Jenkinson et al, Mov Disord, 2009
Funzioni dei nuclei della base nel controllo posturale e nella deambulazione
The Pedunculopontine Nucleus (PPN)
The anatomical connections and physiological properties of the PPN
suggest that the nucleus is in a position to influence the control of
movement
Anatomy, Physiology, and Pathophysiology of the Pedunculopontine Nucleus. Jenkinson et al, Mov Disord, 2009
Funzioni dei nuclei della base nel controllo posturale e nella deambulazione
The Pedunculopontine Nucleus (PPN)
Connections
Nuclei of the thalamus: a role in
producing the fast cortical oscillatory
activity associated with arousal and REM
sleep.
Direct cortical afferents, with fibers
arising in the M1, SMA, pre-SMA, PMC,
frontal eye fields.
A much smaller unilateral projection
from the ipsilateral PPN to the
Physiology,
and Pathophysiology
of the Pedunculopontine Nucleus. Jenkinson et al, Mov Disord, 2009
same areas Anatomy,
of cortex
originating
from
Funzioni dei nuclei della base nel controllo posturale e nella deambulazione
The major efferent and afferent pathways of the PPN to the basal ganglia and other motor
structures
Pivotal role in the
control of arousal
and the sleep-wake
Thalamuscycle
or
t
Mo rtex
Co
St
ria
tu
m
ST
N
GP
i
Thus the PPNs major
targets in the basal
ganglia are the SN
and STN, with a
relatively smaller
projection to the
pallidum
Cerebell
um
PPN
SNc
SN
r
PP
N
Red
Nucleus
Brainstem
Spinal
Cord
Funzioni dei nuclei della base nel controllo posturale e nella deambulazione
Basal Ganglia and Locomotion
The basal ganglia are involved in the visuomotor coordination of cognitive
processes and the emotional expression of locomotor behaviors
Takakusaki et al, 2008
Funzioni dei nuclei della base nel controllo posturale e nella deambulazione
Framework of the neuronal mechanisms of locomotor behaviors
Locomotor behaviors require the activation of the following three
processes:
i)
Locomotion initiation processes
ii)
Locomotion regulation processes
iii)
Basic locomotion execution process
Takakusaki et al, 2008
Funzioni dei nuclei della base nel controllo posturale e nella deambulazione
Locomotor rhythm generating system
i)
Midbrain locomotor
region
ii)
Muscle tone inhibitory
region
Takakusaki et al, 2008
Funzioni dei nuclei della base nel controllo posturale e nella deambulazione
Takakusaki et al, 2008
Funzioni dei nuclei della base nel controllo posturale e nella deambulazione
Initiation of locomotion
Lim bic -hypot ha la m ic syst e m s for evok ing e m ot iona l
loc om ot or be haviors
The MLR has been established as a functional region
involved
in the initiation of locomotion on the basis of its
connections with limbic structures and the basal ganglia
Cont ribut ion of t he c e rebra l c or t ex t o volit iona l
a nd c ognit ive be haviors
Takakusaki et al, 2008
Funzioni dei nuclei della base nel controllo posturale e nella deambulazione
Regulation of locomotion
The current understanding is that the basal ganglia and cerebellar loops
with the motor areas of the cerebral cortex are involved in the control of
voluntary movements and automatic execution of learned motor plans and
programs, while loops of the prefrontal cortex with the caudate nucleus
and the lateral zone of the cerebellar hemisphere are involved in the
regulation of complex, visually guided limb movements and the planning
and programming of those movements.
Loops of the motor cortical areas with the putamen and the intermediate
zone of the cerebellum may contribute to the regulation of voluntary,
discrete, ipsilateral limb movements.
Takakusaki et al, 2008
Funzioni dei nuclei della base nel controllo posturale e nella deambulazione
Hypothetical model for the control of movements by the
BG
Takakusaki et al, 2008
Funzioni dei nuclei della base nel controllo posturale e nella deambulazione
Have an important re gulat or y influe nc e on c or t ex , providing
information for both automatic and voluntary motor responses to the
pyramidal system
likely act as an int e r m e dia r y be t w e e n t he c e rebra l c or t ex a nd
bra inst e m for automating the selection and execution of a context
specific postural response
is responsible for pre -se le c t ing a nd opt im izing post ura l
re sponse s based on current context
Play a role in pre dic t ing fut ure eve nt s, reinforcing wanted
behaviour and suppressing unwanted behaviour
Are involved in shifting attentional sets and in both high orde r
al, Functional
anatomy
of thalamus
andia
basal
ganglia,
proc e sse s of m ove m Herrero
e nt etinit
iat ion
a nd
spat
lw
orkChild’s
ingNerv Syst
2002