Premovement neuronal aktivitet

Premovement neuronal aktivitet i neurofysiologisk litteratur hänvisar till neuronala moduleringar som ändrar hastigheten med vilken neuroner avfyras innan en patient producerar rörelse. Genom experiment med flera djur, främst apor, har det visat sig att flera regioner i hjärnan är särskilt aktiva och involverade i initiering och förberedelse av rörelse. Två specifika membranpotentialer, bereitschaftspotential , eller BP, och kontingent negativ variation , eller CNV, spelar en avgörande roll i premovement neuronal aktivitet. Båda har visat sig vara direkt involverade i att planera och initiera rörelse. Flera faktorer är inblandade i förflyttning av neuronal aktivitet inklusive motorisk förberedelse, hämning av motorisk respons, programmering av rörelsemålet, slutna och öppna slinga uppgifter, instruerade fördröjningsperioder, kort- och långavledningsförändringar och spegelmotorneuroner .

Två typer av rörelse

Forskning av neuronaktivitet före rörelse involverar i allmänhet att studera två olika typer av rörelser, rörelse i naturliga miljöer kontra rörelse utlöst av en sensorisk stimulans. Dessa två typer av rörelser hänvisas till med olika nomenklatur genom olika studier och litteratur om ämnet premovement neuronal aktivitet. Frivilliga rörelser är också kända som självtimmade, självinitierade, självgående och icke-utlösta rörelser. Denna typ av rörelse är vad som vanligtvis sker i naturliga miljöer, utförs oberoende av en sensorisk signal eller extern signal som skulle trigga eller orsaka att rörelsen utförs. Däremot kallas rörelser som utförs som ett resultat av en sensorisk signal eller stimulans, eller reflexreaktioner på yttre förhållanden eller förändringar, reaktiva rörelser, men även kända som cued-rörelser, stimulerade rörelser och externt utlösta rörelser beroende på valet. av en viss studie. I en sådan studie av Lee och Assad (2003), tränades rhesusapor att utföra armrörelser som svar på en visuell signal jämfört med samma armrörelse som utfördes utan någon korrelation med denna externa (visuella) signal. Detta är ett exempel på reaktiva rörelser i motsats till självinitierade rörelser. Efterföljande studier av hastigheter av neuronavfyrning i respektive typer av rörelser registreras i olika delar av hjärnan för att utveckla en mer grundlig förståelse av premovement neuronal aktivitet.

Regioner i hjärnan som är involverade i pre-rörelse

Pre-frontalt område

Funktioner i:

• Beslutsfattande
• Svarsval med flytt
• Tidpunkt för rörelse
• Initiering/undertryckande av handling

Pre-supplementary motor area (Pre-SMA) och lateral pre-motor cortex

Funktioner i:

• Förberedande processer

Kompletterande motorområde (SMA) egentligt och den primära motoriska cortexen (M1)

Funktioner i:

• Initiering av rörelse
• Utförande av rörelse

Bereitschaftspotential

1964 upptäcktes två rörelserelaterade kortikala potentialer av Kornhuber och Deecke. Med hjälp av både elektroencefalografi ( EEG ) och elektromyogram ( EMG ) inspelningar kunde Kornhuber och Deecke identifiera två komponenter innan rörelsestarten. Dessa komponenter är Bereitschaftspotential (förkortat BP, och även känd som beredskapspotential, förkortat RP) och Contingent Negative Variation (CNV). Skillnaden mellan dessa två potentialer är att BP är inblandad i självgående, eller frivilliga rörelser, medan CNV är involverad i signalerade rörelser, rörelser som utförs som reaktioner på en miljösignal.

Bereitschaftspotential är en rörelserelaterad potential. Initieringen av BP sker cirka 2 sekunder innan rörelsestart. BP är ett index för motorisk förberedelse och kallas därför också för "beredskapspotentialen", eftersom det är potentialen för rörelse. Det inledande skedet av BP, eller beredskapspotential, är en omedveten avsikt och förberedelse för rörelse. Efter detta inledande skede blir förberedelsen av rörelse en medveten tanke.

BP, mer specifikt, är sammansatt av rörelserelaterade kortikala potentialer (MRCP) där toppen är MP eller motorisk potential. MRCP tenderar att likna en "uppsättning planer" som används av cortex för generering och kontroll av rörelse. BP aktiveras av frivilliga rörelser som involverar SMA och den somatosensoriska cortex i rörelseförberedelser och initiering. Till en början ansågs endast det sena blodtrycket vara specifikt för rörelsestället och det tidiga blodtrycket ansågs kännetecknas av en mer allmän förberedelse för kommande rörelser. Men under de senaste decennierna anses det tidiga BP kanske också vara platsspecifikt inom det kompletterande motoriska området (SMA) och den laterala premotoriska cortexen. Med hjälp av huvudkomponentanalys och funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI) fastställdes den huvudsakliga källan till tidig BP vara Area 6 av den precentrala gyrusen bilateralt, och huvudkällorna till sen BP fastställdes vara Area 4 (även känd som Primärmotorn) Cortex) och Area 6. Den nuvarande konsensus är att den tidiga BP börjar först i SMA, inklusive pre-SMA och SMA egentlig, och sedan ungefär 400 ms senare i de laterala premotoriska cortexerna bilateralt innan rörelsestarten, och den sena BP börjar i M1 och premotorisk cortex kontralateralt.

De två faktorer som störst påverkar BP är effekten av diskrethet och komplexitet i rörelsen. En studie genomförd 1993 jämförde isolerade förlängningar av långfingret med samtidiga förlängningar av långfingret och pekfingret. Resultaten visade att långfingrets isolerade rörelse gav en större amplitud i det sena BP, men inte det tidiga BP. Amplitudskillnaden i det sena BP sågs över den centrala regionen kontralateralt till rörelsen, vilket tyder på en viktig roll för M1. Komplexa rörelser orsakar större amplituder av BP, vilket återspeglar det faktum att det finns större aktivering av SMA. Ytterligare experiment tyder också på att de bilaterala sensorimotoriska cortexerna spelar en roll vid beredningen av komplexa rörelser, tillsammans med SMA.

Organisation av primär motorisk cortex

Några av de första relevanta experimenten och efterföljande fynd om organisationen av den primära motoriska cortexen observerades av Wilder Penfield . Penfield, en neurokirurg i Montreal, började sina experiment på 1950-talet för att bättre betjäna sina epileptiska patienter. Penfield förstod att hans epileptiska patienter upplever ett varningstecken innan anfallen inträffar. Denna kunskap startade början på hans stimuleringsexperiment. Här försökte Penfield framkalla detta varningstecken i ett försök att specifikt peka ut källan till epilepsi . Penfield bekräftade närvaron av en rumslig karta över den kontralaterala hjärnkroppen. Han noterade platsen för muskelsammandragningar med platsen för elektrostimulering på ytan av den motoriska cortexen och kartlade därefter den motoriska representationen av den pre-centrala gyrusen. Detta följer samma trender och disproportioner i de somatiska sensoriska kartorna i den post centrala gyrusen.

Experimentering via intrakortikal mikrostimulering gav en mer detaljerad förståelse av motoriska kartor. Genom att injicera ström via en vässad spets på en mikroelektrod i cortex kan de övre motorneuronerna i lager 5, som skjuter ut mot lägre motorneuroner, stimuleras. Dessa neuroner är associerade med neuronerna i ryggmärgen och stimulerar därmed specifika rörelser som sker i specificerade muskelområden snarare än att stimulera specifika muskler som producerar dessa rörelser. Neuronkopplingar i motorkartan är länkade i syfte att generera specifika rörelser. Dessa kopplingar är inte kopplade i syfte att generera specifika muskelrörelser eller sammandragningar.

Spike-utlöst medelvärdesberäkning är ett sätt att mäta aktiviteten hos en kortikal motorneuron, på en grupp lägre motorneuroner i ryggmärgen. Experiment bekräftade att enstaka övre motorneuroner är anslutna till flera nedre motorneuroner. Detta stöder den allmänna slutsatsen att rörelser och inte individuella muskler styrs av aktiviteten hos övre motorneuroner.

Hastigheten för avfyrning av övre neuroner ändras före rörelse

Individuella motorneuroner registrerades med hjälp av implanterade mikroelektroder för att registrera deras aktivitet i vakna och beter sig apor. Detta experiment gav ett sätt att ta reda på sambandet mellan neuronal aktivitet och frivillig rörelse. Det visade sig att kraften som genererades av sammandragande muskler förändrades som en funktion av avfyrningshastigheten hos övre motorneuroner. Avfyrningshastigheterna för de aktiva neuronerna ändras ofta före rörelser som involverar mycket små krafter. Detta tyder på att den primära motoriska cortexen bidrar till den inledande fasen av rekryteringen av lägre motorneuroner, involverade i genereringen av fint kontrollerade rörelser.

"Closed-loop" motoruppgifter kontra "open-loop" motoruppgifter

Ungefär 65% av neuronerna i den premotoriska cortexen är ansvariga för villkorade "closed-loop" motoriska uppgifter. I experiment med apor, när de tränades att nå i olika riktningar, beroende på den specificerade visuella signalen, började de ungefär koordinerade laterala pre-motoriska neuronerna skjuta vid uppkomsten av den specificerade signalen, men innan den faktiska signalen att utföra rörelsen . När inlärning äger rum, för att associera en ny visuell signal med en viss rörelse, ökar de ungefär koordinerade neuronerna sin eldhastighet under tiden mellan den initiala specificerade signalen och den faktiska signalen för initieringen av rörelsen. Det verkar nu som om dessa specifika neuroner inte befaller initieringen av rörelserna utan avsikten att utföra rörelserna. Således är dessa premotoriska neuroner särskilt involverade i valet av rörelser baserat på yttre händelser.

Fler bevis för att det laterala premotoriska området är involverat i rörelseval kommer från observationer av effekterna av kortikal skada på motoriskt beteende. Lesioner i detta område försämrar allvarligt förmågan hos apor att utföra visuellt indikerade villkorade uppgifter. Det betyder att på kommando blir det extremt svårt för apan att utföra den tränade rörelsen. Men när den placeras i en annan miljö är apan perfekt kapabel att utföra den rörelsen på ett spontant, självinitierat sätt, som ett svar på samma visuella stimulans.

Den mediala premotoriska cortexen verkar vara specialiserad för att initiera rörelser specificerade av interna snarare än externa signaler. Dessa rörelser baserade på interna händelser kallas "open-loop"-förhållanden. I motsats till lesioner i det laterala premotoriska området, minskar borttagning av detta mediala premotoriska område antalet självinitierade eller spontana rörelser som djuret gör. Omvänt är förmågan att röra sig som svar på en extern signal i stort sett intakt.

Parietalområde 5

Parietal cortex spelar en roll i det interna kommandot över handlingar. Mer specifikt är parietalområde 5 ansvarigt för de handlingar som föregår rörelse. Område 5 neuroner uppvisar aktivitet före rörelse som svar på självinitierade rörelser. Neuronerna i område 5 spelar en roll i initieringen och utförandet av rörelse och reagerar med enormt snabba hastigheter. Ett EMG (elektromyogram) är ett test av elektrisk aktivitet i muskler. Neuronerna i område 5 svarar minst 100 ms snabbare än vad EMG-detekterbar aktivitet tillåter. Hjärnbarken bildar en serie slingor med basalganglierna och lillhjärnan som driver initieringen av rörelser, via dessa positiva återkopplingsslingor. Neuronerna på parietal associativ cortex är starkast involverade i programmering och utförande av frivilliga rörelser.

En inlärd handling är den rörelse som produceras när den sensoriska startsignalen startar det programmerade utförandet. Denna åtgärd kräver neuronerna i parietal associativ cortex. Det finns två faser av beredskapspotentialen, den tidiga fasen och den sena fasen. Den tidiga fasen ansvarar för "planeringen av programmerade rörelser". Den sena fasen är ansvarig för "stimuleringen av rörelsens direkta genomförande." Den tidiga fasen av beredskapspotentialen inträffar i den kompletterande motoriska regionen och är involverad i genereringen av frivillig rörelse. Den sena fasen av premovement inträffar i de kortikala regionerna och är involverad i bestämda frivilliga rörelser. De två formella stadierna av premovement är planering och initiering.

Spegelmotoriska neuroner

Spegelmotorneuroner finns i den ventrolaterala delen av den premotoriska cortexen. Dessa spegelmotorneuroner reagerar inte bara på förberedelserna för rörelseutförande, utan också på observation av samma rörelser av andra. Men dessa spegelmotorneuroner svarar inte lika bra när en handling pantomimas utan närvaro av ett motoriskt mål . Dessutom, i observationer av målorienterade rörelser, avfyras dessa neuroner även när resultatet är blockerat från synen. Spegelmotorneuronsystemet är ansvarigt för att koda avsikt och andras relevanta beteenden. Dessutom kan dessa neuroner spela en roll med frontal- och parietalloberna vid imitationsinlärning.

En studie av Daniel Glaser involverade dansare tränade i balett och de tränade i capoeira (brasiliansk kampsport). Dansarna fick se en kort video av både balett- och capoeiradanssteg. Forskningen visade att spegelmotorneuronerna visade ökad aktivitet när dansarna tittade på videon för den stil de har tränats i. Dessutom visade kontrollen, icke-dansare, betydligt mindre hjärnaktivering i spegelmotorneuronerna när de tittade på endera typen av dansa.

Denna forskning ger insikt i hur hjärnan reagerar på rörelser som du personligen har lärt dig att göra. Detta kan ge ett sätt att tillåta proffs att behålla en färdighet utan att faktiskt utföra rörelsen. Eller så kan det ge utlopp för mental rehabilitering för personer med nedsatt motorik. Enkel observation av rörelsen tillåter samma typ av hjärnstimulering som den faktiska fysiska rörelsen.

Förberedande förändringar i neuronal aktivitet

Utförande av vissa motoriska uppgifter kräver en instruerad fördröjning. Denna fördröjningsperiod inträffar mellan den instruerade signalen och den efterföljande utlösta rörelsen. Under dessa fördröjningsperioder inträffar förberedande förändringar i neuronal aktivitet. Den primära motoriska cortexen, den premotoriska cortexen, det kompletterande motoriska området, parietal cortex och basala ganglierna kan alla uppleva dessa förberedande fördröjningsperioder. Dessa aktiviteter samordnas under fördröjningsperioderna och återspeglar rörelseplanering i enlighet med instruktionssignalen och den efterföljande rörelsen men sker före muskelaktivitet. Rörelseplaneringen kan vara allt från rörelsens riktning till rörelsens omfattning.

Korta ledningsbyten kontra långa ledningsbyten

Premovement neuronal aktivitet har experimenterats i stor omfattning i tre stora motoriska fält av frontal cortex. Målet med detta experiment är att jämföra den neuronala aktiviteten som kommer från visuella signaler, kontra neuronal aktivitet som kommer från icke-utlösta eller självgående rörelser. Från denna jämförelse identifierades två förändringar, som inträffade vid olika tidsskalor i förhållande till början av rörelse. Dessa förändringar är korta led och långa leads förändringar. De korta ledningsbytena observeras cirka 480 ms före rörelsen, medan de långa ledningsbytena inträffar cirka 1–2 sekunder tidigare. De korta ledningsbytena visas i SMA (supplementary motor area) och PM (pre-motor area) under både de visuella signalförsöken och de icke-utlösta/självtemperade försöken. Den pre-centrala motoriska cortexen identifierades också i denna studie som att ha liknande neuronala aktiviteter som i PM och SMA. Experiment visade att cirka 61% av neuronerna i PM var preferentiellt relaterade till de utlösta (visuella) rörelserna. De långa ledningsneuronala förändringarna var mer frekvent aktiva under stimuli i egen takt än före de utlösta rörelserna. Dessa långa blyförändringar är särskilt rikliga bland SMA-neuronerna. Sammanfattningsvis utmanade dessa experiment idén att SMA främst deltar i rörelser i egen takt och att PM endast är involverad i visuellt utlösta rörelser. Även om PM-neuronerna visade mer preferens för de visuella triggersignalerna och SMA-neuronerna är intimt relaterade till initiering av självgående rörelser, är båda involverade i premovement för båda typerna av stimuli.

Länk mellan cortex och basala ganglier

En subkortikal loop finns i hjärnan som förbinder övre motorneuroner med ursprung i de primära motoriska och premotoriska cortexerna och hjärnstammen med basalganglierna. Dessa övre motorneuroner initierar så småningom rörelse genom att kontrollera aktiviteten hos nedre motorneuroner, belägna i hjärnstammen och ryggmärgen, och skjuter ut för att innervera musklerna i kroppen. Övre motorneuroner modulerar också aktiviteten hos lokala kretsneuroner, vars synapser är en stor input till dessa nedre motorneuroner, vilket i sin tur påverkar efterföljande rörelse. Således påverkar basalganglierna indirekt rörelse via reglering av aktiviteten hos de övre motorneuronerna, som i slutändan bestämmer aktiviteten hos de nedre motorneuronerna.

Områden med basala ganglier påverkar rörelsen

De basala ganglierna inkluderar grupper av motoriska kärnor belägna djupt inne i hjärnhalvorna, inklusive corpus striatum, som innehåller två kärnor som heter caudate och putamen, och även pallidum, som innehåller globus pallidus och substantia nigra pars reticulate. Corpus striatum är basalgangliernas huvudsakliga ingångscentrum, särskilt övre neuroner av motoriska områden i frontalloben som styr ögonrörelser länkar till neuroner i caudatum, medan övre neuroner från pre-motoriska och motoriska cortex i frontalloben ansluter till neuroner i putamen. De huvudsakliga neuronerna som finns inom dessa strukturer kallas medelstora taggiga neuroner.

Aktivering av medelstora taggiga neuroner

Aktiveringen av medelstora taggiga neuroner är i allmänhet förknippad med förekomsten av en rörelse. Extracellulär inspelning har visat att dessa specifika neuroner ökar sin urladdningshastighet innan en förestående rörelse. Sådana förutseende urladdningar verkar vara inblandade i en rörelsevalsprocess, kan föregå en rörelse med flera sekunder och variera beroende på plats i rymden för rörelsens destination.

Bearbetar rörelsesignaler av basalganglierna

Neuronerna som finns i den globala pallidus och substantia nigra är de huvudsakliga utgångsområdena för de basala ganglierna. Dessa efferenta neuroner påverkar aktiviteten hos de övre motorneuronerna. Neuroner i dessa områden är GABAergiska , och därför är basalgangliernas huvudutgång hämmande, och spontan aktivering av dessa neuroner förhindrar konsekvent oönskad rörelse. Inmatningen av medelstora taggiga neuroner till dessa utgående områden av basalganglierna är också GABAergiska och därför hämmande. Nettoeffekten av excitatoriska ingångar till basalganglierna från cortex är hämning (via de medelstora taggiga neuronerna) av de ihållande aktiva hämmande cellerna i basalgangliernas utgångscentrum. Denna dubbla hämmande effekt leder till aktivering av övre motorneuroner, vilket gör att efterföljande signalering av lokala kretsar och nedre motorneuroner initierar rörelse. Denna väg definieras som den direkta vägen genom basalganglierna. Det finns en annan indirekt väg mellan corpus striatum och en del av globus pallidus. Denna indirekta väg involverar också den subthalamuskärna (en del av thalamus), som tar emot signaler från hjärnbarken. Excitatoriska signaler från cortex kommer att aktivera subtalamiska neuroner, som också är excitatoriska. Således tjänar denna indirekta väg till att förstärka hämning av excitatoriska signaler till de GABAergiska celler som finns i globus pallidus. I själva verket reglerar denna väg den direkta vägen genom att matas tillbaka till basalgangliernas utgångscentra. Balansen mellan dessa två vägar bearbetar rörelsesignaler och påverkar initieringen av en förestående rörelse.

Rörelsestörningar och framtidsforskning

Bereitschaftspotentialen har också visat sig påverkas av rörelsestörningar som Parkinsons sjukdom (PD), cerebellära lesioner och degenerativa sjukdomar i dentata kärnan . Eftersom åtminstone en del av blodtrycket härrör från SMA, "som får den huvudsakliga dopaminerga inmatningen från de basala ganglierna via thalamus", genomför många studier av blodtrycket hos patienter med Parkinsons sjukdom (PD). Det har också visat sig att personer med cerebellära lesioner har tydliga avvikelser i sitt blodtryck. Hos patienter med degenerativa sjukdomar i dentata kärnan finns det praktiskt taget fullständig brist på blodtryck. Hos patienter med cerebellära hemisfäriska lesioner är blodtrycket mycket mindre igen eller till och med frånvarande.

Av alla studerade rörelsestörningar är Parkinsons överlägset mest undersökta. De flesta experiment har studerat effekterna av lesioner på BP hos patienter med Parkinsons sjukdom. Det observerades att amplituden av BP hos många Parkinsonspatienter var signifikant reducerad. Ett BP med en mer positiv polaritet observerades jämfört med BP hos kontrollpatienter utan sjukdomen. Annan forskning visar samma minskning av amplituden av rörelserelaterade kortikala potentialer, vilket överensstämmer med andra studier som visar en minskning av aktiveringen av SMA hos Parkinsonspatienter. En minskad förmåga att avbryta premoveringsförberedande aktivitet har observerats hos Parkinsonspatienter, vilket återspeglas av förlängd aktivitet i SMA. Denna långvariga aktivitet kan ha att göra med försämrad funktion av basalganglierna, som tros skicka en termineringssignal till SMA. Även om förändringar i den förberedande rörelseaktiviteten är närvarande hos PD-patienter, verkar processer för exekverade rörelser i hjärnan vara opåverkade, vilket tyder på att abnormitet i premovement-aktivitet kan ligga till grund för rörelsesvårigheterna som är vanliga vid Parkinsons sjukdom. Mer forskning som studerar effekterna av sjukdomen på MRCPs (som BP) och förberedande förberedande aktivitet hos PD-patienter pågår.