L'HOMUNCULUS MOTORIO - Scienze motorie

CONTROLLO VOLONTARIO
DEGLI ATTI MOTORI
Giovanni Mirabella,PhD
(giovanni.mirabella@uniroma1.it)
Dip. di Medicina
Sperimentale
Dip. di Fisiologia e
Farmacologia “V. Espamer”

SCHEMA DELLA LEZIONE
1) Introduzione concettuale al
sistema motorio
2) Organizzazione gerarchica e
fisiologia delle aree motorie
3) Meccanismi nervosi del controllo
volontario delle azioni
4) Ruolo delle aree prefrontali

I TRE TIPI DI MOVIMENTI GENERATI DAL
SISTEMA MOTORIO
1. Movimento Riflesso: non è intenzionale, l’attività
motoria è stereotipata e la risposta dipende
dall’intensità dello stimolo esterno

2. Movimento Ritmico: è intenzionale solo il suo
inizio e la sua fine, nella sua esecuzione, avviene
senza controllo cosciente
Florence Griffith Joyner
Seul 1988
Riflesso locomotorio nei neonati

3. Movimento Volontario: è sempre intenzionale, è
evocato da uno stimolo esterno o dalla volontà del
soggetto. È sempre finalizzato ad uno scopo. In
genere è appreso (può divenire automatico)
Stringere la mano…
Afferrare un oggetto….
I movimenti riflessi e ritmici possono essere evocati
anche in animali decerebrati quelli volontari no!

LA COORDINAZIONE
MOTORIA E’ UN PROCESSO
ESTREMEMENTE
COMPLESSO

…ANCHE PER SVOLGERE SEMPLICI AZIONI
NUMEROSI MUSCOLI DEVONO ESSERE
SIMULTANEAMENTE CONTRATTI O
RILASSATI

COME SI ORGANIZZA UN MOVIMENTO?
Muovendo un gruppo di muscoli come se fosse una
singola unità (sinergia muscolare)
d'Avella, A. et al. J. Neurosci. 2006;26:7791-7810

In questo modo si riducono i gradi di libertà …
7 GRADI DI LIBERTA’ 2 GRADI DI LIBERTA’

IL CONTROLLO NERVOSO DEI
MOVIMENTI DEGLI ARTI, DEL CAPO
E DEL TRONCO

LE BASI
NEL XIX SECOLO FRITSH E HITZIG
SCOPRONO CHE LA STIMOLAZIONE DI
UNA ZONA DEL CERVELLO EVOCA
MOVIMENTI DEL CAPO E DEL COLLO
MENTRE LA STIMOLAZIONE DI PORZIONI
ADIACENTI PROVOCA IL MOVIMENTI
DEGLI ARTI
EDUARD HITZIG
(1838-1907)
GUSTAV FRITSH
(1838-1907)
Stavano stimolando la
CORTECCIA MOTORIA!
Broadmann (1906)

LA CORTECCIA MOTORIA PRIMARIA
Wilder Penfield (1891 – 1976)
Registrazione/Stimolazione
con microelettrodi
Cervello di un paziente affetto
da epilessia farmaco-resistente

L’HOMUNCULUS MOTORIO (Penfield, 1950)
La rappresentazione è distorta… se
fossimo come il cervello ci
rappresenta saremmo alquanto
“bruttini”
La stimolazione sistematica della
corteccia motoria ha rivelato l’esistenza
di una mappa somatotopica del corpo.
In ciascun emisfero è rappresentata la
metà contolaterale del corpo

Sistema somatosensoriale:
L’HOMUNCULUS SENSORIALE (Penfield, 1950)
Le rappresentazioni somatotopiche di specie diverse
hanno distorsioni diverse correlate ai loro stili di vita

STRUTTURA ANATOMICA DELLA CORTECCIA
MOTORIA PRIMARIA
Maggior ingrandimento
Corteccia
Motoria primaria
Corteccia
somatosensoriale
Corteccia
Motoria primaria
Corteccia
somatosensoriale
• Il IV strato è praticamente assente;
• Nel V ci sono dei neuroni molto grandi, chiamati cellule di Betz, che almeno
in parte costituiscono il tratto piramidale.

LE VIE MOTORIE
TRATTO PIRAMIDALE
TRATTI EXTRA-PIRAMIDALI
Da un punto di vista evolutivo
sono molto antichi
Le vie che mettono capo alle
corna ventrali del midollo spinale
controllano la muscolatura
assiale e prossimale
Tratto corticospinale
ventrale
(fascio piramidale
diretto) 25%
Tratto corticospinale
laterale
(fascio piramidale
crociato) 75%
Le vie che mettono capo alle
corna laterali del midollo spinale
controllano la muscolatura distale

NON C’E’ SOLO LA CORTECCIA
MOTORIA PRIMARIA

AREE CORTICALI COINVOLTE NEL CONTROLLO DEI
MOVIMENTI DI ARTI, CAPO E TRONCO
Una nuova classificazione delle aree motorie:
visione mediale
Broadmann (1906)
visione laterale
(from Rizzolatti & Luppino 2001)

NON SOLO CORTECCIA…
NUCLEI COINVOLTI NEL CONTROLLO MOTORIO
1. Cervelletto
2. Talamo
3. Nuclei della Base
4. Nuclei del tronco encefalico

Le relazioni somatotopiche vengono
mantenute in tutte le connessioni

IMPIANTO DELLO STIMOLATORE DBS
NEL SUBTALAMO DEI PARKINSONIANI
a) Casco stereotattico
b) Trapanazione

MA COME INTERAGISCONO
TUTTE QUESTE AREE?

L’ELABORAZIONE GERARCHICA
DEI MOVIMENTI VOLONTARI
1
2
3

INDIPENDENZA DEGLI EFFETTORI
Mano destra
Polso destro
Mano sinistra
Bocca
Piede destro

L’ELABORAZIONE GERARCHICA
Nel midollo spinale vi sono circuiti neuronali che mediano i riflessi automatici.
Tali circuiti sono dei “blocchi elementari” di coordinazione che servono per
l’elaborazione dei movimenti volontari. In tal modo i livelli superiori non
devono curarsi dei dettagli del movimento

LA “VIA FINALE COMUNE”: IL MIDOLLO SPINALE
TUTTI I COMANDI MOTORI TERMINANO SUI
MOTONEURONI DEL MIDOLLO SPINALE

I RIFLESSI SPINALI

IL CENTRAL PATTERN GENERATOR

VANTAGGI DELL’ELABORAZIONE GERARCHICA
1. La produzione di una vasta gamma di
movimenti, grazie al fatto che i livelli superiori
dei sistemi motori possono operare in maniera
”astratta”
2. L’organizzazione in parallelo delle vie motorie
consente recuperi funzionali dopo traumi

IL RUOLO E LA FISIOLOGIA DELLA
CORTECCIA MOTORIA PRIMARIA

LA MISURAZIONE DELL’ATTIVITA’ ELETTRICA
DI SINGOLI NEURONI

RISPOSTA DI UN NEURONE AD UNO STIMOLO
# trials
SPIKE TRAIN:
Distribuzione degli spikes
nel tempo rispetto ad un evento
2
RASTERGRAM:
Attività trial x trial
10
6
14
120
-200 0 200 400
Time after stimulus onset (ms)
PSTH:
Attività media nei trials
Spikes∙s -1
80
40
0
-200 0 200 400
Time after stimulus onset (ms)

IL RUOLO DELLA CORTECCIA MOTORIA PRIMARIA
Viene codificata la direzione di un movimento in un “codice di popolazione”
SCARICA SINGOLA CELLULA
SCARICA POPOLAZIONE DELLE STESSE
CELLULE IN DIVERSE DIREZIONI
?
Ampio tuning per la direzione…
…ma sommando i contributi ad
ogni direzione di movimento la
direzione è specificata in maniera
molto chiara
Georgopulos et al (1982)

IL RUOLO DELLA CORTECCIA MOTORIA
PRIMARIA: L’IPOTESI DI GRAZIANO
Movimenti evocati a sinistra stimolando un sito dell’emisfero destro: F5 (a), M1 (b), F2(c
e d), F4(e),F3 (f). La stimolazione porta la mano in determinate posizioni
Graziano (2006)

LE AZIONI EVOCATE CON LA STIMOLAZIONE
COINCIDONO CON QUELLE CHE L’ANIMALE
SPONTANEAMENTE PRODUCE
Graziano (2006)

CHE RUOLO HANNO LE AREE
GERARCHICAMENTE SUPERIORI ?

SET RELATED NEURONS NELLA CORTECCIA
PREMOTORIA DORSALE
Rizzolatti and Luppino (2001) Neuron 889-901
Questi neuroni, per tutta la durata del
segnale di istruzione, scaricano / non
scaricano a seconda della direzione del
successivo movimento
Weinrich M, Wise SP (1982) J Neurosci. 9:1329-45

IL RUOLO DELLE ALTRE CORTECCIE MOTORIE
Scarica di neuroni di F1, F2-F7 (PMd), F3 (SMA)
Compito: premere tre bottoni in una sequenza 1) specificata
dall’illuminazione successiva di tre pannelli 2) precedentemente appresa
1. F1: il neurone scarica indipendentemente da come è specificata la sequenza
2. F2-F7 (PMd): la cellula scarica solo se la sequenza è indicata da un segnale
sensoriale
3. F3 (SMA) : il neurone scarica solo quando la sequenza è quella appresa

LE CORTECCIE MOTORIE MEDIALI (F3 E F6)
Queste aree scaricano quando le azioni vengno generate sulla base di una
riflessione interna del soggetto
Roland et al (1980)
1. F1 si attiva quando il soggetto esegue un semplice movimento di flessione del dito
2. F1 e F3 (SMA) e F6 (pre-SMA) si attivano se la sequenza dei movimenti è
complessa
3. Durante l’esecuzione mentale del compito si attivano SOLO F3 (SMA) e F6 (pre-
SMA)

DUE DIVERSI CIRCUITI PROVVEDONO
ALLA GENESI DI MOVIMENTI SULLA
BASE DI STIMOLI “INTERNI” ED ESTERNI
CIRCUITO BASATO SU
STIMOLI INTERNI
CIRCUITO BASATO SU
STIMOLI ESTERNI

LA DICOTOMIA NON E’ ASSOLUTA…
Un giocatore di tennis per impostare la risposta terrà sicuramente conto sia della
velocità con cui arriva la palla (parametro esterno) che della conoscenza delle abilità
dell’avversario (parametro interno).
Sulla base di entrambi gli elementi deciderà se tirare una
palla corta o lunga

E’ anche probabile che i due sistemi siano
in competizione l’uno con l’altro…

LA SINDROME DEL DOTTOR STRANAMORE
(O DELLA MANO ALIENA)
“Il dottor Stranamore”, regia di Stanley Kubrick
Le regioni cerebrali la cui lesione provoca questa sindrome
possono essere vari, ma spesso è coinvolta proprio l’area F6

GLI INCREDIBILI SINTOMI DELLA SINDROME
DEL DOTTOR STRANAMORE
Un’interpretazione di questa sindrome è che le vie premotorie a guida
esterna prendono il sopravvento per cui alla vista di un oggetto
raggiungibile si innesca un programma motorio che non può essere
contrastato efficacemente da istruzioni interne.

“UTILIZATION BEHAVIOUR”
I pazienti selezionano l’elemento più saliente nel contesto in cui si
trovano …anche se non gli interessa. Anche in questo caso la causa più
frequente è una lesione dell’area pre-SMA
Boccardi, E. et al. (2002) Cortex 38, 289–308

MA SE È L’INTENZIONE COSCIENTE
A DETERMINARE LE NOSTRE
AZIONI VOLONTARIE …CHI
GENERA L’INTENZIONE?

DECIDIAMO REALMENTE NOI
QUELLO CHE VOGLIAMO FARE?

L’INTENZIONE COSCIENTE DI MUOVERSI È
SUCCESSIVA ALL’ATTIVAZIONE DELLE
AREE MOTORIE
200 ms
L’attività del cervello
comincia ~1 s prima
della “volontà”
WILL
Libet et al (1983) Brain 106: 623-642

MA NON BASTA……L’ATTIVAZIONE PUÒ
PRECEDERE L’AZIONE DI BEN 8 SECONDI
next trial
next trial
next trial
WILL
WILL
WILL
Soon et al. (2008) Nature Neurosci. 11:543–545

L’ATTIVITÀ DI SINGOLI NEURONI PREMETTE
DI PREDIRE LA CONSAPEVOLEZZA DI
VOLERSI MUOVERE DI CIRCA 700 ms
Gli autori hanno sviluppato un modello nel quale la volontà di muoversi emerge
quando la scarica delle cellule supera una soglia
Fried et al. (2011) Neuron 69:548-562