Motoriek: van regelsystemen en anatomie tot behandelprincipes Prof dr Gerard M Ribbers R o t t e r d a m N e u r o r e h a b i l i t a t i o n R e s e a r c h RoNeRes
A computational model: reaching Intention Desired displacement Corrective signal Motor outflow Sensory inflow Error signal Hand location Target Location Final state estimate end point location Initial conditions
A computational model: reaching Planning Intention Desired displacement Inverse model Motor plan Corrective signal Motor outflow Sensory inflow Error signal Hand location Target Location Final state estimate end point location Initial conditions
A computational model: reaching Planning Intention Desired displacement Inverse model Motor plan Motor command Corrective signal Motor outflow Sensory inflow Error signal Hand location Target Location Initial conditions
A computational model: reaching Continuous control Desired displacement Inverse model Motor plan Motor command Corrective signal Motor outflow Sensory inflow Error signal Forward model Hand location Target Location Final state estimate end point location Initial conditions Feedback module
A computational model: reaching Continuous control Desired displacement Inverse model Motor plan Motor command Corrective signal Motor outflow Sensory inflow Error signal Forward model Hand location Target Location Execution Final state estimate end point location Initial conditions Feedback module
Motorische aansturing: fasen van computatie Motivatie, intentie, doelgerichtheid Dorst, drinken, kopje (amotivationele syndromen) Planning Positie arm tov romp, hand tov en kopje, parameters van richting, afstand en snelheid, gegeven de (bio-) mechanische eigenschappen en redundantie van het systeem (apraxieen) Executie Motorische actie via RM naar extremiteit gegeven geleidingstijden en ruis (centrale parese)
Executie: feedback. en het probleem met tempo
Executie: feedback en het probleem van tempo Oscillaties door correctiepogingen, traag
Executie: feedforward.. en het probleem met precisie
Executie: feedforward Snel maar alleen precies als: Ervaring (leren) Statische omgeving Afwezigheid van ruis
Executie: feedforward Interne modellen: Snel maar alleen precies als: Ervaring (leren) Statische omgeving Afwezigheid van ruis Forward model: voorspelt sensorische consequenties van de gegeven motorische opdracht (tillen gewicht; stappen - hoogte of lengte) Invers model: uitgaand van de verwachte sensorische consequentie wordt de motorische opdracht gevormd (reiken met paretische arm)
Interne modellen Moeten aangepast worden aan: ontwikkeling, groei, veroudering, schade (spasme, contracturen, kracht etc) Repetition Intensity Matters Time Matters Salience Matters Specificity Age Matters Use It and Improve It Transference Use It or Lose It Principles of rehabilitation Inter-ference
Signaal-ruis verhouding
Signaal-ruis verhouding
Ruis interfereert met feedforward Variaties in neurale activiteit die niet gerelateerd zijn aan de taakuitvoering Ruis is afhankelijk van de sterkte van het signaal gecorrigeerd door visuele en proprioceptieve feedback precisie verlies bij snelle feedforward bewegingen
A computational model: reaching Continuous control Desired displacement Inverse model Motor plan Motor command Corrective signal Motor outflow Sensory inflow Error signal Forward model Hand location Target Location Final state estimate end point location Initial conditions Feedback module
Functionele neuroanatomie 1. Anatomische gradienten 2. Overlappende synergieen in PMC 3. Cerebellum als voorspeller 4. Basale ganglia; bewegingsselectie en beloning 5. Parallelle routes van cortex naar RM 6. RM is meer dan relay station
Anatomische gradienten
nurture Cognitie NEO Complexe vaardigheden sociale interactie Emotie PALEO automatismen survival Arousal ARCHI tonus vitale functies nature
Intrahemisferische organisatie: I
Intrahemisferische organisatie: II primaire schorsvelden
Intrahemisferische organisatie: II somatotopie primaire schorsvelden
Intrahemisferische organisatie: II somatotopie primaire schorsvelden
Intrahemisferische organisatie: heteromodale associatievelden
Intrahemisferische organisatie en informatieverwerking: 1 handelen 2 voelen horen 1 2 3 2 1 2 1 zien
Intra- en interhemisferische associatiebanen connectomen
Connectomen en intramodale interhemisfersiche competitie Nowak et al. NNR 2009
Nowak et al. NNR 2009 Connectomen en neuromodulatie
Intrahemisferische organisatie: Anatomische gradienten (motoriek) I I Anteroposterieur van globaal naar specifiek II II Parallel superior parietofrontaal extern gemedieerd (ideomotore apraxie) III III Premotoor mediolateraal intern gemedieerd (ideationele apraxie)
Anteroposterieure gradient I Van doel naar actie en van abstract naar specifiek Niet sequentieel..
Anteroposterieure gradient I Van doel naar actie en van abstract naar specifiek Niet sequentieel... maar parallel
Parallele parietofrontale circuits B A IIa Dorsale route visuele en proprioceptieve feedback gebruikt voor doelgerichte handelingen (optische ataxie) IIb Ventrale route 1 voeding en objectvermijding 2 visual to motor transformation bv preciesiegrip 3 (observeren van) motorisch gedrag (Broca en spiegelneuronen)
Functionele neuroanatomie 1. Anatomische gradienten in parietale en premotore cortex 2. Overlappende synergieen in PMC 3. Cerebellum als voorspeller 4. Basale ganglia; bewegingsselectie en beloning 5. Parallelle routes van cortex naar RM 6. RM is meer dan relay station
Overlappende synergieen in PMC Somatotopie in primaire en in premotore cortex is relatief (mozaïek) minder dan in primaire somatosensore cortex grofmotorische functionele synergieen / patroonactivatie Sterke relatie PMC en spinale motoneuronen voor de hand musculatuur
Functionele neuroanatomie 1. Anatomische gradienten in parietale en premotore cortex 2. Overlappende synergieen in PMC 3. Cerebellum als voorspeller 4. Basale ganglia; bewegingsselectie en beloning 5. Paralelle routes van cortex naar RM 6. RM is meer dan relay station
Cerebellum: functionele anatomie Vestibulocerebellum vestibulaire kernen: balans Spinocerebellum motore en premotore cortex: houding, gangbeeld en proximale extremiteiten Neocerebellum fijne coordinatie hand en cognitieve specialisatie (re: woordselectie en werkgeheugen; li: visueel geheugen niet-verbale redeneertaken.
Cerebellum en interne modellen Cerebellum is niet zozeer betrokken in feedback processen maar in het vergaren / aanpassen van interne modellen (feedforward) Door cerebellaire leasies kunnen de interne modellen niet aangepast worden. Er vindt geen correctie plaats op het verschil in geplande en gerealiseerde bewegingen. Nieuwe bewegingen aanleren is bijna onmogelijk.
Functionele neuroanatomie 1. Anatomische gradienten in parietale en premotore cortex 2. Overlappende synergieen in PMC 3. Cerebellum als voorspeller 4. Basale ganglia; bewegingsselectie en beloning 5. Paralelle routes van cortex naar RM 6. RM is meer dan relay station
Basale ganglia: bewegingsselectie + Gescheiden BG-corticale circuits (motorisch, oculomotorisch, executief en motivationeel) : geen taak in associatie van informatie maar in moduleren activiteit van specifieke corticale gebieden fine tuning van kracht, amplitude en versnelling, motivational drive, alertheid, - BG leasies kunnen daarom corticale symptomen veroorzaken zoals afasie, neglect en akinetisch mutisme Hypokinetische beelden door te hoge BG output -> door inhibitie thalamus te lage corticale recrutering (hyperkinetische beelden door te lage BG output)
Basale ganglia: beloning Hoogste dichtheid van dopaminerge neuronen Ontladen bij anticipatie op een beloning: reward circuits Reward circuits betrokken bij verslaving, motorisch leren en remmen / initieren van overleerd gedrag (autorijden)
Functionele neuroanatomie 1. Anatomische gradienten in parietale en premotore cortex 2. Overlappende synergieen in PMC 3. Cerebellum als voorspeller 4. Basale ganglia; bewegingsselectie en beloning 5. Parallelle routes van cortex naar RM 6. RM is meer dan relay station
Parallelle routes van cortex naar RM: rechtstreeks Tractus corticospinalis: primaire motorische cortex (handen) superieure parietale cortex en premotore gebieden (romp, houding en grove motoriek) 10% kruist niet en er is een grote interhemisferische interactie met name in de superieure parietale en premotore gebieden (contralesionale beinvloeding van motoriek)
Parallelle routes van cortex naar RM: via de hersenstam Projectie van cortex naar hersenstam en van hersenstam naar RM (interneuronen & monosynaptisch op motorneuronen), ipsi- en bilateraal: Tractus reticulospinalis (nauw verweven met gehele cortex van beide hemisferen, tr. corticospinalis, ncl fastigeus van cerebellum) -> alternatieve toegang tot motorisch systeem via interneuronen maar ook monosynaptisch op motorneuronen ipsi- en bilateraal -> vermoedelijke betrokken bij alle (grof-) motorische activiteiten
Parallelle routes Na een hemisferisch letsel gaat er input naar de spinale motorneuronen via de niet-kruisende corticospinale banen van de contralesionale hemisfeer en via de tractus reticulospinalis. De input op de tractus reticulospinalis komt van grotere corticale gebieden dan de oorsprong van de tr. corticospinalis. De ipsilesionale hemisfeer kan output naar de spinale neuronen genereren zelfs als de totale tr. corticopsinalis is uitgeschakeld.
Functionele neuroanatomie 1. Anatomische gradienten in parietale en premotore cortex 2. Overlappende synergieen in PMC 3. Cerebellum als voorspeller 4. Basale ganglia; bewegingsselectie en beloning 5. Parallelle routes van cortex naar RM 6. RM is meer dan relay station
RM is meer dan relay station De grote meerderheid van de tr. corticospinalis en reticulospinalis projecteert op interneuronen in de zona intermedia alwaar ze interacteren met reflexroutes. Spinale reflexen dragen tot 40% bij aan de kracht bij willekeurige bewegingen.
Fysiologie Parese Apraxie Ataxie
Parese Verminderd vermogen om bewust de spinale motoneuronen te activeren Krachtsverlies, spasticiteit, verlies van geïsoleerde motoriek, motorische planningsproblematiek, geassocieerde bewegingen
Behandelen van een parese Priming Verhogen prikkelbaarheid en stimuleren plasticiteit voor therapie Augmenting Stimuleren willekeurige spieraanspanning tijdens therapie Taakspecifiek oefenen
Behandelen van een parese: voorbeelden van priming Mental practice Activeren motorische programma s Tactiele stimulatie en passief bewegen Richten van aandacht Spiegeltherapie / action observation Spiegelneuronen Hersenstimulatie (rtms of tdcs) Exciteerbaarheid van corticale neuronen Medicatie stimulantia
Behandelen van een parese: voorbeelden van augmenting CIMT Herstellen balans corticale activiteit (massed practice) Robot-assisted Opgelegde sensorische en visuele feedback Kosteneffectief? EMG biofeedback Visuele of auditieve feedback FES en TENS Spieractivatie en sensorische input (niet-specifiek) Bilateraal trainen Interhemisferische interactie
Behandelen van een parese: het belang van taakspecifiek oefenen Creëren van nieuwe motorische programma s met nieuwe interne modellen (forward en inverse) -> aanleren nieuwe vaardigheid
Apraxie Iha begeleidend bij parese (ipsi- of contraleraal aan lesie!) Ideationeel of conceptioneel (intern gemedieerd) Onvermogen om in een temporele sequentie de juiste motorische programma s te kiezen (ADL taken, koken) Ideomotorisch (extern gemedieerd) Onvermogen om complexe motorische handelingen te verrichten zowel bij object hantering als bij symbolische acties (salueren, blazen)
Behandelen van een apraxie Strategietraining Intern (verbaliseren) of extern (bv. met pictogrammen) Foutloos leren Fouten verhogen ruis (backward chaining) Van observatie naar actie Imiteren, afmaken, zelf doen
Ataxie schade aan cerebellum, cerebellaire input of output baansystemen, spinocerebellaire tracti falend feedforward systeem en daardoor afhankelijk van trage feedback
Behandeling ataxie Kan nieuw feedforward systeem aangeleerd worden? inertie vh systeem vergroten (gewichten)
Dat was het