Functional Organization of Cerebellar Modules Controlling Forelimb Movements: Climbing and Mossy Fibre Input and Motor Output via the Red Nucleus and Motor Cortex

Abstract

A modular organization has recently been described for the cerebellar control system comprising the forelimb areas of the C1/C3/Y zones in the cerebellar cortex and nucleus interpositus anterior (NIA) of the cat. A module is a group of cells in NIA which receives homogenous climbing fibre input via Purkinje cells that belong to the same set of microzones in the C1/C3/Y zones. The organization of input and output of these modules was investigated in order to elucidate their specific roles in motor control.



Specific convergence patterns between muscle and cutaneous afferents to climbing fibres in the C3 zone were found. Thus, in the projection of the two modalities to climbing fibres, convergence was found mainly between wrist dorsiflexor muscles and cutaneous receptive fields (cut.rfs) on the dorsal and distal ulnar parts of the forelimb, between ventral flexors and ventral cut.rfs, between triceps and proximal ulnar and dorsal cut.rfs and between biceps and proximal radial cut.rfs. Convergence between muscles acting across the same joints was extensive, whereas convergence between muscles acting across different joints was less extensive.



In the C3 zone, mossy fibre units were found to terminate in cluster-like aggregates of units with mainly similar cut.rfs. Clusters were apparently larger in width than microzones and adjacent clusters overlapped considerably. Accordingly, beneath the climbing fibre microzones a heterogeneous set of mossy fibres were found but the least common denominator of their receptive fields was that they covered an area of the skin that closely corresponded to the cut.rfs of the climbing fibre microzone.



The movements evoked via the rubrospinal tract by electrical microstimulation of NIA were of a multi-joint character already at threshold stimulation. At least the movement component evoked at the joint just proximal to the proximal extent of the module’s climbing fibre receptive field showed a specific relationship with the receptive field. Such movement components consisted of wrist dorsiflexion for modules with ventral cut.rfs on the paw, wrist ventral flexion for modules with dorsal cut.rfs on the paw, elbow flexion for modules with ulnar cut.rfs on the forearm and elbow extension for modules with radial cut.rfs on the forearm.



The topographical organization and maximal amplitudes of the responses in the motor cortex evoked from NIA were specifically related to the cut.rfs of modules. Modules with distal radial and ventral cut.rfs had the largest projection amplitudes whereas other modules with distal cut.rfs had intermediate projections and modules with proximal ulnar and dorsal cut.rfs had only weak projections. Overall topographical differences were found for the cortical projections of these three types of modules and in addition, even fine grain differences in receptive fields between modules could be related to topographical differences in their cortical projections. Input to the motor cortex from the forelimb skin differed from that from cerebellar modules both in being located to a largely separate termination area and in having a complex pattern of temporal spread over the cortical surface.



The present study above all emphasizes a high degree of connectional specificity for the cerebellar modules, indicating that they may represent the ’building blocks’ of cerebellar motor control. The organizational features found also provide new restraints on the number of conceivable ways in which the cerebellar neuronal circuitry may operate.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

I hjärnan finns ett fantastiskt effektivt kontrollsystem för utförandet av olika typer av rörelser. Lillhjärnan är en viktig del av detta kontrollsystem eftersom skador på lillhjärnan kan leda till att fint styrda rörelser blir svårare eller kanske helt omöjliga att utföra. En förståelse av lillhjärnans funktion kan därför leda till en bättre generell förståelse av hur hjärnan kontrollerar rörelser vilket skulle vara användbart kliniskt men även vid konstruktion av styrsystem t.ex. för robotar.



Lillhjärnan består av ett mycket stort antal enkla nervcellskretsar som alla är varandra lika. Mycket är redan känt om hur de olika nervcellerna i dessa kretsar fungerar och hur de olika nervcellerna är kopplade till varandra inom kretsarna. Men, det är mycket litet som är känt om varifrån de olika nervcellskretsarna tar emot information och vart de sänder sin bearbetade information. Detta är avgörande faktorer för lillhjärnans funktion och arbetet i denna avhandling var inriktad på att i detalj undersöka organisationen i dessa kopplingar.



Den del av lillhjärnan som studerats i denna avhandling, C3 zonen, är ett kontrollsystem för utförandet av målinriktade rörelser med armen. Kontrollsystemets centrala enheter ligger i lillhjärnans bark och kallas för Purkinjeceller. Purkinjecellerna aktiveras från sensorer i hud och muskler. Med hjälp av denna information kontrollerar de armens rörelser via centra för målinriktade rörelser, t.ex. den motoriska hjärnbarken som är det område av storhjärnans bark som styr rörelser.



Det finns två informationskanaler till Purkinjecellerna. De två kanalerna har fått sina namn, mosstrådar respektive klättertrådar, efter utseendet på de nervändarna i lillhjärnbarken. Mosstrådar återspeglar mycket snabbt och mycket väl vad som händer ute i hud och muskler (Purkinjecellerna kan via denna kanal t.ex. aktiveras genom att ett enda hårstrå böjs av vinddrag). Klättertrådar verkar däremot bara vidareförmedla information från hud och muskler under särskilda omständigheter vilka ännu inte är helt klarlagda. Sannolikt är klättertrådarnas funktion inte att kontinuerligt informera Purkinjecellerna om den pågående rörelsen utan snarare att informera dem när någonting i den kontrollerade rörelsen har gått snett. Purkinjecellen skulle på så sätt kunna lära sig att i förväg känna igen när motsvarande situation i den kontrollerade rörelsen uppstår nästa gång (m.h.a. informationen från mosstrådarna) och då styra rörelsen i en annan riktning än tidigare.



Kontrollen av den flerledade armen med flera möjliga rörelseriktningar i varje led är en svår uppgift. Naturen har löst detta genom att bygga upp ett kontrollsystem bestående av miljontals Purkinjeceller som var och en kontrollerar särskilda komponenter av armens rörelser. Eftersom varje Purkinjecell nås av endast en klättertråd kan man i C3 zonen identifiera varje Purkinjecell med det hudområde varifrån den aktiveras via sin klättertråd. Det centrala i detta avhandlingsarbete var att visa att det hudområde från vilket Purkinjecellens klättertråd aktiveras avspeglar Purkinjecellens specifika roll i kontrollen av rörelser. Arbetena utfördes m.h.a. elektrisk stimulering av hud, perifera nerver eller nervvävnad i centrala nervsystemet (CNS) och registrering av utlöst elektrisk aktivitet i enstaka nervceller eller grupper av nervceller i CNS.



Vi fann en specifik relation mellan det hudområde och de muskler som individuella Purkinjeceller via sina klättertrådar aktiverades från. Via ett centrum för målinriktade rörelser beläget i hjärnstammen (röda kärnan) fann vi en specifik relation mellan de rörelser Purkinjecellerna kontrollerade och det hudområde de aktiverades från via klättertrådarna. Vi fann också en mycket nära relation mellan det hudområde Purkinjecellerna aktiverades från via klättertrådarna och de områden av den motoriska hjärnbarken som Purkinjecellerna kontrollerade. Detta kan ses som en parallell till rörelsekontrollen via den röda kärnan eftersom olika områden av den motoriska hjärnbarken styr olika typer av rörelser. Vidare fann vi att en Purkinjecell via mosstrådarna mottog information från ett större hudområde än via klättertrådarna men detta hudområde överlappade det hudområde som Purkinjecellens klättertråd aktiverades från. Med andra ord, givet att en klättertråd bara aktiveras under särskilda omständigheter, som alltså hittills är okända, så verkar dessa omständigheter bara förekomma under de faser av målinriktade rörelser under vilken Purkinjecellen är som mest aktiverad via mosstrådarna.



Arbetet i denna avhandling visade att specifika delar av C3 zonen har kopplingar till specifika nervcellsgrupper i andra delar av CNS. Beskrivningen av specifika kopplingar för lillhjärnans C3 zon en av de mest detaljerade beskrivningar av kopplingsorganisation inom CNS som någonsin gjorts. En sådan kännedom är av avgörande betydelse för förståelsen av hur C3 zonens kontroll utövas eftersom nervcellers funktion i stor utsträckning bestäms av vilken information de tar emot och vart de sänder sin bearbetade information. Den detaljerade organisationen i C3 zonen kunde dessutom användas som en referensram för att med en högre detaljnivå än vad som tidigare uppnåtts demonstrera en organisation i den motoriska hjärnbarken. Detta visar att detaljkunskap om organisationen i en struktur kan vara mycket användbart också för att reda ut organisationen i nära kopplade strukturer.



Det är först när man i detalj känner till ett delsystem i CNS som man vid sjukdomar eller skador i delsystemet har möjlighet att med precision, säkerhet och effektivitet behandla. Om man känner till det normala informationsflödet i ett delsystem skulle man när skada uppstår med hjälp av nervcellernas eget kommunikationsspråk, snabba elektriska signaler med specifika tidsintervall, kunna kompensera för felaktigheter i informationsflödet oavsett vilken typ av sjukdom eller trauma som orsakat skadan. Kritiska faktorer för en sådan typ av behandling är att man känner till var man ska placera stimulerande mikroelektroder och hur de ska vara konstruerade för att aktivera adekvata delar av nervcellerna. För kunna svara på sådana frågor krävs det att man har en detaljerad beskrivning av nervcellskopplingarna inom delsystemet att utgå från. En behandlingsform av ovan beskriven typ kräver dock ytterligare studier av olika slag och kan därför inte bli en realitet förrän långt in i framtiden.



Däremot har man lyckats konstruera fungerande styrsystem för robotar enbart med kännedomen om hur lillhjärnans enkla nervcellskretsar är uppbygda och det pågår ett intensivt forskningsarbete med att försöka utveckla nya och bättre ‘lillhjärnsbaserade’ styrsystem på olika håll i världen. Lillhjärnans funktion är emellertid helt avhängig vilka kopplingar de olika nervcellskretsarna har med andra områden av CNS och med kroppens muskler. Resultaten från detta avhandlingsarbete ger de principiella huvuddragen för den funktionella organisationen i dessa kopplingar vilket i sig skulle kunna vara ett tillräckligt underlag för att skapa ett nytt styrsystem. Men för att kunna konstruera ett styrsystem som kommer i närheten av den enorma precision och effektivitet som hjärnans krävs ännu mer detaljkunskap om lillhjärnans kopplingar med andra strukturer.

• author: Jörntell, Henrik
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: prof. Hultborn, Hans, Panuminstitutet, Copenhagen
• organization: Neurophysiology (research group)
• publishing date: 1997
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Neurosciences
• keywords: neuropsykologi, Neurologi, neurofysiologi, Neurology, neuropsychology, neurophysiology
• pages: 96 pages
• defense location: Segerfalkssalen, Wallenberg Neurocentrum
• defense date: 1997-10-18 10:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUMEDW/MEFF--1014--SE
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 3a7dbc5d-544a-4da9-9799-1292c26e2cc2 (old id 29505)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:35:33
• date last changed: 2018-11-21 21:05:52