Different Movements Are Controlled by Functional Longitudinal Zones
حرکات مختلف توسط مناطق طولی عملکردی کنترل میشوند
The cerebellum can be broadly divided into three areas that have distinctive roles in different kinds of movements: the vestibulocerebellum, spinocerebellum, and cerebrocerebellum (Figure 37-4).
مخچه را میتوان به طور کلی به سه ناحیه تقسیم کرد که نقشهای مشخصی در انواع مختلف حرکات دارند: مخچه دهلیزی (وستیبلوسربلوم)، مخچه نخاعی (اسپاینوسربلوم)، و مخچه مغزی (سربروسربلوم) (شکل ۳۷-۴).
Figure 37-4 The three functional regions of the cerebellum have different inputs and different output targets. The cerebellum is shown unfolded, and arrows indicate the inputs and outputs of the different functional areas. The body maps in the deep nuclei are based on anatomical tracing and single-cell recordings in nonhuman primates. (Abbreviations: D, dentate nucleus; F, fastigial nucleus; IP, interposed nucleus.) (Adapted, with permission, from Brooks and Thach 1981).
شکل ۴-۳۷ سه ناحیه عملکردی مخچه ورودیهای متفاوت و اهداف خروجی متفاوتی دارند. مخچه باز شده نشان داده شده و فلشها ورودی و خروجی نواحی مختلف عملکردی را نشان میدهند. نقشههای بدن در هستههای عمیق بر اساس ردیابی آناتومیک و ثبت تک سلولی در نخستیهای غیر انسانی است. (اختصارات: D, هسته دندانهدار؛ F, هسته فاستیژیال؛ IP, هسته بینابینی.) (اقتباس شده، با اجازه، از بروکس و تاچ ۱۹۸۱).
The vestibulocerebellum consists of the flocculonodular lobe and is the most primitive part of the cerebellum. It receives vestibular and visual inputs, projects to the vestibular nuclei in the brain stem, and participates in balance, other vestibular reflexes, and eye movements. It receives information from the semicircular canals and the otolith organs, which sense the head’s motion and its position relative to gravity. Most of this vestibular input arises from the vestibular nuclei in the brain stem. The vestibulocerebellum also receives visual input, from both the pretectal nuclei that lie deep in the midbrain beneath the superior colliculus and the primary and secondary visual cortex through the pontine and pretectal nuclei.
مخچه دهلیزی (وستیبلوسربلوم) از لوب فلوکولوندولار تشکیل شده و ابتداییترین قسمت مخچه است. ورودیهای دهلیزی و بینایی را دریافت میکند، به هستههای دهلیزی در ساقه مغز پروجکت میکند و در تعادل، سایر رفلکسهای دهلیزی و حرکات چشم شرکت میکند. اطلاعات را از مجاری نیم دایره ای و اندامهای اتولیتی دریافت میکند که حرکت سر و موقعیت آن را نسبت به گرانش حس میکند. بیشتر این ورودی دهلیزی از هستههای دهلیزی در ساقه مغز ناشی میشود. مخچه دهلیزی همچنین ورودی بینایی را از هستههای پرهتکتال که در اعماق مغز میانی زیر کولیکولوس فوقانی قرار دارند و قشر بینایی اولیه و ثانویه از طریق هستههای پونتین و پرهتکتال دریافت میکند.
The vestibulocerebellum is unique in that its output bypasses the deep cerebellar nuclei and proceeds directly to the vestibular nuclei in the brain stem. Purkinje cells in the midline parts of the vestibulocerebellum project to the lateral vestibular nucleus to modulate the lateral and medial vestibulospinal tracts, which predominantly control axial muscles and limb extensors to assure balance during stance and gait (Figure 37-5A). Disruption of these projections through lesions or disease impairs equilibrium.
مخچه دهلیزی از این نظر منحصر به فرد است که خروجی آن هستههای عمیق مخچه را دور میزند و مستقیماً به سمت هستههای دهلیزی در ساقه مغز میرود. سلولهای پورکنژ در قسمتهای خط میانی وستیبلوسربلوم به سمت هسته دهلیزی جانبی پروجکت میکنند تا مسیرهای وستیبلواسپاینال جانبی و میانی را تعدیل کنند، که عمدتاً عضلات محوری و اکستانسورهای دست و پا را کنترل میکنند تا تعادل را در طول ایستادن و راه رفتن تضمین کنند (شکل ۳۷-5A). اختلال در این پروجکشنها از طریق ضایعات یا بیماریها باعث اختلال در تعادل میشود.
[مترجم: از آنجا که Limb هم به معنی کل دست از مفصل متصل به شانه تا نوک انگشتان و هم به معنی کل پا از مفصل ران تا نوک انگشتان پا است لذا وقتی منظور گوینده دست است می گوید: upper limb و وقتی منظور پا است می گوید lower limb اما وقتی منظور وی دست و پا است می گوید limb. بنابراین در این چند پاراگراف limb را دست و پا ترجمه کردیم.]
Figure 37-5 Input and output pathways of the cerebellum.
شکل ۵-۳۷ مسیرهای ورودی و خروجی مخچه.
A. Nuclei in the vestibulocerebellum and the vermis control proximal muscles and limb extensors. The vestibulocerebellum (flocculonodular lobe) receives input from the vestibular labyrinth and projects directly to the vestibular nuclei. The vermis receives input from the neck and trunk, the vestibular labyrinth, and retinal and extraocular muscles. Its output is focused on the ventromedial descending systems of the brain stem, mainly the reticulospinal and vestibulospinal tracts and the corticospinal fibers acting on medial motor neurons. The oculomotor connections of the vestibular nuclei have been omitted for clarity.
A. هستهها در وستیبلوسربلوم و کرمینه، عضلات پروگزیمال و اکستانسورهای دست و پا را کنترل میکنند. وستیبلوسربلوم (لوب فلوکولونودولار) ورودی را از لابیرنت دهلیزی دریافت میکند و مستقیماً به هستههای دهلیزی پروجکت میکند. کرمینه، ورودی را از گردن و تنه، لابیرنت دهلیزی و شبکیه و عضلات برون چشمی دریافت میکند. خروجی آن بر روی سیستمهای پایینرو شکمی – میانی ساقه مغز، عمدتاً دستگاههای رتیکولواسپاینال و وستیبولواسپاینال و رشتههای عصبی کورتیکواسپاینال که بر روی نورونهای حرکتی داخلی عمل میکنند، متمرکز است. برای وضوح، اتصالات حرکتی چشم در هستههای دهلیزی حذف شده است.
B. Nuclei in the intermediate and lateral parts of the cerebellar hemispheres control limb and axial muscles. The intermediate part of each hemisphere (spinocerebellum) receives sensory information from the limbs and controls the dorsolateral descending systems (rubrospinal and corticospinal tracts) acting on the ipsilateral limbs. The lateral area of each hemisphere (cerebrocerebellum) receives cortical input via the pontine nuclei and influences the motor and premotor cortices via the ventrolateral nucleus of the thalamus, and directly influences the red nucleus.
ب- هستهها در قسمتهای میانی و جانبی نیمکرههای مخچه، عضلات دست و پا و محوری را کنترل میکنند. قسمت میانی هر نیمکره (اسپاینوسربلوم) اطلاعات حسی را از اندامها دریافت میکند و سیستمهای پایینرو پشتی-جانبی (مسیرهای روبرواسپاینال و کورتیکواسپاینال) را که روی اندامهای همان طرف عمل میکنند، کنترل میکند. ناحیه جانبی هر نیمکره (سربروسربلوم) ورودی قشر مغز را از طریق هستههای پونتین دریافت میکند و از طریق هسته شکمی – جانبی تالاموس بر قشرهای حرکتی و پیشحرکتی تأثیر میگذارد و مستقیماً بر هسته قرمز تأثیر میگذارد.
The most striking deficits following lesions of the lateral vestibulocerebellum are in smooth- pursuit eye movement toward the side of the lesion. A patient with a lesion of the left lateral vestibulocerebellum can smoothly track a target that is moving to the right, but only poorly tracks motion to the left, using saccades predominantly (Figure 37-6A). These patients can have normal vestibulo-ocular reflex responses to head rotations but cannot suppress the reflex by fixating an object that rotates with the head (Figure 37-6B). These deficits occur commonly if the lateral vestibulocerebellum is compressed by an acoustic neuroma, a benign tumor that grows on the eighth cranial nerve as it courses directly beneath the lateral vestibulocerebellum.
بارزترین نارسایی به دنبال ضایعات وستیبلوسربلوم جانبی در حرکت تعقیبی نرم چشم به سمت ضایعه است. یک بیمار با ضایعه وستیبلوسربلوم جانبی چپ میتواند هدفی را که به سمت راست حرکت میکند به آرامی ردیابی کند، اما حرکت را به سمت چپ به طور بد دنبال میکند و عمدتاً از ساکاد استفاده میکند (شکل ۳۷-6A). این بیماران میتوانند پاسخهای رفلکس دهلیزی – چشمی طبیعی به چرخش سر داشته باشند، اما نمیتوانند با تثبیت جسمی که با سر میچرخد، رفلکس را سرکوب کنند (شکل ۳۷-6B). این نارساییها معمولاً در صورتی رخ میدهند که وستیبلوسربلوم جانبی توسط یک نوروم آکوستیک (تومور بافت عصبی گوش)، یک تومور خوشخیم که روی عصب هشتم مغزی رشد میکند، تحت فشار قرار گیرد، زیرا مستقیماً در زیر وستیبلوسربلوم جانبی قرار میگیرد.
Figure 37-6 Lesions in the vestibulocerebellum have large effects on smooth-pursuit eye movements
شکل ۶-۳۷ ضایعات در وستیبلوسربلوم تأثیرات زیادی بر حرکات تعقیبی نرم چشم دارند.
A. Sinusoidal target motion is tracked with smooth-pursuit eye movements as the target moves from left (L) to right (R). With a lesion of the left vestibulocerebellum, smooth pursuit is punctuated by saccades when the target moves from right to left.
A. حرکت سینوسی هدف با حرکات تعقیبی نرم چشم ردیابی میشود، زیرا هدف از چپ (L) به راست (R) حرکت میکند. با ضایعه وستیبلوسربلوم چپ، زمانی که هدف از راست به چپ حرکت میکند، تعقیبی نرم با ساکادها گسسته میشود.
B. In the same patient, responses to vestibular stimulation are normal, whereas object fixation is disrupted during leftward rotation. The traces on the left and right show the eye movements evoked by rightward and leftward head rotation experienced in separate sessions. In each session the patient sat in a chair that rotated continuously in one direction, first in the dark then in the light while fixating on a target that moves along with him. (1) In the dark, the eyes show a normal vestibulo-ocular reflex (VOR) during rotation in both directions: The eyes move smoothly in the direction opposite to the head’s rotation, then reset with saccades in the direction of head rotation. (2) In the light, the eye position during rightward head rotation is normal: Fixation on the target is excellent and the vestibulo-ocular reflex is suppressed. During leftward head rotation, however, the subject is unable to fixate on the object and the vestibulo-ocular reflex cannot be suppressed.
B. در همان بیمار، پاسخ به تحریک دهلیزی طبیعی است، در حالی که تثبیت جسم در طول چرخش به چپ مختل میشود. طرحهای سمت چپ و راست، حرکات چشم ناشی از چرخش سر به سمت راست و چپ را نشان میدهد که در جلسات جداگانه تجربه میشود. در هر جلسه بیمار روی صندلی مینشست که به طور مداوم در یک جهت میچرخید، ابتدا در تاریکی سپس در نور در حالی که روی هدفی که همراه او حرکت میکند تثبیت میشود. (۱) در تاریکی، چشمها در حین چرخش در هر دو جهت، یک رفلکس دهلیزی – چشمی (VOR) طبیعی نشان میدهند: چشمها به آرامی در جهت مخالف چرخش سر حرکت میکنند، سپس با ساکادها در جهت چرخش سر تنظیم مجدد میشوند. (۲) در نور، وضعیت چشم در حین چرخش سر به راست طبیعی است: تثبیت روی هدف عالی است و رفلکس دهلیزی – چشمی سرکوب میشود. با این حال، در طول چرخش سر به سمت چپ، فرد قادر به تثبیت روی جسم نیست و رفلکس دهلیزی – چشمی نمیتواند سرکوب شود.
The spinocerebellum is composed of the vermis and intermediate parts of the cerebellar hemispheres (Figure 37-4). It is so named because it receives extensive input from the spinal cord via the dorsal and ventral spinocerebellar tracts. These pathways convey information about touch, pressure, and limb position as well as the spiking activity of spinal interneurons. Thus, these inputs provide the cerebellum with varied information about the changing state of the organism and its environment.
مخچه نخاعی (اسپاینوسربلوم) از ورمیس و قسمتهای میانی نیمکرههای مخچه تشکیل شده است (شکل ۳۷-۴). این نام به این دلیل است که ورودی وسیعی از نخاع از طریق مسیرهای اسپاینوسربلار پشتی و شکمی دریافت میکند. این مسیرها اطلاعاتی را در مورد لمس، فشار و موقعیت دست و پا و همچنین فعالیت اسپایکینگ نورونهای رابط نخاعی منتقل میکنند. بنابراین، این ورودیها، اطلاعات متنوعی را در مورد وضعیت در حال تغییر ارگانیسم و محیط آن به مخچه میدهد.
The vermis receives visual, auditory, and vestibular input as well as somatic sensory input from the head and proximal parts of the body. It projects by way of the fastigial nucleus to cortical and brain stem regions that give rise to the medial descending systems controlling proximal muscles of the body and limbs (Figure 37-5A). The vermis governs posture and locomotion as well as eye movements. For example, lesions of the oculomotor region of the vermis cause saccadic eye movements that overshoot their target, much as patients with cerebellar damage make arm movements that overshoot their target.
ورمیس ورودی بینایی، شنوایی و دهلیزی و همچنین ورودی حسی پیکری را از سر و قسمتهای پروگزیمال بدن دریافت میکند. از طریق هسته فاستژیال به نواحی قشری و ساقه مغز پروجکت میکند که باعث ایجاد سیستمهای پایینرو داخلی میشود که ماهیچههای پروگزیمال بدن و اندامها را کنترل میکنند (شکل ۳۷-5A). ورمیس بر وضعیت و حرکت و همچنین حرکات چشم نظارت دارد. به عنوان مثال، ضایعات ناحیه حرکتی چشم در ورمیس باعث حرکات ساکادیک چشم میشود که از هدف خود سبقت میگیرند، همانطور که بیمارانی که آسیب مخچه دارند، حرکات بازو را انجام میدهند که از هدف خود سبقت میگیرند.
The adjacent intermediate parts of the hemispheres also receive somatosensory input from the limbs. Neurons here project to the interposed nucleus, which provides inputs to lateral corticospinal and rubrospinal systems on the contralateral side of the brain and controls the more distal muscles of the limbs and digits (Figure 37-5B). Because corticospinal and rubrospinal systems cross the midline as they descend to the spinal cord, cerebellar lesions disrupt ipsilateral limb movements.
قسمتهای میانی مجاور نیمکرهها نیز ورودی حسی تنی را از اندام دریافت میکنند. نورونها در اینجا به هستهی درونپیچیده میرسند، که ورودیهای سیستمهای قشر نخاعی و روبروسنخاعی را در سمت مقابل مغز فراهم میکند و ماهیچههای دیستالتر اندامها و انگشتان را کنترل میکند (شکل ۳۷-5B). از آنجایی که سیستمهای قشر نخاعی و روبروسنخاعی هنگام پایین آمدن به سمت نخاع از خط وسط عبور میکنند، ضایعات مخچه حرکات اندامهای همان طرف را مختل میکنند.
The cerebrocerebellum comprises the lateral parts of the hemispheres (Figure 37-4). These areas are phylogenetically the most recent and are much larger relative to the rest of the cerebellum in humans and apes than in monkeys and cats. Almost all of the inputs to and outputs from this region involve connections with the cerebral cortex. The output is transmitted through the dentate nucleus, which projects via the thalamus to contralateral motor, premotor, parietal, and prefrontal cortices. The dentate nucleus also projects to the contralateral red nucleus. The lateral hemispheres have many functions but seem to participate most extensively in planning and executing movement. They also have a role in cognitive functions unconnected with motor planning, such as visuospatial and language processes. There is now some correlative evidence implicating the cerebellar hemispheres in aspects of schizophrenia (Chapter 60), dystonia (Chapter 38), and autism (Chapter 62).
مخچه از قسمتهای جانبی نیمکرهها تشکیل شده است (شکل ۳۷-۴). این نواحی از نظر فیلوژنتیکی جدیدترین هستند و نسبت به بقیه مخچه در انسان و میمونها بسیار بزرگتر از میمونها و گربهها هستند. تقریباً تمام ورودیها و خروجیهای این ناحیه شامل ارتباط با قشر مغز است. خروجی از طریق هسته دندانه دار منتقل میشود، که از طریق تالاموس به سمت قشر حرکتی مقابل، پیش حرکتی، جداری و جلوی پیشانی میرود. هسته دندانه دار نیز به سمت هسته قرمز طرف مقابل پیش میرود. نیمکرههای جانبی عملکردهای زیادی دارند اما به نظر میرسد که بیشترین مشارکت را در برنامه ریزی و اجرای حرکت دارند. آنها همچنین نقشی در عملکردهای شناختی غیر مرتبط با برنامه ریزی حرکتی، مانند فرآیندهای دیداری و فضایی و زبان دارند. اکنون برخی شواهد مرتبط وجود دارد که نیمکرههای مخچه را در جنبههای اسکیزوفرنی (فصل ۶۰)، دیستونی (فصل ۳۸) و اوتیسم (فصل ۶۲) دخیل میکند.
Two important principles of cerebellar function have emerged from recordings of the action potentials of single neurons in the cerebellar cortex and deep cerebellar nuclei during arm movements, along with controlled, temporary inactivation of specific cerebellar regions.
دو اصل مهم عملکرد مخچه از ثبت پتانسیلهای عمل تک نورونها در قشر مخچه و هستههای عمیق مخچه در طول حرکات بازو، همراه با غیرفعال سازی کنترل شده و موقت نواحی خاص مخچه پدید آمده است.
First, neurons in these areas discharge vigorously in relation to voluntary movements. Cerebellar output is related to the direction and speed of movement. The deep nuclei are organized into somatotopic maps of different limbs and joints, as in the motor cortex, although the organization of the cerebellar cortex has been characterized as “fractured somatotopy” with multiple disconnected and partial maps. Moreover, the interval between the onset of modulation of the firing of cerebellar neurons and movement is remarkably similar to that for neurons in the motor cortex. This result emphasizes the cerebellum’s participation in recurrent circuits that operate synchronously with the cerebral cortex.
اول، نورونها در این نواحی در ارتباط با حرکات ارادی به شدت تخلیه میشوند. خروجی مخچه با جهت و سرعت حرکت مرتبط است. هستههای عمیق در نقشههای سوماتوتوپیک اندامها و مفاصل مختلف، مانند قشر حرکتی، سازماندهی میشوند، اگرچه سازماندهی قشر مخچه بهعنوان «سوماتوتوپی شکسته» با چندین نقشه قطع و جزئی مشخص شده است. علاوه بر این، فاصله بین شروع مدولاسیون شلیک نورونهای مخچه و حرکت به طور قابل توجهی مشابه با نورونهای قشر حرکتی است. این نتیجه بر مشارکت مخچه در مدارهای مکرر که به طور همزمان با قشر مخ عمل میکنند، تأکید میکند.
Second, the cerebellum provides feedforward control of muscle contractions to regulate the timing of movements. Rather than awaiting sensory feedback, cerebellar output anticipates the muscular contractions that will be needed to bring a movement smoothly, accurately, and quickly to its desired endpoint. Failure of these mechanisms causes the intention tremor of cerebellar disorders. For example, a rapid single-joint movement is initiated by the contraction of an agonist muscle and terminated by an appropriately timed contraction of the antagonist. The contraction of the antagonist starts early in the movement, well before there has been time for sensory feedback to reach the brain, and therefore must be programmed as part of the movement. When the dentate and interposed nuclei are experimentally inactivated, however, contraction of the antagonist muscle is delayed until the limb has overshot its target. The programmed anticipatory contraction of the antagonist in normal movements is replaced by a correction driven by sensory feedback. This correction is itself dysmetric and results in another error, necessitating a new adjustment (Figure 37-7).
دوم، مخچه کنترل پیشخور انقباضات عضلانی را برای تنظیم زمان حرکات فراهم میکند. خروجی مخچه به جای انتظار بازخورد حسی، انقباضات عضلانی را پیشبینی میکند که برای رساندن یک حرکت روان، دقیق و سریع به نقطه پایانی مورد نظر لازم است. شکست این مکانیسمها باعث ایجاد لرزش قصد اختلالات مخچه میشود. به عنوان مثال، یک حرکت سریع تک مفصلی با انقباض عضله آگونیست آغاز میشود و با انقباض زمان مناسب آنتاگونیست خاتمه مییابد. انقباض آنتاگونیست در اوایل حرکت شروع میشود، خیلی قبل از اینکه زمانی برای بازخورد حسی به مغز برسد، و بنابراین باید به عنوان بخشی از حرکت برنامه ریزی شود. با این حال، هنگامیکه هستههای دندانه دار و درونی به طور تجربی غیرفعال میشوند، انقباض عضله آنتاگونیست تا زمانی که اندام هدف خود را بیش از حد شلیک کند به تعویق میافتد. انقباض پیش بینی شده برنامه ریزی شده آنتاگونیست در حرکات عادی با اصلاحی که توسط بازخورد حسی هدایت میشود جایگزین میشود. این اصلاح به خودی خود نامناسب است و منجر به خطای دیگری میشود که نیاز به تعدیل جدید دارد (شکل ۳۷-۷).
Figure 37-7 The interposed and dentate nuclei are involved in the precise timing of agonist and antagonist activation during rapid movements. The interposed (medial) and dentate (lateral) nuclei are highlighted in the drawing of the cerebellum. The records of limb movement show how a monkey normally makes a rapid elbow flexion limb movement and attempts to make the same movement when the interposed and dentate nuclei are inactivated by cooling. The electromyographic (EMG) traces show limb position and velocity and EMG responses of the biceps and triceps muscles. When the deep nuclei are inactivated, activation of the agonist (biceps) becomes slower and more prolonged. Activation of the antagonist (triceps), which is needed to stop the movement at the correct location, is likewise delayed and protracted so that the initial movement overshoots its appropriate extent. Delays in successive phases of the movement produce oscillations similar to the terminal tremor seen in patients with cerebellar damage.
شکل ۳۷-۷ هستههای درونی و دندانه دار در زمان بندی دقیق فعال شدن آگونیست و آنتاگونیست در طول حرکات سریع نقش دارند. هستههای درونی و دندانه دار (جانبی) در ترسیم مخچه برجسته میشوند. سوابق حرکت اندام نشان میدهد که چگونه یک میمون به طور معمول حرکت سریع اندام خم شدن آرنج را انجام میدهد و زمانی که هستههای متقابل و دندانه دار با سرد شدن غیرفعال میشوند، تلاش میکند همین حرکت را انجام دهد. ردپای الکترومیوگرافی (EMG) موقعیت و سرعت اندام و پاسخهای EMG عضلات دوسر و سه سر را نشان میدهد. هنگامیکه هستههای عمیق غیرفعال میشوند، فعال شدن آگونیست (دو سر بازو) کندتر و طولانی تر میشود. فعال شدن آنتاگونیست (سه سر)، که برای توقف حرکت در محل صحیح لازم است، به همین ترتیب به تأخیر افتاده و طولانی میشود تا حرکت اولیه از میزان مناسب خود فراتر رود. تأخیر در مراحل متوالی حرکت، نوساناتی مشابه لرزش انتهایی که در بیماران مبتلا به آسیب مخچه دیده میشود، ایجاد میکند.
The Cerebellar Cortex Comprises Repeating Functional Units Having the Same Basic Microcircuit
قشر مخچه شامل واحدهای عملکردی تکرار شونده با ریزمدار اولیه یکسان است.
The cellular organization of the microcircuit in the cerebellar cortex is striking, and one of the premises of cerebellar research has been that the details of the microcircuit are an important clue to how the cerebellum works. In this section, we describe three major features of the microcircuit.
سازماندهی سلولی ریزمدار در قشر مخچه قابل توجه است و یکی از مقدمات تحقیقات مخچه این بوده است که جزئیات ریزمدار سرنخ مهمیبرای چگونگی کارکرد مخچه است. در این بخش، سه ویژگی اصلی ریز مدار را شرح میدهیم.
The Cerebellar Cortex Is Organized Into Three Functionally Specialized Layers
قشر مخچه به سه لایه ویژه عملکردی سازماندهی شده است
The three layers of the cerebellar cortex contain distinct kinds of neurons and are functionally specialized (Figure 37-8).
سه لایه قشر مخچه حاوی انواع مشخصی از نورونها هستند و از نظر عملکردی تخصصی هستند (شکل ۳۷-۸).
Figure 37-8 The cerebellar cortex contains five main types of neurons organized into three layers. A vertical section of a single cerebellar folium illustrates the general organization of the cerebellar cortex. The detail of a cerebellar glomerulus in the granular layer is also shown. A glomerulus is the synaptic complex formed by the bulbous axon terminal of a mossy fiber and the dendrites of several Golgi and granule cells. Mitochondria are present in all of the structures in the glomerulus, consistent with their high metabolic activity.
شکل ۳۷-۸ قشر مخچه شامل پنج نوع اصلی نورون است که در سه لایه سازماندهی شده اند. یک بخش عمودی از یک برگ منفرد مخچه سازماندهی کلی قشر مخچه را نشان میدهد. جزئیات یک گلومرول مخچه در لایه دانه ای نیز نشان داده شده است. گلومرول مجموعه سیناپسی است که توسط پایانه آکسون پیازی یک فیبر خزه ای و دندریت چندین سلول گلژی و گرانول تشکیل شده است. میتوکندری در تمام ساختارهای گلومرول وجود دارد که با فعالیت متابولیکی بالای آنها سازگار است.
The deepest, or granular layer, is the input layer. It contains a vast number of granule cells, estimated at 100 billion, which appear in histological sections as small, densely packed, darkly stained nuclei. The granular layer also contains a few larger Golgi cells and, in some cerebellar regions, a smattering of other neurons such as cells of Lugaro, unipolar brush cells, and chandelier cells. The mossy fibers, one of the two principal afferent inputs to the cerebellum, terminate in this layer. The bulbous terminals of the mossy fibers excite granule cells and Golgi neurons in synaptic complexes called cerebellar glomeruli (Figure 37-8). As we will see later when discussing recurrent circuits in the cerebellum, Golgi cells inhibit granule cells.
عمیق ترین یا لایه دانه ای، لایه ورودی است. این شامل تعداد زیادی سلول گرانول است که حدود ۱۰۰ میلیارد تخمین زده میشود که در بخشهای بافت شناسی به صورت هستههای کوچک، پر از متراکم و رنگ آمیزی تیره ظاهر میشوند. لایه دانه ای همچنین حاوی چند سلول گلژی بزرگتر و در برخی از نواحی مخچه، تعداد زیادی نورون دیگر مانند سلولهای لوگارو، سلولهای براش تک قطبی و سلولهای لوستر است. الیاف خزه ای، یکی از دو ورودی اصلی آوران مخچه، به این لایه ختم میشود. پایانههای پیازی الیاف خزه ای سلولهای گرانول و نورونهای گلژی را در مجتمعهای سیناپسی به نام گلومرول مخچه تحریک میکنند (شکل ۳۷-۸). همانطور که بعداً در مورد مدارهای عود کننده در مخچه خواهیم دید، سلولهای گلژی سلولهای گرانول را مهار میکنند.
The middle or Purkinje cell layer is the output layer of the cerebellar cortex. This layer consists of a single sheet of Purkinje cell bodies, each 50 to 80 μm in diameter. The fan-like dendritic trees of Purkinje cells extend upward into the molecular layer where they receive inputs from the second major type of afferent to the cerebellum, the climbing fibers, as well as from granule cells and inhibitory interneurons. Purkinje cell axons conduct the entire output of the cerebellar cortex, projecting to the deep nuclei in the underlying white matter or to the vestibular nuclei in the brain stem, where they release the inhibitory transmitter GABA (y-aminobutyric acid).
لایه میانی یا سلول پورکنژ لایه خروجی قشر مخچه است. این لایه از یک صفحه منفرد از اجسام سلولی پورکنژ تشکیل شده است که هر کدام ۵۰ تا ۸۰ میکرومتر قطر دارند. درختان دندریتیک فن مانند سلولهای پورکنژ به سمت بالا به داخل لایه مولکولی گسترش مییابند که در آنجا ورودیها را از دومین نوع اصلی آوران به مخچه، الیاف بالارونده، و همچنین از سلولهای گرانول و نورونهای بازدارنده دریافت میکنند. آکسونهای سلول پورکنژ کل خروجی قشر مخچه را هدایت میکنند و به هستههای عمیق در ماده سفید زیرین یا به هستههای دهلیزی در ساقه مغز میرسند، جایی که فرستنده مهارکننده GABA (Y-aminobutyric acid) را آزاد میکنند.
The outermost or molecular layer contains the spatially polarized dendrites of Purkinje cells, which extend approximately 1 to 3 mm in the anterior-posterior direction but occupy only a very narrow territory in the medial-lateral direction. The molecular layer contains the cell bodies and dendrites of two types of “molecular layer interneurons,” the stellate and basket cells, both of which inhibit Purkinje cells. It also contains the axons of the granule cells, called the parallel fibers because they run parallel to the long axis of the folia (Figure 37-8). Parallel fibers run perpendicular to the dendritic trees of the Purkinje cells and thus have the potential to form a few synapses with each of a large number of Purkinje cells.
خارجی ترین لایه یا مولکولی شامل دندریتهای قطبی شده فضایی سلولهای پورکنژ است که تقریباً ۱ تا ۳ میلی متر در جهت قدامی-خلفی امتداد دارند اما فقط یک قلمرو بسیار باریک را در جهت داخلی-جانبی اشغال میکنند. لایه مولکولی شامل اجسام سلولی و دندریتهای دو نوع “بین نورونهای لایه مولکولی”، سلولهای ستاره ای و سبد است که هر دو سلولهای پورکنژ را مهار میکنند. همچنین حاوی آکسونهای سلولهای گرانول است که فیبرهای موازی نامیده میشوند زیرا به موازات محور طولانی برگها قرار دارند (شکل ۳۷-۸). الیاف موازی عمود بر درختان دندریتیک سلولهای پورکنژ قرار دارند و بنابراین پتانسیل تشکیل چند سیناپس با هر یک از تعداد زیادی سلول پورکنژ را دارند.
The Climbing-Fiber and Mossy-Fiber Afferent Systems Encode and Process Information Differently
سیستمهای آوران Climbing-Fiber و Mossy-Fiber اطلاعات را به گونه ای متفاوت رمزگذاری و پردازش میکنند
The two main types of afferent fibers in the cerebellum, the mossy fibers and climbing fibers, probably mediate different functions. Both form excitatory synapses with neurons in the deep cerebellar nuclei and in the cerebellar cortex. However, they terminate in different layers of the cerebellar cortex, affect Purkinje cells through very different patterns of synaptic convergence and divergence, and produce different electrical events in the Purkinje cells.
دو نوع اصلی فیبرهای آوران در مخچه، الیاف خزه ای و الیاف بالارونده، احتمالاً واسطه عملکردهای مختلف هستند. هر دو سیناپسهای تحریکی را با نورونها در هستههای عمیق مخچه و در قشر مخچه تشکیل میدهند. با این حال، آنها به لایههای مختلف قشر مخچه ختم میشوند، سلولهای پورکنژ را از طریق الگوهای بسیار متفاوت همگرایی و واگرایی سیناپسی تحت تأثیر قرار میدهند و رویدادهای الکتریکی متفاوتی را در سلولهای پورکنژ ایجاد میکنند.
Climbing fibers originate in the inferior olivary nucleus in the brain stem and convey sensory information to the cerebellum from both the periphery and the cerebral cortex. The climbing fiber is so named because each one wraps around the proximal dendrites of a Purkinje neuron like a vine on a tree, making numerous synaptic contacts (Figure 37-9). Each Purkinje neuron receives synaptic input from only a single climbing fiber, but each climbing fiber contacts 1 to 10 Purkinje cells that are arranged topographically along a parasagittal strip in the cerebellar cortex. Indeed, the axons from clusters of related olivary neurons terminate in thin parasagittal strips that extend across several folia, and the Purkinje cells from one strip converge on a common group of neurons in the deep nuclei.
الیاف بالارونده از هسته زیتونی تحتانی در ساقه مغز منشا میگیرند و اطلاعات حسی را هم از محیط و هم از قشر مخ به مخچه منتقل میکنند. فیبر بالارونده به این دلیل نامگذاری شده است که هر یک از آنها به دور دندریتهای پروگزیمال یک نورون پورکنژ مانند تاک روی درخت میپیچد و تماسهای سیناپسی متعددی ایجاد میکند (شکل ۳۷-۹). هر نورون پورکنژ ورودی سیناپسی را تنها از یک فیبر صعود کننده دریافت میکند، اما هر فیبر صعود کننده با ۱ تا ۱۰ سلول پورکنژ که به صورت توپوگرافیک در امتداد یک نوار پاراساژیتال در قشر مخچه قرار گرفته اند، تماس میگیرد. در واقع، آکسونهای خوشههایی از نورونهای زیتونی مرتبط به نوارهای پاراساژیتال نازکی ختم میشوند که در چندین برگ گسترش مییابند، و سلولهای پورکنژ از یک نوار روی یک گروه مشترک از نورونها در هستههای عمیق همگرا میشوند.
Figure 37-9 Simple and complex spikes recorded intracellularly from a cerebellar Purkinje cell. Simple spikes are produced by mossy-fiber input (1), whereas complex spikes are evoked by climbing-fiber synapses (2). (Reproduced, with permission, from Martinez, Crill, and Kennedy 1971.)
شکل ۳۷-۹ اسپایکهای ساده و پیچیده به صورت داخل سلولی از یک سلول پورکنژ مخچه ثبت شده است. اسپایکهای ساده با ورودی فیبر خزه ای (۱) تولید میشوند، در حالی که اسپایکهای پیچیده توسط سیناپسهای فیبر بالا برانگیخته میشوند (۲). (بازتولید شده، با اجازه، از مارتینز، کریل، و کندی ۱۹۷۱.)
Climbing fibers have an unusually powerful influence on the electrical activity of Purkinje cells. Each action potential in a climbing fiber generates a protracted, voltage-gated Ca2+ conductance in the soma and dendrites of the postsynaptic Purkinje cell. This results in prolonged depolarization that produces an electrical event called a “complex spike”: an initial large-amplitude action potential followed by a high-frequency burst of smaller-amplitude action potentials (Figure 37-9). Whether these smaller spikes are transmitted down the Purkinje cell’s axon is not clear. In awake animals, complex spikes occur spontaneously at low rates, usually around one per second. Specific sensory or motor events cause one or two complex spikes that occur at precise times in relation to those events.
الیاف کوهنوردی تأثیر غیرمعمول قدرتمندی بر فعالیت الکتریکی سلولهای پورکنژ دارند. هر پتانسیل عمل در یک فیبر بالا رونده یک رسانایی طولانی Ca2+ با ولتاژ در سوما و دندریتهای سلول پورکنژ پس سیناپسی ایجاد میکند. این منجر به دپلاریزاسیون طولانیمدت میشود که یک رویداد الکتریکی به نام «اسپایک پیچیده» ایجاد میکند: یک پتانسیل عمل اولیه با دامنه بزرگ و به دنبال آن یک انفجار با فرکانس بالا از پتانسیلهای عمل با دامنه کوچکتر (شکل ۳۷-۹). مشخص نیست که آیا این اسپایکهای کوچکتر از آکسون سلول پورکنژ منتقل میشوند یا خیر. در حیوانات بیدار، اسپایکهای پیچیده به طور خود به خود با سرعت کم، معمولاً حدود یک در ثانیه رخ میدهد. رویدادهای حسی یا حرکتی خاص باعث ایجاد یک یا دو اسپایک پیچیده میشود که در زمانهای دقیق در رابطه با آن رویدادها رخ میدهد.
Mossy fibers originate from cell bodies in the spinal cord and brain stem. They carry sensory information from the periphery as well as both sensory information and corollary discharges that report the current movement command (Chapter 30) from the cerebral cortex via the pontine nuclei. Mossy fibers affect Purkinje cells via multisynaptic pathways that have intriguing patterns of convergence and divergence. Individual mossy fibers, acting through granule cells and parallel fibers, have a tiny influence on Purkinje cell output, but collectively, the whole population of mossy fibers has massive effects on cerebellar output.
الیاف خزه ای از بدن سلولی در نخاع و ساقه مغز منشا میگیرند. آنها اطلاعات حسی را از پیرامون و همچنین اطلاعات حسی و تخلیههای نتیجه ای را حمل میکنند که فرمان حرکت فعلی (فصل ۳۰) را از قشر مخ از طریق هستههای پونتین گزارش میکنند. الیاف خزه ای از طریق مسیرهای چند سیناپسی که دارای الگوهای جذاب همگرایی و واگرایی هستند، بر سلولهای پورکنژ تأثیر میگذارند. فیبرهای خزهای منفرد، که از طریق سلولهای گرانول و الیاف موازی عمل میکنند، تأثیر بسیار کمیبر خروجی سلول پورکنژ دارند، اما در مجموع، کل جمعیت الیاف خزهای تأثیرات عظیمیبر خروجی مخچه دارند.
Mossy fibers form excitatory synapses on the dendrites of granule cells in the granular layer (Figure 37-8). Each granule cell has three to five short dendrites, and each dendrite receives contacts from a single mossy fiber. Due to this paucity of inputs, the spatial integration by a granule cell of its different mossy fiber synapses is not extensive; however, the cell can be the site of convergence of mossy fibers from multiple sensory modalities and motor corollary discharge. The next synaptic relay, between the granule cell axons and Purkinje cells, distributes information with very wide divergence and convergence. The parallel fibers allow each mossy fiber to influence a large number of Purkinje cells, and each Purkinje cell is contacted potentially by axons from somewhere between 200,000 and 1 million granule cells. Importantly, in response to changing conditions there seems to be tremendous potential for adaptation of cerebellar output at the synapses between parallel fibers and Purkinje cells. It appears that only a small fraction of these synapses are active at any given time.
الیاف خزه ای سیناپسهای تحریکی را روی دندریتهای سلولهای گرانول در لایه دانه ای تشکیل میدهند (شکل ۳۷-۸). هر سلول گرانول دارای سه تا پنج دندریت کوتاه است و هر دندریت از یک فیبر خزه ای تماس دریافت میکند. با توجه به این کمبود ورودی، ادغام فضایی توسط یک سلول گرانول سیناپسهای فیبر خزهای مختلف آن گسترده نیست. با این حال، سلول میتواند محل همگرایی الیاف خزه ای از روشهای حسی متعدد و تخلیه نتیجه حرکتی باشد. رله سیناپسی بعدی، بین آکسونهای سلول گرانول و سلولهای پورکنژ، اطلاعات را با واگرایی و همگرایی بسیار گسترده توزیع میکند. الیاف موازی به هر فیبر خزه ای اجازه میدهد تا بر تعداد زیادی از سلولهای پورکنژ تأثیر بگذارد و هر سلول پورکنژ به طور بالقوه توسط آکسونهایی از جایی بین ۲۰۰۰۰۰ تا ۱ میلیون سلول گرانول در تماس است. نکته مهم این است که در پاسخ به شرایط در حال تغییر، به نظر میرسد پتانسیل فوق العاده ای برای انطباق خروجی مخچه در سیناپسهای بین رشتههای موازی و سلولهای پورکنژ وجود دارد. به نظر میرسد که تنها بخش کوچکی از این سیناپسها در هر زمان معین فعال هستند.
Parallel fibers produce brief, small excitatory potentials in Purkinje cells (Figure 37-9). These potentials converge in the cell body and spread to the initial segment of the axon where they generate conventional action potentials called “simple spikes” that propagate down the axon. In awake animals, Purkinje cells emit a steady stream of simple spikes, with spontaneous firing rates as high as 100 per second even when an animal is sitting quietly. Purkinje cells fire at rates as high as several hundred spikes per second during active eye, arm, and face movements.
الیاف موازی پتانسیل تحریکی کوتاه و کوچکی را در سلولهای پورکنژ تولید میکنند (شکل ۳۷-۹). این پتانسیلها در بدن سلولی همگرا میشوند و به بخش اولیه آکسون گسترش مییابند، جایی که پتانسیلهای عمل معمولی به نام «خوشههای ساده» تولید میکنند که در آکسون منتشر میشوند. در حیوانات بیدار، سلولهای پورکنژ جریان ثابتی از میخهای ساده را منتشر میکنند که سرعت شلیک خود به خود به ۱۰۰ در ثانیه میرسد، حتی زمانی که حیوان آرام نشسته است. سلولهای پورکنژ با سرعت چند صد بار در ثانیه در حین حرکات فعال چشم، بازو و صورت شلیک میکنند.
The climbing-fiber and mossy-fiber/parallel-fiber systems seem to be specialized for transmission of different kinds of information. Climbing fibers cause complex spikes that seem specialized for event detection. Although complex spikes occur only infrequently, synchronous firing in multiple climbing fibers enables them to signal important events. Synchrony seems to arise partly because signaling between many neurons in the inferior olivary nucleus occurs electrotonically (at gap-junction channels). In contrast, the high firing rates of the simple spikes in Purkinje cells can be modulated up or down in a graded way by mossy-fiber inputs, and thereby encode the magnitude and duration of peripheral stimuli or centrally generated behaviors.
به نظر میرسد که سیستمهای فیبر نوردی و فیبر خزه ای/الیاف موازی برای انتقال انواع مختلف اطلاعات تخصصی هستند. الیاف کوهنوردی باعث ایجاد اسپایکهای پیچیده ای میشود که برای تشخیص رویداد تخصصی به نظر میرسد. اگرچه اسپایکهای پیچیده به ندرت رخ میدهند، شلیک همزمان در چندین الیاف کوهنوردی آنها را قادر میسازد تا رویدادهای مهم را نشان دهند. به نظر میرسد همزمانی تا حدودی به این دلیل ایجاد میشود که سیگنال دهی بین بسیاری از نورونها در هسته زیتونی تحتانی به صورت الکتروتونیک (در کانالهای شکاف-پیوند) رخ میدهد. در مقابل، سرعت شلیک بالای میخهای ساده در سلولهای پورکنژ را میتوان به روشی درجهبندیشده توسط ورودیهای فیبر خزهای تعدیل کرد و در نتیجه بزرگی و طول مدت محرکهای محیطی یا رفتارهای ایجاد شده در مرکز را رمزگذاری کرد.
The Cerebellar Microcircuit Architecture Suggests a Canonical Computation
معماری ریز مدار مخچه یک محاسبه متعارف را پیشنهاد میکند
The cerebellar microcircuit is replicated many times across the surface of the cerebellar cortex. This repeating architecture and pattern of convergence and divergence has led to the suggestion that since every such module has the same architecture and pattern of convergence and divergence, the cerebellar cortex performs the same basic “canonical” computation on all of its inputs, and that it potentially transforms cerebellar inputs in a similar way for all cerebellar output systems. Inspection of a diagram of the cerebellar microcircuit (Figure 37-10) reveals a number of different computational components. One general feature is the existence of parallel excitatory and inhibitory pathways to the Purkinje cells or deep cerebellar nuclei. The other general feature is the prevalence of recurrent loops.
ریزمدار مخچه بارها در سطح قشر مخچه تکرار میشود. این معماری و الگوی تکراری همگرایی و واگرایی به این پیشنهاد منجر شده است که از آنجایی که هر ماژول دارای همان معماری و الگوی همگرایی و واگرایی است، قشر مخچه همان محاسبات “متعارف” را بر روی همه ورودیهای خود انجام میدهد، و اینکه به طور بالقوه ورودیهای مخچه را به روشی مشابه برای همه سیستمهای خروجی مخچه تغییر میدهد. بازرسی نمودار ریزمدار مخچه (شکل ۳۷-۱۰) تعدادی از اجزای محاسباتی مختلف را نشان میدهد. یک ویژگی کلی وجود مسیرهای تحریکی و بازدارنده موازی به سلولهای پورکنژ یا هستههای عمیق مخچه است. ویژگی کلی دیگر شیوع حلقههای مکرر است.
Figure 37-10 Synaptic organization of the cerebellar microcircuit. Excitation and inhibition converge both in the cerebellar cortex and in the deep nuclei. Recurrent loops involve Golgi cells within the cerebellar cortex and the inferior olive outside the cerebellum. (Adapted, with permission, from Raymond, Lisberger, and Mauk 1996. Copyright © ۱۹۹۶ AAAS.)
شکل ۳۷-۱۰ سازمان سیناپسی ریزمدار مخچه. تحریک و مهار هم در قشر مخچه و هم در هستههای عمیق همگرا میشوند. حلقههای مکرر سلولهای گلژی را در قشر مخچه و زیتون تحتانی را در خارج از مخچه درگیر میکنند. (اقتباس شده، با اجازه، از Raymond، Lisberger، و Mauk 1996. حق چاپ © ۱۹۹۶ AAAS.)
Parallel Feedforward Excitatory and Inhibitory Pathways
مسیرهای تحریکی و مهاری پیشخور موازی
The excitatory inputs relayed from mossy fibers to granule cells to Purkinje cells work in parallel with feedforward inhibitory inputs through the two molecular layer interneurons, the stellate and basket cells. Both of these interneurons receive inputs from parallel fibers and inhibit Purkinje cells, but they have quite different architectures.
ورودیهای تحریکی که از الیاف خزهای به سلولهای گرانول به سلولهای پورکنژ منتقل میشوند، به موازات ورودیهای بازدارنده پیشخور از طریق دو نورون بین لایهای مولکولی، سلولهای ستارهای و سبد، کار میکنند. هر دوی این نورونها ورودیهایی را از فیبرهای موازی دریافت میکنند و سلولهای پورکنژ را مهار میکنند، اما ساختارهای کاملاً متفاوتی دارند.
The short axons of stellate cells contact the nearby dendrites of Purkinje cells. Thus, a stellate cell acts locally in the sense that it and the Purkinje cell it inhibits are excited by the same parallel fibers. In contrast, a basket cell acts more widely. Its axon runs perpendicular to the parallel fibers (Figure 37-8) and creates flanks of inhibition on Purkinje cells that receive input from parallel fibers other than those that excite the basket cell. Stellate cells affect Purkinje cells via synapses that are on distal dendrites, whereas basket cells make powerful synapses on the cell body of Purkinje cells and seem to be positioned for a powerful influence on Purkinje cell simple spiking. Remarkably, even 60 years after the architecture of the cerebellar microcircuit was described, the functional role of molecular layer interneurons remains a mystery.
آکسونهای کوتاه سلولهای ستاره ای با دندریتهای نزدیک سلولهای پورکنژ تماس دارند. بنابراین، یک سلول ستاره ای به صورت موضعی عمل میکند به این معنا که آن و سلول پورکنژی که آن را مهار میکند توسط همان رشتههای موازی برانگیخته میشوند. در مقابل، سلول سبد به طور گسترده تری عمل میکند. آکسون آن عمود بر الیاف موازی قرار دارد (شکل ۳۷-۸) و کنارههای مهاری را روی سلولهای پورکنژ ایجاد میکند که ورودی را از الیاف موازی غیر از آنهایی که سلول سبد را تحریک میکنند، دریافت میکنند. سلولهای ستارهای از طریق سیناپسهایی که روی دندریتهای دیستال قرار دارند، روی سلولهای پورکنژ تأثیر میگذارند، در حالی که سلولهای سبد سیناپسهای قدرتمندی بر روی بدنه سلولی سلولهای پورکنژ میسازند و به نظر میرسد که برای تأثیر قدرتمندی بر اسپک ساده سلول پورکنژ قرار دارند. قابل توجه است، حتی ۶۰ سال پس از توصیف معماری ریزمدار مخچه، نقش عملکردی بین نورونهای لایه مولکولی یک راز باقی مانده است.
Convergence of excitatory and inhibitory pathways is a predominant feature also in the deep cerebellar nuclei. Here, inhibitory inputs from Purkinje cells converge with excitatory inputs from axon collaterals of mossy and climbing fibers (Figure 37-10). Thus, a mossy fiber affects target neurons in the deep nuclei in two ways: directly by excitatory synapses and indirectly by pathways through the cerebellar cortex and the inhibitory Purkinje cells. Neurons of the deep cerebellar nuclei are active spontaneously even in the absence of synaptic inputs, so the inhibitory output of the Purkinje cells both modulates this intrinsic activity and sculpts the excitatory signals transmitted from mossy fibers to the deep nuclei. In almost all parts of the cerebellum, collaterals from climbing fibers to the deep cerebellar nuclei create the opportunity for a similar interaction of excitatory and inhibitory inputs.
همگرایی مسیرهای تحریکی و مهاری یک ویژگی غالب در هستههای عمیق مخچه است. در اینجا، ورودیهای بازدارنده از سلولهای پورکنژ با ورودیهای تحریکی از وثیقههای آکسون الیاف خزهای و بالا رونده همگرا میشوند (شکل ۳۷-۱۰). بنابراین، یک فیبر خزهای به دو طریق بر نورونهای هدف در هستههای عمیق تأثیر میگذارد: مستقیماً از طریق سیناپسهای تحریکی و بهطور غیرمستقیم از طریق مسیرهایی از طریق قشر مخچه و سلولهای مهارکننده پورکنژ. نورونهای هستههای عمیق مخچه حتی در غیاب ورودیهای سیناپسی خود به خود فعال هستند، بنابراین خروجی مهاری سلولهای پورکنژ هم این فعالیت ذاتی را تعدیل میکند و هم سیگنالهای تحریکی منتقل شده از الیاف خزهای به هستههای عمیق را ایجاد میکند. تقریباً در تمام قسمتهای مخچه، وثیقهها از الیاف بالارونده تا هستههای عمیق مخچه فرصتی برای تعامل مشابه ورودیهای تحریکی و بازدارنده ایجاد میکنند.
Recurrent Loops
حلقههای مکرر
An important recurrent loop is contained entirely within the cerebellar cortex and employs Golgi cells to sculpt the activity of the granule cells, the input elements in the cerebellar cortex. Golgi cells receive a few large excitatory inputs from mossy fibers, many smaller excitatory inputs from parallel fibers, and inhibitory inputs from neighboring Golgi cells. The GABAergic terminals from Golgi cells inhibit granule cells (Figure 37-10) and thereby regulate the activity of granule cells and the signals conveyed by the parallel fibers. This loop is evidence that important processing may occur within the granular layer. It may shorten the duration of bursts in granule cells, limiting the magnitude of the excitatory response of granule cells to their mossy fiber inputs, or could ensure that the granule cells respond only when a certain number of their mossy fiber inputs are active.
یک حلقه برگشتی مهم به طور کامل در قشر مخچه قرار دارد و از سلولهای گلژی برای مجسمه سازی فعالیت سلولهای گرانول، عناصر ورودی در قشر مخچه استفاده میکند. سلولهای گلژی چند ورودی تحریکی بزرگ از الیاف خزه ای، بسیاری از ورودیهای تحریکی کوچکتر از الیاف موازی و ورودیهای بازدارنده از سلولهای گلژی مجاور دریافت میکنند. پایانههای GABAergic از سلولهای گلژی سلولهای گرانول را مهار میکنند (شکل ۳۷-۱۰) و در نتیجه فعالیت سلولهای گرانول و سیگنالهای منتقل شده توسط الیاف موازی را تنظیم میکنند. این حلقه شواهدی است مبنی بر اینکه پردازش مهم ممکن است در لایه دانه ای رخ دهد. ممکن است مدت انفجار در سلولهای گرانول را کوتاه کند، و میزان پاسخ تحریکی سلولهای گرانول را به ورودیهای فیبر خزهای محدود کند، یا میتواند اطمینان حاصل کند که سلولهای گرانول تنها زمانی پاسخ میدهند که تعداد معینی از ورودیهای فیبر خزهای آنها فعال باشد.
A second recurrent loop provides Purkinje cells with a way to regulate their own climbing fiber inputs (Figure 37-10). Purkinje cells inhibit GABAergic inhibitory neurons in the deep cerebellar nuclei that project to the inferior olive. When the simple-spike firing of a group of Purkinje cells decreases, the activity of these inhibitory interneurons increases, leading to decreases in the excitability of neurons in the inferior olive. The decreased excitability of the inferior olive reduces both the probability of action potentials in climbing fibers that project to the original group of Purkinje cells and the duration of each burst of climbing fiber action potentials. In the section on cerebellar learning, we will see how this recurrent loop could allow the cerebellar cortex to control the inputs that cause adaptive changes in the synapses on its Purkinje cells.
حلقه برگشتی دوم راهی برای تنظیم ورودی فیبر صعودی خود به سلولهای پورکنژ ارائه میدهد (شکل ۳۷-۱۰). سلولهای پورکنژ نورونهای بازدارنده GABAergic را در هستههای عمیق مخچه که به سمت زیتون تحتانی پیش میروند، مهار میکنند. هنگامیکه شلیک اسپایک ساده گروهی از سلولهای پورکنژ کاهش مییابد، فعالیت این نورونهای بازدارنده افزایش مییابد و منجر به کاهش تحریک پذیری نورونها در زیتون تحتانی میشود. کاهش تحریک پذیری زیتون تحتانی هم احتمال پتانسیل عمل در الیاف صعودی را که به گروه اصلی سلولهای پورکنژ میریزد و هم مدت زمان هر انفجار پتانسیل عمل فیبر بالا را کاهش میدهد. در بخش یادگیری مخچه، خواهیم دید که چگونه این حلقه مکرر میتواند به قشر مخچه اجازه دهد ورودیهایی را که باعث تغییرات تطبیقی در سیناپسهای سلولهای پورکنژ میشوند، کنترل کند.
The Cerebellum Is Hypothesized to Perform Several General Computational Functions
فرض بر این است که مخچه چندین عملکرد محاسباتی عمومیرا انجام میدهد
We know that the cerebellum is important for motor control and some nonmotor functions. Even though we do not yet know how the cerebellar circuit controls these functions, we are able to identity aspects of the control that seem to be particularly “cerebellar.” These include reliable feedforward control, internal control of timing, integration of sensory inputs with corollary discharge, and state estimation through internal models.
میدانیم که مخچه برای کنترل حرکتی و برخی از عملکردهای غیرحرکتی مهم است. حتی اگر ما هنوز نمیدانیم که مدار مخچه چگونه این عملکردها را کنترل میکند، میتوانیم جنبههایی از کنترل را که به نظر میرسد به ویژه “مخچه” هستند شناسایی کنیم. اینها شامل کنترل پیشخور قابل اعتماد، کنترل داخلی زمانبندی، ادغام ورودیهای حسی با تخلیه نتیجه، و تخمین حالت از طریق مدلهای داخلی است.
The Cerebellum Contributes to Feedforward Sensorimotor Control
مخچه به کنترل حسی حرکتی پیشرو کمک میکند
Sensory feedback is by its nature delayed. Therefore, when a movement is initiated there is a period of time before any useful sensory feedback is received about the movement. We saw earlier that cerebellar damage causes movement disorders that appear to result from out-of-date sensory feedback. If so, it is reasonable to assume that the cerebellum regulates and coordinates movement by preprogramming and coordinating commands for muscular contraction prior to the arrival of useful sensory feedback. The cerebellar output anticipates the muscular contractions that will be needed to bring a movement smoothly, accurately, and quickly to the desired endpoint, and uses sensory feedback mainly to monitor and improve its own performance.
بازخورد حسی طبیعتاً با تأخیر است. بنابراین، زمانی که یک حرکت آغاز میشود، یک دوره زمانی وجود دارد که هر گونه بازخورد حسی مفیدی در مورد حرکت دریافت شود. قبلاً دیدیم که آسیب مخچه باعث اختلالات حرکتی میشود که به نظر میرسد ناشی از بازخورد حسی قدیمیاست. اگر چنین است، منطقی است که فرض کنیم مخچه حرکت را با برنامه ریزی قبلی و هماهنگ کردن دستورات برای انقباض عضلانی قبل از رسیدن بازخورد حسی مفید تنظیم و هماهنگ میکند. خروجی مخچه انقباضات عضلانی مورد نیاز را برای رساندن یک حرکت صاف، دقیق و سریع به نقطه پایانی مورد نظر پیش بینی میکند و از بازخورد حسی عمدتاً برای نظارت و بهبود عملکرد خود استفاده میکند.
Like neurons in the motor cortex, cerebellar neurons are activated before movement. Still, lesion studies and the symptoms in human motor disorders imply that the cerebellum and motor cortex play very different roles in movement. Lesions of the cerebellum disrupt the accuracy and coordination of voluntary movement, while lesions of the cerebral cortex largely prevent movement.
مانند نورونهای قشر حرکتی، نورونهای مخچه قبل از حرکت فعال میشوند. با این حال، مطالعات ضایعه و علائم در اختلالات حرکتی انسان نشان میدهد که مخچه و قشر حرکتی نقشهای بسیار متفاوتی در حرکت دارند. ضایعات مخچه دقت و هماهنگی حرکت ارادی را مختل میکند، در حالی که ضایعات قشر مخ تا حد زیادی از حرکت جلوگیری میکند.
In addition, the pattern of cerebellar activity, not simply the rate of activity, conveys information for movement control. This is illustrated in mouse models of cerebellar disease. Deletion of certain ion channels produces excessive variability of Purkinje cell simple-spike firing patterns, which seems to lead to ataxia. This suggests that the regularity of cerebellar activity must be closely regulated to achieve normal movement.
علاوه بر این، الگوی فعالیت مخچه، نه صرفاً میزان فعالیت، اطلاعاتی را برای کنترل حرکت منتقل میکند. این در مدل موش بیماری مخچه نشان داده شده است. حذف برخی از کانالهای یونی، تنوع بیش از حد الگوهای شلیک اسپایک ساده سلول پورکنژ را ایجاد میکند، که به نظر میرسد منجر به آتاکسی میشود. این نشان میدهد که منظم بودن فعالیت مخچه باید دقیقاً تنظیم شود تا حرکت طبیعی حاصل شود.
The Cerebellum Incorporates an Internal Model of the Motor Apparatus
مخچه دارای یک مدل داخلی از دستگاه موتور است
To program the correct muscle contractions for a smooth, accurate arm movement, the cerebellum needs to have some information about the physical configuration of the arm. Thus, it needs to create and maintain what are called “internal models” of the motor apparatus (Chapter 30). Internal models allow the cerebellum to perform a computation that helps the brain make good estimates of the exact muscle forces needed to move an arm in a desired manner.
برای برنامه ریزی صحیح انقباضات عضلانی برای حرکت صاف و دقیق بازو، مخچه باید اطلاعاتی در مورد پیکربندی فیزیکی بازو داشته باشد. بنابراین، نیاز به ایجاد و نگهداری آنچه “مدلهای داخلی” دستگاه موتور نامیده میشود (فصل ۳۰). مدلهای داخلی به مخچه این امکان را میدهند که محاسباتی را انجام دهد که به مغز کمک میکند تا نیروهای دقیق عضلانی مورد نیاز برای حرکت دادن بازو را به شیوهای دلخواه برآورد کند.
An accurate inverse dynamic model of the arm, for example, can process sensory data about the current posture of the arm and automatically generate a sequence of properly timed and scaled commands to move the hand to a new desired position. An accurate forward dynamic model does the opposite: It processes a copy of a motor command and makes a prediction about the upcoming kinematics (ie, position and speed) of the arm movement. Recordings of the output of the cerebellum have provided evidence compatible with the idea that the cerebellum contains both types of models and that they are used to program both arm and eye movements.
به عنوان مثال، یک مدل دینامیکی معکوس دقیق از بازو، میتواند دادههای حسی در مورد وضعیت فعلی بازو را پردازش کند و بهطور خودکار دنبالهای از دستورات زمانبندیشده و مقیاسبندی شده را برای حرکت دست به موقعیت دلخواه جدید تولید کند. یک مدل دینامیکی رو به جلو دقیق عکس این کار را انجام میدهد: یک نسخه از فرمان موتور را پردازش میکند و در مورد سینماتیک آینده (یعنی موقعیت و سرعت) حرکت بازو پیش بینی میکند. ضبط خروجی مخچه شواهدی را ارائه کرده است که با این ایده سازگار است که مخچه شامل هر دو نوع مدل است و اینکه از آنها برای برنامه ریزی حرکات بازو و چشم استفاده میشود.
One reason that the cerebellum may need these types of models for motor control is because of the complexities associated with moving linked segments of the body. Consider the mechanics of making a simple arm movement. Because of the mechanics of the arm and the momentum it develops when moving, movement of the forearm alone causes inertial forces that passively move the upper arm. If a subject wants to flex or extend the elbow without simultaneously moving the shoulder, then muscles acting at the shoulder must contract to prevent its movement. These stabilizing contractions of the shoulder joint occur almost perfectly in healthy subjects but not in patients with cerebellar damage, who experience difficulty controlling the inertial interactions among multiple segments of a limb (Figure 37-1B). As a result, patients exhibit greater inaccuracy of multi-joint versus single-joint movements.
یکی از دلایلی که ممکن است مخچه برای کنترل حرکتی به این نوع مدلها نیاز داشته باشد، پیچیدگیهای مرتبط با حرکت بخشهای مرتبط بدن است. مکانیک انجام یک حرکت ساده بازو را در نظر بگیرید. به دلیل مکانیک بازو و تکانه ای که هنگام حرکت ایجاد میشود، حرکت ساعد به تنهایی باعث ایجاد نیروهای اینرسی میشود که به طور غیر فعال بازو را به حرکت در میآورد. اگر سوژه ای بخواهد آرنج را بدون حرکت همزمان شانه خم کند یا دراز کند، عضلاتی که در شانه عمل میکنند باید منقبض شوند تا از حرکت آن جلوگیری کنند. این انقباضات تثبیت کننده مفصل شانه تقریباً در افراد سالم کاملاً رخ میدهد، اما در بیماران مبتلا به آسیب مخچه، که در کنترل فعل و انفعالات اینرسی بین بخشهای متعدد اندام مشکل دارند، اتفاق نمیافتد (شکل ۳۷-1B). در نتیجه، بیماران عدم دقت بیشتری را در حرکات چند مفصلی نسبت به تک مفصلی نشان میدهند.
In conclusion, the cerebellum uses internal models to allow it to preprogram a sequence of muscle contractions that will generate smooth, accurate movement. It also anticipates the forces that result from the mechanical properties of a moving limb. We do not yet know what these internal models look like in terms of the activity of cerebellar neurons, the circuits that operate as internal models, or how the cerebellar output is transformed into muscle forces. However, given that the properties of the limbs change throughout life, we can be confident that the cerebellum’s learning capabilities are involved in adapting these internal models to help generate the most proficient movements.
در نتیجه، مخچه از مدلهای داخلی استفاده میکند تا به آن اجازه میدهد تا دنبالهای از انقباضات عضلانی را از قبل برنامهریزی کند که حرکتی صاف و دقیق ایجاد میکند. همچنین نیروهای ناشی از خواص مکانیکی یک اندام متحرک را پیش بینی میکند. ما هنوز نمیدانیم که این مدلهای داخلی از نظر فعالیت نورونهای مخچه، مدارهایی که به عنوان مدلهای داخلی عمل میکنند یا چگونه خروجی مخچه به نیروهای عضلانی تبدیل میشود، چه شکلی هستند. با این حال، با توجه به اینکه ویژگیهای اندامها در طول زندگی تغییر میکنند، میتوانیم مطمئن باشیم که قابلیتهای یادگیری مخچه در تطبیق این مدلهای داخلی برای کمک به ایجاد ماهرانهترین حرکات نقش دارد.
»» فصل قبل
»» تمامیکتاب
