Grundlagen der Bewegungswissenschaft. Zentrales Nervensystem und Bewegungskontrolle. Joachim Hermsdörfer Lehrstuhl für Bewegungswissenschaft.

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1 Grundlagen der Bewegungswissenschaft Zentrales Nervensystem und Bewegungskontrolle Joachim Hermsdörfer Lehrstuhl für Bewegungswissenschaft Aufgaben Informationsaufnahme Informationsverteilung Informationsverarbeitung Informationsausgabe 1

2 Informationsvermittlung: Neurone (Nervenzellen) ~ 100 Milliarden (10 11 ) Zellkörper Axone: Output Dendride: Input Verbindung über Synapsen ~ 100 Billionen (10 14 ) Synapsen/mögl. Verb. Infos zur Physiologie >>> Vorlesung Informationsleitung: Aktionspotentiale Nervenleitgeschwindigkeit: m/s 2

3 Informationsaufnahme Exterozeption Propriozeption Viszerozeption Wahrnehmung äußerer Reize Hautoberfläche: Schmerz, Temperatur, Druck, Berührung Sehen, Hören, Riechen Wahrnehmung körper interner Reize Sehnen, Muskel, Gelenke: Lage, Bewegung, Kraft, Vibration, tiefer Druck Gleichgewicht Wahrnehmung körper interner Reize Eingeweide, Blutgefäße Hautrezeptoren (kutane Mechanorezeptoren) Meißner FA-I Merkel SA-I Ruffini SA-II Pacini FA-II 3

4 Typen: schnell (Fast) und langsam (Slow) adaptierend (A) mit kleinen (I) und großen (II) rezeptiven Feldern Johansson & Flanagan, Chapt., The Senses, Oxford Univ Press, 2008 Muskelspindeln intrafusale Muskelfaser Signal: Muskellänge kombiniert bei Kontraktion beeinflussbar durch γ Koaktivierung (α γ Koaktivierung) 4

5 Golgi Sehen Organ Signal: Kraft sensorische Bahnen Hinterstrang/Lemniscus medialis Tiefensensibilität Tractus spinothalamicus: Schmerz und Temperatur aufsteigende sensorische (afferente) Bahnen kreuzen nach kontralateral >>> Umschaltung im Thalamus >>> primärer sensorischer Kortex (Teil ins ipsilaterale Kleinhirn) 5

6 Humunculus im Gyrus postzentralis spinale Reflexe z.b. monosynaptischer Eigenreflex Patellarsehnenreflex reflektorische, stereotype Kontrollfunktionen auf Rückenmarksebene: Eigenreflexe Fremdreflexe Schutzreflexe 6

7 Bogengänge Gleichgewicht (Vestibular System) Infos zur Physiologie >>> Vorlesung vestibulo okulärer Reflex (VOR) Kopfrotation >>> Augenbewegung in Gegenrichtung zur Stabilisation des optischen Bildes 7

8 Netzhaut (Retina) Sehen Infos zur Physiologie >>> Vorlesung Sehbahn gleichseitige periphere Sehfelder >>> kontralateraler visueller Kortex 8

9 Einzelfall einer Patientin mit kompletter sensorischer Deafferentierung patient G.L. female, born 1948 severe purely sensory, peripheral neuropathy below the level of the mouth in 1979 total loss touch of vibration, pressure and kinesthetic senses and no tendon reflexes pain and temperature sensations preserved complete loss of large myelinated sensory fibres normal conduction of motor fibres and normal EMG Klinischer Status: Rollstuhl Bewegungen hochgradig angewiesen auf Aufmerksamkeit und visuelles Feedback aber Leistungen: Skalierung von Zielbewegungen visuo motorische Antizipation antizipatorische posturale Anpassung (APA) 9

10 Activities of Daily Living GL: Object Lifting Nowak, Glasauer & Hermsdörfer, NeuroReport,

11 Heben mit offenen und geschlossenen Augen Primäre sensorische & motorische Areale motorischer Cortex somatosensorischer Cortex olfaktorischer Cortex visueller Cortex auditiver Cortex 11

12 sensomotorischer Assoziationskortex posteriorer parietaler Assoziationskortex (PPC) Input: primär visuell, auditorisch, somatosensorisch Output: dorsolat. präfront. Kortex, sekund. motor. Kortex Pinel, Biopsychologie 2007 Position eigener Körper vs. Umgebung & externe Objekte [Koordinatentransformation] Integration sensorischer Signale Raumverarbeitung (re Kortex) sensomotorischer Assoziationskortex dorsolateraler präfrontaler Kortex (DLPF) Input: PPC Output: sekund. motor. Kortex, primärer motorischer Kortex (M1), PPC Bewertung externer Reize Antizipation von motorischer Aktivität Entscheidung für Initiierung von Willkürbewegungen + PPC 12

13 sekundärer motorischer Kortex Input: DLPF & PPC Output: M1 Bestandteile: supplementärmotorisches Areal (SMA), prämotorischer Kortex (ventral & dorsal PMC), motor. Areal des Gyrus Cinguli Antizipatorische Aktivität Programmierung spezifischer Bewegungsmuster (z.b. Schreibprogramm ) Bewegungssequenzen Bewegungsbeobachtung Primäre motor. Cortex Primäre Ausgangstation aus Kortex Motorischer Homunculus >>> weniger demarkiert als sensorischer, Mosaik Ansteuerung der Muskulatur, v.a. distaler Programmierung von Bewegungsrichtung und Kraft Schädigung: Lähmung kontralateraler Extremität 13

14 subkortikale Strukturen Mittelhirn Pons Großhirn/Cerebrum Kleinhirn/Cerebellum Thalamus interner externer Globus Pallidus Putamen Caudatum Basalganglien Input: Kortex Output: via Thalamus >>> Areale motorischer Kortex & frontaler Kortex, Hirnstammbahnen 14

15 Basalganglien Funktion in der Motorik: Anregung Bewegungssequenzen Mehrfachaufgaben Motorisches Lernen (Automatisierung) Bewertung (abh. Belohnung ) Schädigung: Parkinson Syndrom: Tremor, Rigor, Akinese, posturale Instabilität,. M. Parkinson Mattle/Mumenthaler, "Neurologie", 11. Auflage, Thieme 15

16 Kleinhirn (Cerebellum) ~ 50% Neurone des Gehirn ~ 10% der Gesamtmasse Kleinhirn Netzwerk & Funktion Funktion in der Motorik: Feinkontrolle Koordination von Mehrgelenkbewegungen Antizipation / interne Modelle Timing Gleichgewicht Augenbewegungen Motor. Lernen (neue Fertigkeiten) Input: motorischer Kortex (via Pons), sensor. Afferenzen Output: Kortex, motorische Bahnen im Hirnstamm Schädigung: Ataxie 16

17 Zerebelläre Ataxie Dysmetrie und Tremor Ataxie Gang & Manipulation Interne Modelle im Cerebellum Nowak et al. The Cerebellum

18 Motorische efferente Bahnen Pyramidenbahn extrapyramidales System Ausgangspunkt: oberes motorisches Neuron (motorischer und prämot. Kortex, Gyr. Cing.) Kreuzung: Pyramide (80 90 %) Ende: unteres motorisches Neuron (ventrales Horn, Wirbelsäule) vielfache Verschaltungen in Basalganglien und Hirnstamm Central Pattern Generators rhythmische Aktivitäten Hirnstamm Rückenmark automatische Aktivitäten: Atmen Gehen kontinuierliche top down Kontrolle (indirekte Beeinflussung durch Afferenzen) 18

19 Organisation hierarchisch funktionelle Trennung parallel Feedback willkürliche Bewegungen automatische Bewegungen (Bew.komponenten) Reflexe Gesamtorganisation Bewegungsskalierung Bewertung Vorhersagen (interne Modelle) Koordination Motivation Planung Ausführung 19

20 Studie zum motorischen Lernen Jenkins et al., 1994 PET (Positronen Emission Tomographie) Studie erlernen einer Tastendruck Sequenz Gehirnaktivität versus Ruhe: neu gelernt überlernt Pinel, Biopsychologie 2007 Studie zum motorischen Lernen Ergebnisse neu gelernt überlernt PPT: Verarbeitung Stimuli (auditiv: Start, Antwort) DLPF: bewusste Kontrolle bei Neulernen PMC: Sequenzlernen unter Einfluss sensorische Stimuli SMA: automatisierte Sequenz M1 & S1: Ausführung Basalganglien: Neulernen und Ausführung geübt Cerebellum: Neulernen 20