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探施
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1 张力粤港澳中枢神经再生研究院

2 粤港澳中枢神经再生研究院六运动的高级调控皮层对随意运动的管理小脑基底节帕金森症利用 PET 成像对人体运动时脑区活动的在体检测, 从左至右分别为皮层基底节和小脑, 节选自 Turner et al (1998) J Neurophysiol 80:

3 粤港澳中枢神经再生研究院复习 : 参与运动调控的结构视觉信号视皮层运动皮层小脑脊髓小脑通路传入信号脑干 MLR: 中脑运动区 (Mesencephalic locomotor region) 视觉制导脊髓运动系统 MRF: 内侧网状结构 (Medial reticular formation) 肢体运动节选自 Kandel (2013) Principles of Neuroscience (p826)

4 粤港澳中枢神经再生研究院复习 : 中脑运动区 MLR 对行走步态的调控刺激 MLR 前端脑桥后端脑桥延髓 MLR 内侧网状结构腹外侧索 MLR 电刺激诱发内侧网状结构中间神经元兴奋, 其轴突经 VLF( 腹外侧索 ) 下行至脊髓运动系统去大脑 ( 皮层 ) 动物 MLR 电刺激强度和动物步态 ( 后肢运动频率 ) 呈正相关左后肢脊髓慢速步行快速步行小跑快跑脊髓运动系统结论 :MLR 是骨骼肌运动的发起位置可在无皮层支配情况下调节随意运动右后肢刺激强度节选自 Kandel (2013) Principles of Neuroscience (p827)

5 粤港澳中枢神经再生研究院 6.1 随意运动发起的机器人过程模型体外体内体外外在感觉通过意识分析后形成意图, 由运动系统执行 ( 心理学划分 ) 刺激感觉认知动作反应执行过程中, 需要分析外在动力学 ( 物体运动速度轨迹 ), 内在动力学 ( 关节转动角度 ) 意图外部运动力学内在运动力学动力学 ( 骨骼肌 ) 最终得出动力学参数 ( 骨骼肌肌力力矩等 ) 节选自 Kandel (2013) Principles of Neuroscience (p839)

6 粤港澳中枢神经再生研究院 6.2 运动皮层对身体各部位的支配发声器官人体运动皮层中, 自内侧向外侧依次为调节下肢躯干上肢面部等部位的区域支配身体各部位的皮层相对面积和运动精细程度正相关唇人类调控手口内肌肉的皮层区域尤其发达, 可能和高度精细化的手部动作及语言功能有关内侧外侧节选自 Kandel (2013) Principles of Neuroscience (p837)

7 粤港澳中枢神经再生研究院 6.3 皮层运动相关脑区 - 经典划分前运动皮层辅助运动皮层初级运动皮层初级体感皮层后顶叶皮层位于中央沟 (central sulcus) 前端的初级运动皮层直接支配脊髓运动系统前运动皮层通过向初级运动皮层投射, 间接调控随意运动辅助运动皮层 ( 位于前运动皮层内侧 ) 对运动同样具有调节作用节选自 Kandel (2013) Principles of Neuroscience (p840)

8 前辅助运动皮层粤港澳中枢神经再生研究院 6.4 皮层运动相关脑区 - 近年研究成果辅助运动皮层前背侧前运动皮层背侧前运动皮层扣带皮层运动区近年的研究成果将前运动皮层进一步划分为 F2 F7( 背侧 ) 和 F4 F5 ( 腹侧 ) 辅助运动皮层可进一步划分为 F3 F6 区域腹侧前运动皮层初级运动皮层扣带皮层 (cingulate cortex) 对运动的调控作用节选自 Kandel (2013) Principles of Neuroscience (p840)

层锥体神经元 (pyramidal neuron ) 轴突形成皮层脊髓束 (corticospinal tract) 向脊髓运动

9 粤港澳中枢神经再生研究院 6.5 皮层运动运动神经元向脊髓神经元投射初级运动皮层辅助运动皮层扣带皮层运动区皮层运动神经元伸肌运动神经元运动皮层第 V 层锥体神经元 (pyramidal neuron ) 轴突形成皮层脊髓束 (corticospinal tract) 向脊髓运动 / 中间神经元投射抑制性中间神经元屈肌运动神经元节选自 Kandel (2013) Principles of Neuroscience (p842,p844) 皮层神经元投射至屈肌或是伸肌支配运动神经元, 从而兴奋肌纤维

10 手腕角度测量束缚器粤港澳中枢神经再生研究院 6.6 皮层运动运动神经元和肌肉活动初级运动皮层 (M1) 手腕区无负荷屈肌神肌神经元杠杆位置伸展屈曲正常 ( 无负荷 ) 状态下, 运动皮层 (M1) 神经元在手腕屈曲时出现一般频率放电当肌肉被施加负荷时, 为维持手腕相对静止, 运动神经元出现高频放电, 引起拮抗肌收缩, 对抗重力负荷滑轮滑轮屈肌拮抗负荷屈肌神肌屈肌拮抗负荷神经元节选自 Kandel (2013) Principles of Neuroscience (p853)

11 运动神经元电记录粤港澳中枢神经再生研究院 6.7 视觉信号和皮层运动调控对正常家猫跨越障碍时运动皮层和前肢屈肌同时进行在体电生理记录前肢屈肌越过障碍运动皮层当动物前肢跨过固定在跑步机上的障碍物时, 运动皮层神经元出现高频放电前肢屈肌同步出现兴奋性前肢屈肌肌电图皮层和肌肉放电时间相比, 皮层神经元略有滞后?( 皮层下神经元对骨骼肌运动的调节 ) 节选自 Kandel (2013) Principles of Neuroscience (p829)

12 粤港澳中枢神经再生研究院 6.8 运动皮层的方向选择神经元每个运动神经元对不同方向运动存在不同反应强度单一初级运动神经元运动皮层神经核团节选自 Kandel (2013) Principles of Neuroscience (p849)

13 粤港澳中枢神经再生研究院 6.9 运动皮层神经元对不同运动的放电模式皮层运动神经元对动物的取食行为过程中单一运动皮层神经元进行在体电生理记录靶肌肉三头肌肱桡肌 II III 趾运动全过程中不同肌肉群在运动各阶段的活动强度, 和皮层运动神经元的放电情况形成时间吻合模式单一神经元在不同运动阶段 ( 对于不同靶肌肉 ) 的电生理特性有所不同拇短展肌节选自 Kandel (2013) Principles of Neuroscience (p856)

14 最大抬起高度 (cm) 粤港澳中枢神经再生研究院前肢越过后撤除障碍暂停后肢依然抬起 6.10 皮层的运动记忆正常家猫前肢跨越障碍后, 跑步机暂停, 同时障碍撤除, 随后跑步机恢复损毁前损毁后正常动物的皮层运动记忆令到后肢仍抬起并越过障碍所处位置顶叶皮层 (area 5) 的毁损令后肢的抬起高度显著降低, 提示和运动记忆的相关性运动学习记忆能力同时和海马小脑等脑区相关暂停时间 (s) 节选自 Kandel (2013) Principles of Neuroscience (p831)

15 获取次数双重反应区域 (%) 获取次数手指 + 手腕区域 (%) 训练前粤港澳中枢神经再生研究院 6.11 学习和运动皮层可塑性训练后对恒河猴进行手指抓握训练前, 运动皮层支配手指和手腕运动的面积占比较小手指伸展手指屈曲腕外展远端屈曲经过数百次重复训练后, 运动皮层控制手指伸展和屈曲相关区域面积增加, 而手腕运动支配区域面积减少获取次数双重反应区域手指伸展手指屈曲获取次数手指 + 手腕区域腕外展同时支配手指和手腕运动的双重区域占运动皮层相对面积, 和动物成功完成抓取任务的次数正相关节选自 Kandel (2013) Principles of Neuroscience (p859)

16 粤港澳中枢神经再生研究院 6.12 小脑的解剖位置扣带回胼胝体顶叶顶枕沟额叶枕叶距状沟颞叶桥脑小脑延髓节选自 Kandel (2013) Principles of Neuroscience (p342)

17 粤港澳中枢神经再生研究院 6.13 小脑皮层结构平行纤维分子层小脑皮层 ( 灰质 ) 由外向内分为分子层浦肯野细胞层和颗粒层三层星状细胞浦肯野细胞层篮状细胞浦肯野细胞颗粒细胞浦肯野细胞高尔基细胞颗粒层白质分子层为浦肯野细胞树突 ( 分布在矢状切面上 ), 抑制性的星状细胞和篮状细胞颗粒层为密集分布的颗粒细胞, 由其发出平行纤维苔状纤维攀缘纤维浦肯野细胞轴突节选自 Kandel (2013) Principles of Neuroscience (p965)

18 平行纤维粤港澳中枢神经再生研究院 6.14 小脑神经元环路源自脑干下橄榄核的攀缘纤维和源自苔状纤维 - 颗粒细胞的平行纤维, 兴奋性支配浦肯野神经元高尔基细胞篮状 / 星形细胞浦肯野细胞篮状和星形细胞和浦肯野细胞的胞体 / 树突形成抑制性突触连接颗粒细胞浦肯野细胞整合输入信号, 抑制下游小脑深部核团 ( 向外部投射 ) 苔状纤维攀缘纤维小脑深部核团进一步抑制下橄榄核等核团 ( 负性反馈调节 ) +: 兴奋性传导 - : 抑制性传导小脑深部核团下橄榄核节选自 Kandel (2013) Principles of Neuroscience (p967)

19 平行纤维颗粒细胞苔状纤维粤港澳中枢神经再生研究院 6.15 兴奋性神经传导浦肯野细胞攀援纤维手腕运动无负荷下精确运动适应负荷运动攀援纤维放电平行纤维发放简单锋电位 (Simple spike); 攀缘纤维发放复杂锋电位 ( Complex spike) 简单锋电位频率高, 时程短, 对应一般性的肌肉运动复杂锋电位频率低, 时程长, 可能和运动学习有关适应后节选自 Kandel (2013) Principles of Neuroscience (p967, p976)

20 粤港澳中枢神经再生研究院 6.16 小脑功能分区前庭小脑脊髓小脑 (Vestibulocerebellum)(Spinocerebellum) 解剖位置绒球小结叶小脑蚓部和半球中间部位皮层小脑 (Cerebrocerebellum) 小脑半球侧段进化历史最古老 ( 鱼类 ) 进化树中出现较晚最晚, 在灵长类中高度发达传入前庭器官视觉脊髓支配的体感信号大脑联络皮质等传出 ( 脑干 ) 前庭核团 ( 丘脑 ) 背侧核皮层和脑干支配下行传导束的核团运动皮质前额叶顶叶皮质等功能平衡前庭反射眼动姿态运动眼动运动规划记忆认知功能备注不经深部核团直接投射, 或通过顶核投射丘脑背侧核经过间核间接投射经过齿状核间接投射

21 粤港澳中枢神经再生研究院 6.17 前庭小脑和眼球运动位置目标视线头部右转头部左转左侧前庭小脑损伤诱发左侧视线移动障碍 ( 向右的移动正常 ) 给光 ( 追踪目标 ) 黑暗中 VOR 功能正常 ( 原因 : 前庭功能正常 ) 黑暗左侧 VOR 抑制异常, 右侧正常凝视给光条件下, 头部右转时的眼动正常 ( 追踪目标物体抑制 VOR) ; 头部左转时, 由于左侧前庭小脑损伤, 眼球无法正常注视目标 (VOR 无法被抑制 ) 眼跳平滑移动眼球位置两侧转头下正常前庭 - 眼动反射 (VOR) 节选自 Kandel (2013) Principles of Neuroscience (p970)

22 粤港澳中枢神经再生研究院 6.18 脊髓 / 皮层小脑和肢体运动初级 / 前运动皮层脊髓小脑接受来自肢体感受传入信号皮层小脑齿状核脊髓小脑红核间核锥体交叉丘脑 ( 腹侧核 ) 脊髓小脑通过间核调控运动下行通路, 包括红核脊髓束皮层脊髓束, 进而调控同侧肢体运动皮层小脑通过脑桥接受皮层输入, 进而通过丘脑背侧核调控运动和前运动皮质红核脊髓束皮质脊髓束肢体肌肉节选自 Kandel (2013) Principles of Neuroscience (p971)

23 间核和齿状核粤港澳中枢神经再生研究院 6.18 脊髓 / 皮层小脑和肢体运动 (cont.) 脊髓小脑和皮层小脑分别支配间核和齿状核核团, 进而投射至下行运动纤维和运动皮层肢体位置对照深部核团不活跃当深部核团损毁后, 恒河猴的上肢运动轨迹和速率, 均出现显著的滞后反应现象小脑和运动的精细控制密切相关速率激动肌 ( 二头肌 ) 拮抗肌 ( 三头肌 ) 节选自 Kandel (2013) Principles of Neuroscience (p972)

24 粤港澳中枢神经再生研究院 6.19 小脑和运动学习长时程抑制 (Long-term depression,ltd) 是小脑皮层运动学习的主要电生理学机制颗粒细胞苔状纤维浦肯野细胞攀缘纤维可通过实验中双重刺激平行纤维 (PF) 和攀缘纤维 (CF), 并记录浦肯野细胞兴奋性突触后电位 (EPSP) 分析训练测试下橄榄核浦肯野细胞中源自平行纤维 EPSP 记录支配同一浦肯野细胞的 CF 和 PF 反复刺激, 可导致 EPSP 幅度下降适应训练前测试训练后节选自 Kandel (2013) Principles of Neuroscience (p976)

25 尾状核壳核粤港澳中枢神经再生研究院 6.20 基底节的核团组成基底节主要由纹状体 (striatum ) 黑质 (substantia nigra) 苍白球 (globus pallidus) 和丘脑底核 (subthalamic nucleus) 四大核团构成丘脑内囊尾状核壳核苍白球基底节丘脑底核其中纹状体被内囊进一步分割为尾状核 (caudate nucleus) 和壳核 (putamen) 纹状体是基底节主要的信号传入结构, 接受皮层脑干和丘脑的投射基底节主要投射至丘脑和脑干黑质节选自 Kandel (2013) Principles of Neuroscience (p983)

26 外源黑质致密部皮质丘脑多巴胺粤港澳中枢神经再生研究院 6.21 纹状体神经元的输入信号支配谷氨酸纹状体棘状神经元 (medium spiny neuron, MSN) 树突接受来自皮层的谷氨酸能和来自黑质致密部的多巴胺能输入信号可调控皮层输入信号强度, 以及纹状体本身学习记忆强化内源大中间神经元其它神经元乙酰胆碱丘脑对 MSN 产生兴奋性谷氨酸能连接 MSN 本身接受纹状体内胆碱能和 GABA 能中间神经元调节节选自 Kandel (2013) Principles of Neuroscience (p985)

27 粤港澳中枢神经再生研究院 6.22 基底节 - 丘脑皮质环路皮质传入信号进入纹状体 ( 壳核 ) 和丘脑底核丘脑自黑质致密部内苍白球外苍白球壳核壳核经过直接和间接 ( 通过外苍白球 ) 通路投射至内苍白球基底节传出信号投射至丘脑核团 ( 包括中央中核束旁核腹前核和腹侧核 ) 以及脚桥核丘脑核团进一步投射至皮质丘脑底核脚桥核脊髓红色 : 兴奋性连接灰色 : 抑制性连接节选自 Kandel (2013) Principles of Neuroscience (p984)

28 粤港澳中枢神经再生研究院 6.23 基底节 - 丘脑皮质环路运动眼动运动实行 / 联络情感 / 意图皮层壳核尾状核尾状核腹侧纹状体纹状体苍白球黑质丘脑节选自 Kandel (2013) Principles of Neuroscience (p987)

中多巴胺能神经元退行性病变, 引发核团异常活动内苍白球丘脑底核或内苍白球的高频电刺激缓解运动障碍正常人无症状 PD 病人发病后黑质网状部

29 外苍白球对照组粤港澳中枢神经再生研究院补充材料 : 帕金森症 (PD) PD 组帕金森症 (Parkinson s disease, PD) 表现为步态不稳, 肢体震颤, 精细运动受限抑郁焦虑等丘脑底核病理机制主要为基底节 ( 包括丘脑底核内苍白球和黑质 ) 中多巴胺能神经元退行性病变, 引发核团异常活动内苍白球丘脑底核或内苍白球的高频电刺激缓解运动障碍正常人无症状 PD 病人发病后黑质网状部节选自 Kandel (2013) Principles of Neuroscience (p993, p994) 18-DOPA 标记的 PET 示 PD 病人多巴胺能神经元退化

30 粤港澳中枢神经再生研究院七自主神经系统自主神经系统的组成交感和副交感系统肠道神经系统自主神经功能调节

31 粤港澳中枢神经再生研究院 7.1 自主神经系统的组成脑干和脊髓交感和副交感神经节效应细胞自主神经系统可以分为交感副交感和肠道神经系统平滑肌交感和副交感系统是由源自脑干和脊髓的节前神经元, 通过乙酰胆碱递质, 支配位于周围神经系统的交感 / 副交感细胞节内的节后神经元分泌腺节后神经元进而调控效应器, 包括平滑肌心肌和分泌腺等节前神经元节后神经元心肌节选自 Kandel (2013) Principles of Neuroscience (p1058)

32 中脑桥脑延髓皮肤竖毛肌汗腺横纹肌汗腺动脉交感粤港澳中枢神经再生研究院 7.2 交感和副交感神经系统眼泪腺唾液腺颈上神经节颈中神经节星状神经节腹腔神经节支气管脾脏肾肾上腺髓质肝脏睫状神经节翼腭 / 颌下神经节胃耳神经节心脏胆囊胰腺小肠食道和肺副交感大肠肛门动眼面舌咽迷走颅神经颈椎胸椎腰椎交感系统的节前神经元包括脊髓胸椎到腰椎 (T1-L3) 的连续节段副交感系统包括四对颅神经 : 发源于中脑的动眼 (III) 和发源于延髓的面 (VII) 舌咽(IX) 和迷走 (X); 以及起源于脊髓骶椎 (S2-S4) 的节前神经元交感系统通过调节多个靶器官 ( 血管心脏腺体等 ) 调节生理功能如血压体温 ( 远端调节 ) 副交感神经节支配单一的近端靶器官, 除颌面部外不涉及皮肤交感神经链肠系膜上 / 下神经节膀胱生殖器盆神经和盆神经节节选自 Kandel (2013) Principles of Neuroscience (p1059) 骶椎交感 / 副交感系统只包括运动神经元 ( 传出通路 ), 无感觉通路

环形平滑肌肠道神经系统还调节局部血流同时接受交感 / 副交感神经支配肠道神经系统具备感觉中间和运动神经元 - 自治性小动脉

33 口端至椎前交感神经节粤港澳中枢神经再生研究院 7.3 肠道神经系统交感 / 副交感传入肛端肠肌神经丛调控胃肠道平滑肌运动, 粘膜下神经丛调控粘膜分泌功能纵行平滑肌肠肌神经丛环形平滑肌肠道神经系统还调节局部血流同时接受交感 / 副交感神经支配肠道神经系统具备感觉中间和运动神经元 - 自治性小动脉粘膜下神经丛感觉神经元中间神经元外部传入 / 传出神经肠肌神经丛粘膜运动神经元肠道内分泌细胞节选自 Kandel (2013) Principles of Neuroscience (p1062) 粘膜下神经丛粘膜深肌神经丛

34 腹下神经粤港澳中枢神经再生研究院 7.4 自主神经功能 : 排尿反射肠系膜下交感神经节至桥脑排尿中枢和 PAG 脊髓腰段膀胱低容量时, 感觉神经低兴奋度只能激活脊髓节前神经元, 通过肠系膜下交感神经元, 诱发交感神经兴奋, 导致尿道收缩外括约肌关闭, 阻止排尿膀胱平滑肌盆神经逼尿肌膀胱副交感神经节背根神经节骶椎副交感核脊髓骶段当膀胱扩张达到阈值时, 高度兴奋的感觉信号传导至桥脑排尿中枢, 此处核团下行兴奋副交感通路, 同时抑制交感通路, 引起膀胱排空, 外括约肌舒张, 诱发排尿尿道盆神经外括约肌外阴神经节选自 Kandel (2013) Principles of Neuroscience (p1068)

尾腹侧延髓外周血管阻力设定值心脏动脉头腹侧延髓星状神经节椎旁交感神经节脊椎节前交感细胞血压主要通过颈动脉窦感受, 传入延髓中枢

35 粤港澳中枢神经再生研究院 7.5 自主神经功能 : 血压调节血管收缩下行通路血压压力感受器激活结状神经节内压力感受神经元孤束核心输出血管收缩下行通路颈动脉窦尾腹侧延髓外周血管阻力设定值心脏动脉头腹侧延髓星状神经节椎旁交感神经节脊椎节前交感细胞血压主要通过颈动脉窦感受, 传入延髓中枢交感神经增加心输出 ( 提高心率和收缩 ), 并引起外周动脉收缩, 从而升高血压延髓内中间神经元抑制交感神经兴奋度副交感神经抑制心输出, 拮抗交感神经功能节选自 Kandel (2013) Principles of Neuroscience (p1070)

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幻灯片 1 Peripheral Nervous System The Visceral Nerve 内脏神经 Ling Shucai Introduction Place of the PNS in the structural organization of the nervous system Comparision of the somatic and autonomic nervous system.