¿Cómo controla el cerebro la precisión del movimiento de nuestra parte del cuerpo?

Esto puede ser un poco más complicado de lo que esperabas, así que espera. Tu cerebro es bastante complicado con muchas partes diferentes e incluso simplificarlo se vuelve confuso. Este va a ser largo, ya que solicitaste el mecanismo de movimiento del cerebro (que es más complejo de lo que crees)

Trataré de encontrar un terreno común que lo haga comprensible y preciso. Se trata del control voluntario que el cerebro ejerce sobre los músculos, se excluyen los movimientos como los reflejos.

Iniciando un movimiento

Lo primero que necesitamos es saber cómo se inicia el movimiento. Esto no es tan fácil como enviar un mensaje desde el cerebro al músculo para hacerlo “mover” . Los mensajes se originan en la corteza, la capa externa del cerebro. Estos necesitan ir a los músculos, pero hacen una pequeña parada primero. Si cada mensaje fuera enviado a tus músculos, no podrías funcionar. Esta parada ocurre en los ganglios basales. Este es un sistema complicado que selecciona qué “instrucciones” serán ejecutadas y cuáles inhibidas. La razón de un movimiento puede ser muchas cosas, el objetivo específico no es importante en este momento.

Las áreas importantes en los ganglios basales son las que se muestran a continuación. Retendré demasiados detalles solo en las descripciones generales. Hay más estructuras que pueden o no ser parte de los ganglios basales, pero sigamos con estos.

Striatum: el striatum es un nombre colectivo para varias estructuras. La parte dorsal (parte superior) se divide en el núcleo caudado y el putamen. La parte ventral (parte inferior) se divide en el núcleo accumbens y el tubérculo olfatorio .

Globus Pallidus : Globus Pallidus se divide en dos partes, el globo pálido interno y externo. Tiene un rol importante en el movimiento voluntario.

Substrantia Nigra : Esto se traduce en “sustancia negra” y se llama así porque es literalmente más oscuro que el resto. La razón del aspecto oscuro son los altos niveles de neuromelanina que se encuentran en las neuronas dopaminérgicas (neuronas que producen dopamina). La sustancia negra también tiene dos partes: la pars compacta y la pars reticularis. La subestación nigra juega un papel importante en el movimiento, la motivación y las respuestas de aprendizaje a los estímulos.

Thalamus : este es un verdadero maestro de la multitarea. El tálamo es un centro de información que recibe y transmite información. Principalmente transmite información entre las áreas subcorticales y la corteza y, en particular, retransmite la información sensorial a las áreas de asociación relevantes.

Estos tienen una anatomía compleja, por lo que, en aras de la claridad, los reorganizaré un poco para obtener una imagen más clara.

Comenzamos en la corteza . Esto está conectado al estriado a través de un neurotransmisor excitatorio (actividad creciente) llamado glutamato (con la ayuda de aspartato ). Entonces las señales de la corteza aumentan la actividad del Striatum. El Striatum luego se divide en dos vías a través de proyecciones inhibitorias (actividad decreciente). Existe la vía directa y la vía indirecta .

Camino directo

En la vía directa, el aumento de la actividad en el cuerpo estriado provoca una inhibición de la Sustancia Nigra Pars Reticularis (SNr) y Globus Pallidus Interna (GPi) . Normalmente, estos dos inhiben al Tálamo , pero debido a que ellos mismos están inhibidos (por el Estriado), el Tálamo es liberado (desinhibido). Por lo tanto, un aumento en el cuerpo estriado da como resultado un aumento en el tálamo mediante la desinhibición. El tálamo es libre de enviar sus señales de vuelta a la corteza, que envía la señal al tronco encefálico y, finalmente, a los músculos.

¿Por qué de esta manera y no solo dos conexiones excitatorias? Eso es por el ruido blanco. El cerebro puede ser bastante ruidoso, y para que dos señales excitativas se eleven por encima de ellas, deben ser mucho más altas. Dos conexiones inhibidoras no tienen este problema, es más fácil desconectar el freno que pisar el acelerador.

Camino Indirecto

Una vez más comenzamos en el Striatum con mayor actividad, pero esta vez seguimos un camino diferente. En el Camino Indirecto, el Striatum inhibe el Globus Pallidus Externa (GPe) . El GPe inhibe constantemente el Núcleo Subtalamico (STN) , esta inhibición se libera cuando el GPe mismo se inhibe, por lo que aquí también tenemos una desinhibición. El STN es libre de enviar señales de excitación a la combinación SNr-GPi. Esta vez, estos dos tienen su actividad aumentada, por lo que su inhibición del Tálamo permanece. En lugar de liberar el gas, el camino indirecto se cierra aún más fuerte en el freno.

Modulación de las vías

Estas dos vías parecen estar en desacuerdo, con ambas cosas estás bastante atrapado, ¿verdad? Sí, sí lo eres. Afortunadamente tenemos otro componente, uno que modula los dos. La Sustancia Nigra pars compacta (SNc) envía dopamina al Striatum. La dopamina se puede unir a dos receptores: los receptores D1 y D2. Los receptores D1 estimulan las neuronas GABAérgicas, inclinando las escalas hacia la vía directa. De modo que más receptores D1 que estimulan la dopamina significan más movimiento. Las neuronas GABA que controlan la vía indirecta responden en cambio a la acetilcolina y al glutamato. Los receptores D2 disminuyen las neuronas GABAérgicas de la vía indirecta, aliviando el efecto y evitando la inhibición total del movimiento.

Por lo tanto, a través del movimiento de la dopamina se controla, manteniendo un equilibrio sensible entre la excitación y la inhibición del movimiento. Ni mucho ni poquito. Ensuciar esto es una mala noticia, vemos esto en el Parkinson y la enfermedad de Huntington.

En la enfermedad de Parkinson no hay suficiente dopamina debido al daño en la Sustancia Nigra. Esto significa que la vía directa no puede iniciar el movimiento y la vía indirecta está fuera de control e inhibe el movimiento en todo el lugar.

En la enfermedad de Huntington hay daño en la actividad de desplazamiento del estriado hacia la vía directa y la prevención del funcionamiento indirecto de la vía. Esto resulta en el opuesto al Parkinson, la incapacidad de evitar movimientos involuntarios

Más bucles, más problemas

Ahora las cosas se complican aún más, ya que el sistema de arriba se puede usar de diferentes maneras usando áreas ligeramente diferentes. Hay un bucle de motor para el control del motor (obviamente), un bucle oculomotor para el movimiento de los ojos, un bucle prefrontal para la planificación / memoria de trabajo / atención, y un bucle límbico para el comportamiento / motivación emocional. Diferentes libros usan diferentes nombres y algunos agrupan el motor y el circuito oculomotor juntos, así es como me enseñaron. Estos bucles pueden funcionar simultáneamente (paralelos entre sí).

En lugar de entrar en detalles sobre las diferencias y similitudes específicas de los bucles funcionales, un ejemplo podría ser mejor. Digamos que quieres tocar un globo de cristal (para ver si es agradable y suave):

• El Limbic Loop juega su parte en la decisión de moverse debido a la activación causada por su deseo de ver si realmente es un cristal liso (motivación).
• El bucle prefrontal forma un plan de movimiento: el cómo, el dónde y el cuándo de su alcance y tal vez agarrar.
• Los bucles oculomotor y motor desempeñan un papel en la ejecución y programación del comportamiento para alcanzar el objetivo: por lo tanto, el movimiento de los ojos, los brazos y las manos para atrapar ese globo de cristal.

Desde el cerebro por la columna vertebral

Ok, ya casi llegamos. Las instrucciones han recorrido todas las áreas y han alcanzado la corteza una vez más. Aquí tenemos dos vías: las vías laterales o piramidales para el movimiento voluntario y las vías ventromediales o extrapiramidales para movimientos inconscientes como la postura.

Vías laterales / Tractos piramidales

El más importante es el Tracto Corticoespinal que inerva los músculos del cuerpo. Las neuronas de un lado controlan los músculos del otro lado. Comenzamos en la neocorteza, alrededor del 66% de la corteza motora y el 33% somatosensorial.

• Los axones se mueven a través de la capsula interna y continúan a través del pendulo cerebral (una gran colección en el mesencéfalo).
• Luego se mueven a través de la protuberancia y se unen para formar un tracto en la base de la médula. El tracto forma la pirámide medular, a causa de la forma piramidal.
• En la transición de la médula a la columna, la mayoría cruza al otro lado, por lo que el lado izquierdo controla el derecho y viceversa.
• En la columna lateral de la columna vertebral ahora tenemos un buen tracto corticoespinal que llega hasta los cuernos ventrales. Aquí se conectan a motores e interneuronas que controlan los músculos.

El segundo es el Tracto Corticobulbar que controla los músculos de la cabeza y el cuello. Las neuronas controlan los músculos de ambos lados. Comenzamos de nuevo en la corteza motora.

• Axones decentes a través de la cápsula interna y hacia el cerebro medio hasta los péndulos.
• El Tracto Corticobulbar sale a diferentes niveles de los elementos del cerebro para conectarse a las neuronas motoras inferiores de los nervios craneales.
• el tracto corticobulbar no se mueve completamente hacia el otro lado del cuerpo, sino que se divide en dos inervando ambos lados de los músculos de la cabeza.

Vías ventromediales / Tractos extrapiramidales

Hay cuatro vías ventromediales que se originan en el tallo cerebral y terminan en interneuronas espinales conectadas a los músculos. El sistema extrapiramidal está preocupado por la modulación y regulación del movimiento. Los tractos que se muestran a continuación se ven afectados por varias otras estructuras, como la vía Nigrostriatal, los ganglios basales y el cerebelo. El cerebelo en particular es importante para suavizar los movimientos finos (el alcohol afecta el cerebelo, de ahí el problema de tocarse la nariz). El cerebelo no inicia ni inhibe el movimiento, es más un modulador que usa información sensorial para hacer pequeños ajustes a los movimientos. Más información en profundidad sobre el cerebelo aquí: Cerebelo .

• El tracto rubroespinal todavía es un misterio, pero se cree que está involucrado en el control motor fino de los movimientos de las manos.
• Núcleo rojo → Cambia al otro lado del mesencéfalo → Desciende al tegmento lateral → a través del funículo lateral de la médula espinal (a lo largo del tracto corticoespinal).
• Los Tractos vestibuloespinales equilibran la cabeza y los hombros cuando nos movemos y si hay un estímulo que llama su atención. Mantiene una postura erguida y equilibrada. El cerebelo también inerva los Núcleos Vestibulares, ayudando en la coordinación de la postura.
• Núcleos vestibulares (entrada de los órganos de equilibrio) → permanece ipsilateral (no se cruza) → Abajo a través de la región lumbar de la médula espinal
• Los Tractos Tectoespinales Laterales forman un mapa del mundo que nos rodea y se encarga de orientar las respuestas, como girar rápidamente cuando ve algo en su periférico. El tracto tectoespinal coordina así los movimientos de la cabeza en relación con los estímulos visuales.
• Colículo superior (recibe entrada de los nervios ópticos) → Cambia de lado y entra en la médula espinal → termina en los niveles cervicales
• Los tractos reticuloespinales Pontine contrarrestan los efectos de la gravedad, manteniendo su postura y manteniéndola erguida. Esto se hace excitando los músculos extensores y aumentando el tono muscular. Es un facilitador de los movimientos voluntarios.
• Núcleo reticular pontino caudal y oral (en la protuberancia) → Lamina VII y VIII de la médula espinal
• Los tractos reticuloespinales medulares hacen lo contrario y liberan los músculos del control reflejo, inhiben los movimientos voluntarios y reducen el tono muscular.
• Formación reticular medular (en la médula del núcleo gigantocelular) → Lamina VII y IX de la médula espinal

De la neurona al músculo

Independientemente de la ruta tomada, ahora tenemos una señal que viajó desde el cerebro a través de la columna vertebral y algunos nervios. Esta señal todavía necesita activar los músculos. Los músculos se controlan usando unidades motoras, que se componen de una neurona motora superior e inferior. Los tractos anteriores son las neuronas motoras superiores, que es la neurona que envía la señal desde el cerebro.

Las neuronas motoras superiores se conectan a las neuronas motoras inferiores, que a su vez se conectan al músculo.

Tus músculos son básicamente fibras dentro de las fibras dentro de las fibras. Cuando llegamos al nivel más pequeño tenemos Sarcomeres que se componen de secciones divididas por líneas Z. Entre las líneas Z tenemos dos filamentos, actina y miosina . La actina es un filamento largo y delgado unido a la línea Z. La miosina es un filamento grueso adherido al medio llamado línea M. Lo que sucederá es que la miosina va a tirar de la actina, haciendo que las líneas Z se contraigan hacia la línea M. Si muchas de estas fibras pequeñas hacen esto al mismo tiempo, las estructuras más grandes seguirán, haciendo que todo el músculo se contraiga. Esto se llama Modelo de Contracción de Filamento Deslizante .

Si hacemos zoon en un solo par de actina y miosina se ve un poco como esto. Cuando sus músculos están en reposo, la miosina y la actina no se tocan, pero tienen una gran afinidad (realmente quieren tocar). Tocarían si no fuera por dos proteínas (tropomiosina y troponina) unidas al filamento de Actina.

Nos alejamos un poco ahora, ya que todavía tenemos una neurona esperando.

• La neurona motora inferior envía un potencial de acción que libera acetilcolina en la sinapsis, causando un influjo de sodio que altera el voltaje y propaga la señal.
• El potencial de acción ahora está dentro del músculo, ya no en la neurona. A medida que el potencial de acción se abre paso a lo largo de las células musculares, golpea el Sarcolemma.
• El sarcolema tiene tubos que se adentran en la célula (túbulos T). Estos tubos conducen el potencial de acción hacia los sarcómeros.
• El retículo sarcoplásmico que recubre los sarcómeros bombea calcio constantemente fuera de la célula (estas bombas usan ATP como energía). También está revestido con canales de calcio regulados por voltaje que aún están cerrados.
• Cuando los T-Tubules proporcionan un potencial de acción, los canales de Calcio de Voltage Gated se abren y causan una afluencia de calcio a la célula.

El calcio ahora desencadena las dos proteínas que rodean la actina. El calcio se une a la troponina y hace que cambie de forma (como lo hacen las proteínas cuando se unen). La troponina tira hacia la tropomiosina, exponiendo los filamentos que actúan.

La miosina ahora es libre de unirse a los sitios expuestos de Actin. Pero no puede hacer esto solo, no, solo la miosina que tomó algo de ATP y lo descompuso en ADP y Fosfato puede. Esta miosina “cargada” se extiende a una posición extendida. Aquí se mantiene, sosteniendo ADP + fosfato como una pistola cargada.

1. Ahora que la Actina está expuesta y la miosina está cebada y lista, libera su energía y dispara hacia la Actina. Cambia de forma nuevamente tirando de la actuación, deslizándola hacia adentro.
2. Con la bala disparada, toda la energía que obtuvo de la separación de ATP en ADP y fosfato se ha agotado y liberó los compuestos divididos nuevamente en la célula (la liberación ocurre porque la miosina cambió su forma y en este estado ya no tiene una fuerte afinidad para ellos). Aquí serán reutilizados y convertidos nuevamente en ATP por las mitocondrias.
3. En este estado, la miosina tiene una alta afinidad por el ATP, lo que lleva a la unión del ATP nuevamente. Esta unión provoca otro cambio de forma que libera miosina de la actina. Esto restablece la miosina a su estado preparado y preparado. Puede disparar nuevamente y extraer la actina un poco más.

La miosina, por lo tanto, tira de la actina, tirando de las dos líneas Z hacia la mitad y el sarcómero se contrae. Mientras tanto: las bombas de calcio del retículo sarcoplásmico están ocupadas bombeando calcio, por lo que finalmente se desvincula de calcio de la troponina. Esto restablece la protección y hace que la actina se vuelva inaccesible a la miosina. Ahora que la diversión ha terminado, la miosina ya no puede unirse a la actina y el ciclo comienza de nuevo cuando se produce un potencial de acción.

Ahí lo tienes, la vía completa de movimiento desde el cerebro hasta el músculo (en una versión muy corta y condensada). Se ha realizado un plan de movimiento, esto puede ser para grandes movimientos como caminar o movimientos finos como tocar suavemente algo. Esto pasa a través de muchas estructuras, algunos tractos motores, recibe algo de ayuda del cerebelo y de tus sentidos, y luego termina en tu torso, brazo, mano y dedo donde los músculos se mueven para que todo suceda.

Las fuentes importantes y convenientes son:

Mancall, EL, y Brock, DG (2011). La neuroanatomía clínica de Gray: la base anatómica para la neurociencia clínica . Elsevier Ciencias de la Salud.

Middleton, FA, & Strick, PL (2000). Ganglios basales y asas cerebelosas: circuitos motores y cognitivos. Reseñas de investigaciones cerebrales , 31 (2), 236-250.

Lanciego, JL, Luquin, N., y Obeso, JA (2012). Neuroanatomía funcional de los ganglios basales. Perspectivas de Cold Spring Harbor en Medicine , 2 (12), a009621. http://doi.org/10.1101/cshperspe…

Knierim, J. (nd). Neurociencia en línea: Cerebelo (Sección 3, Capítulo 5). Obtenido de Cerebellum (Sección 3, Capítulo 5) Neuroscience Online: un libro de texto electrónico para las neurociencias

Muscle Cells: Crash Course A & P # 21: https://www.youtube.com/watch?v=…

Y mi propio resumen de los cursos sobre el cerebro y la interacción con el medio ambiente. El resumen es una mezcla de artículos, libros, conferencias, charlas y discusiones grupales. Lo siento, no hay una fuente en línea para eso.