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Kapitel 13-1 Spinal Control of Movement
Spinal Control of Movement
Anmerkung: Wichtige Begriffe und Fachbegriffe sind kursiv dargestellt.

Einleitung
Das motor system (Motorisches System) umfasst alle Muskeln und die Nerven,
welche sie kontrollieren. Es koordiniert über 700 Muskeln und deren verschiedene
Kombinationen. Im Rückenmark gibt es eine Vielzahl von Verschaltungen, die für die
koordinierte Kontrolle von Bewegungen zuständig ist, insbesondere für
stereotypisierte (sich wiederholende) Bewegungen, welche mit Fortbewegung zutun
haben. Das Rückenmark enthält auch viele motor programs (Motorische Programme)
für die Erzeugung von koordinierten Bewegungen. All diese Programme werden
durch Kommandos des Gehirns abgerufen, ausgeführt und modifiziert.
Motorische Kontrolle kann in zwei Systeme untergliedert werden:
    (1) Das Rückenmark, welches Befehle anordnet und die Koordination von
        Muskelkontraktionen kontrolliert
    (2) Das Gehirn, welches Befehle anordnet und die Motorischen Programme im
        Rückenmark kontrolliert

 The Somatic Motor System
Es gibt zwei Kategorien von Muskeln:
Smooth Muscle (Glatter Muskel)
       Umfasst den Verdauungstrakt, Arterien und ähnliche Strukturen und ist durch
       das Autonome Nervensystem angeregt. Spielt eine Rolle bei der Peristaltik
       (die Fortbewegung von Material durch die Innereien) und die Kontrolle von
       Blutdruck und Blutfluss
Striated Muscle (Quergestreifter Muskel)
       Zwei Typen vorhanden:
       #Cardiac Muscle (Herzmuskel): Kontraktiert rhythmisch, auch wenn keine
       Innervation (hier: Beschleunigung und Verlangsamung der Herzrate durch das
       ANS) vorhanden ist.
       #Skeletal Muscle (Skelettmuskel): Bewegt Knochen um Gelenke, ermöglicht
       Augenbewegungen, kontrolliert Atmung und Gesichtsausdruck und die
       Produktion von Sprache. Jeder Skelettmuskel ist in eine zusammenhängende
       Gewebeumhüllung gebunden und formt im Endeffekt eine Sehne. In einem
       Muskel gibt es Hunderte von muscle fibers (Muskelfibrillen). Jede Fibrille wird
       von einem einzelnen Axon angeregt, welches dem CNS entspringt.
Die Skelettmuskeln und die Bereiche des Nervensystems, welche sie kontrollieren
nennt man somatic motor system.

Bewegungen, wie z.B. das Schließen einer Hand, wird Flexion genannt.
Bewegungen, wie beim öffnen einer Hand, heißen Extension.
Flexors (Flexoren; Muskeln, die für die Flexion zuständig sind): Der Hauptmuskel,
der für Flexion zuständig ist, ist der Brachialis, dessen Sehnen auf der einen Seite in
den Humerus und auf der anderen Seite in den Ulna übergehen. Biceps Brachii und
Coracobrachialis (liegt unter dem Biceps) sind die anderen beiden Muskeln, die
benötigt werden.
Extensors (Extensoren; Muskeln, die für die Extension verantwortlich sind): Die
beiden Muskeln sind Triceps Brachii und Anconeus.
Durch das Zusammenspiel verschiedener Muskeln, werden diese auch als synergists
bezeichnet. Muskeln können sich nur zusammenziehen und sich nicht
außeinanderdrücken. Flexors und Extrensors ziehen sich in verschiedene
Richtungen zusammen und sind deshalb Antagonists (Antagonisten). Muskeln
arbeiten effektiv wenn die Kontraktion von Flexoren mit dem Ausruhen von
Extensoren einhergeht und umgekehrt.




Axial Muscles (Achsen-Muskeln): Für Bewegungen der Rumpfes zuständig, für das
aufrechterhalten der Körperhaltung
Proximal Muscles (etwa: rumpfnahe Muskeln): Für Bewegungen von Schulter,
Ellenbogen, Becken und Knie, für die Fortbewegung
Distal Muscles (etwa: rumpfferne Muskeln): Für Bewegungen von Händen, Füßen,
digits (Zehen und Fingern), für die Manipulation von Objekten

The Lower Motor Neuron
Somatic Motor Neurons befinden sich im Rückenmark im ventral horn (siehe
Abbildung). Nur diese Neuronen befehlen direkt die Muskelkontraktionen.

                                                  Die Segmentielle
                                                  Organisation der Lower
                                                  Motor Neurons
                                                  Die Axone der Lower Motor
                                                  Neurons bilden zusammen
                                                  ventral roots (vorderseitigen
                                                  Wurzeln) welche sich mit den
                                                  dorsal roots (etwa: rückseitigen
                                                  Wurzeln) zu einem Spinalnerv.
                                                  Es gibt so viele Spinalnerven
                                                  wie Rückenwirbel, d.h. 30 auf
                                                  jeder Seite. Sie beinhalten
                                                  sowohl sensorische als auch
                                                  motorische Fasern und werden
                                                  deshalb mixed spinal nerves
                                                  genannt. Motor neurons die
                                                  Fasern für einen Spinalen Nerv
                                                  enthalten, werden nach den
Rückenwirbeln
                                                                 benannt, aus dem
                                                                 sie entspringen.
                                                                 Cervical (C) 1-8
                                                                 Thoracic (T) 1-12
                                                                 Lumbar (1) 1-5
                                                                 Sacral (S) 1-5

                                                                 Die
                                                                 Skelettmuskeln
                                                                 und ihre lower
                                                                 motor neurons
                                                                 sind im Körper
                                                                 nicht gleichmäßig
                                                                 verteilt. Z.B.
                                                                 werden mehr als
                                                                 50 Muskeln für die
                                                                 Armbewegungen
                                                                 im Segment C3-
                                                                 T1 benötigt. An
                                                                 diesen Stellen ist
                                                                 das Rückenmark
                                                                 geschwollen
                                                                 aufgrund der
                                                                 vielen
                                                                 Motorischen
                                                                 Neuronen. (vgl.
                                                                 Beinmuskulatur
                                                                 L1-S3).




Alpha Motor Neurons
Es gibt zwei verschiedene Sorten von lower motor neursons, die Alpha und die
gamma motor neurons. Die Alpha Neuronen sind zuständig für Antriebskraft der
Muskeln und werden deshalb auch Motor Unit genannt. Muskelkontraktion entsteht
durch die kombinierte und individuelle Aktion dieser Neuronen. Ein Motor Neuron
Pool ist der Zusammenschluss von Alpha Neuronen die einen einzigen Muskel
aktivieren.

* Graded Control of Muscle Contraction by Alpha Motor Neurons
Um Muskelkontraktionen zu kontrollieren, wird die Feuerrate der Neuronen variiert.
Ein Alpha Neuron kontrolliert eine Muskelfaser durch das ausschütten des
Neurotransmitters Acetylcolin (ACh) an der neuromuscular junction (Neuromuskuläre
Verbindung). ACh hinterlässt ein exzitatorisches-postsynaptisches Signal (EPSP)
und lässt somit ein Postsynaptisches Aktionspotential entstehen. Dieses Signal löst
im Muskel ein zucken aus, eine schnelle Sequenz zwischen Kontraktion und
Entspannung. Anhaltende Kontraktion versperrt die Fortsetzung von
Aktionspotentiale und hohe präsynaptische Aktivitäten bewirken eine temporelle
Summation der postsynaptischen Antworten. Durch diese hohe Rate an
Aktionspotentialen wird die Spannung in den Muskelfasern erhöht und die
Kontraktion flüssiger (siehe Abb.)


                                        Ein weiterer Weg, wie das CNS die
                                        Muskelkontraktionen beeinflusst, ist, mehrere
                                        mitwirkende Motor Units zu gebrauchen. Der
                                        Grad der hinzugefügten Spannung hängt
                                        davon ab, wie viele Muskelfasern in dieser
                                        Unit vorhanden sind. In den Muskeln des
                                        Beins z.B. werden mehr als 1000
                                        Muskelfasern in einem Alpha Neuron
                                        kontrolliert. Bei Fingerbewegungen befinden
                                        sich lediglich 3 Muskelfasern in einem Alpha
                                        Neuron. Eine große Anzahl von kleinen Units
                                        bedeutet eine feinere Kontrolle durch das
                                        CNS.
                                        Size Principle: Feine Bewegungen sind
                                        möglich, da bei der Muskelkontraktion
                                        zunächst die kleineren Units aktiviert werden
                                        und erst mit zunehmendem Kraftaufwand
                                        größere Units hinzugezogen werden.


* Inputs to Alpha Motor Neurons
Lower Motor Neurons werden durch synaptische Inputs im ventral horn kontrolliert.
Die drei Hauptaktivierungskräfte:
       1. Dorsal root ganglion cells (Rückenseitige Wurzeln von Nervenknoten)
           aktivieren einen speziellen sensorischen Apparat in den Muskeln, welcher
           als Muskelspindel bezeichnet wird.
       2. Upper Motor Neurons aus dem Motor Cortex und dem Gehirnstamm
       3. Interneurone des Rückenmarks, geben den größten Input und können
           sowohl inhibitorisch als auch exzitatorisch wirken.

Types of Motor Units
Dunkle/Rote Muskelfasern: große Anzahl von Mitochondrien und Enzymen, für
Sauerstoffstoff- Stoffwechselprozesse zuständig. Langsame Kontraktionszeit, aber
viel Ausdauer. In den Antigravitationsmuskeln im Bein zu finden. In slow motor units,
Alpha Motor Neuronen mit geringem Durchmesser, langsame Übertragung, stetige,
niedrigfrequentielle Feuerrate der Aktionspotentiale
Helle/Weiße Muskelfasern: wenige Mitochondrien, hauptsächlich anaoerober
Stoffwechsel. Schnelle Kontraktion, wenig Ausdauer. In Muskeln mit Fluchtreflexen.
In fast motor units, Alpha Motor Neuronen mit großem Durchmesser, schneller
Übertragung, hochfrequentielle Feuerrate der Aktionspotentiale
Jede Motor Unit hat nur Muskeln eines Typs

*Neuromuscular Matchmaking
Frage der Entstehung: Was kam zuerst? Die Muskelfaser oder das Motor Neuron?
Experiment von John Eccles:
Neuronen und Muskeln wurden getrennt und überkreuzt (slow neuron zu fast muscle
und umgekehrt). Der Phänotyp des Muskels veränderte sich, durch die neuen
Neurotranmitter und Proteine, denen er ausgesetzt war.
Experiment von Terje Lomo: Der Muskeltyp konnte allein durch die Veränderung der
Aktionspotentiale geändert werden.
Durch langanhaltende Veränderung der Aktionspotentialrate kann es zu dauerhaften
Änderungen der Muskeln kommen.
Hypertrophy mit übermäßigem Wachstum durch gesteigerte Aktivität wie bei
Bodybuildern
Atrophy bei Inaktivität mit Degeneration der Muskelfasern

Excitation-Contraction Coupling
Bei der Aktivierung von Muskeln, durch das EPSP entsteht das excitation-contraction
coupling. Das Aktionspotential (excitation) führt zur Ausschüttung von Ca²+ im innern
der Muskelfaser, was zur Kontraktion führt. Wenn das CA²+ wieder in die
entsprechenden Zellorganellen aufgenommen wird, kommt es zur Entspannung der
Muskel

                                              * Muscle Fiber Structure
                                              Muskel Vorgänger fusionieren in der
                                              fötalen Phase, was dazu führt, dass
                                              sie mehrere Nuclei haben
                                              (multinuleated). Muskelfasern sind mit
                                              einer leicht erregbaren Membran
                                              umzogen, der sarcolemma. In der
                                              Muskelfaser sind zylinderförmige
                                              Strukturen, die sich myofibrils nennen
                                              und bei einem Aktionspotential in der
                                              sarcolemma entlangfegen. Sie werden
                                              von dem sarcoplasmic reticulum (SR)
                                              umschlossen und lagern CA²+. Wenn
                                              ein Aktionspotential an der
                                              Sacrolemma entlang fließt, gelangt es
                                              durch die T tubules ins Zellinnere. An
                                              bestimmten Stellen, wo sich die T
                                              tubules nah am SR liegen, kommt es
                                              zu einer Verbindung der beiden
                                              Membranen. Eine
                                              spannungsempfindliches Cluster,
bestehend aus vier Kalcium Kanälen (tetrad), verbindet sich mit dem calcium release
channels des SR. Wird dies von einem Aktionspotential erreicht, wird Calcium an die
Myoribrils gelassen und es kommt zur Kontraktion.

* The Molecular Basis of Muscle Contraction
Durch die Z lines warden die myofibrils in Segmente unterteilt. Ein Segment besteht
aus zwei Z lines und einem sacromere (myofibril zwischen den Z lines). An den Z
lines sind eine Serie von Borsten angebracht, die dünnen Filamente (thin filaments).
Die gegenüberliegenden Filamente berühren sich nicht. Zwischen den dünnen
Filamenten gibt es die Dicken Filamente (thick filaments), an denen die dünnen
Filamente während einer Muskelkontraktion entlang gleiten, befinden sich zwischen
den dünnen Filamenten. Das sacromere wird somit kürzer.
Muskelkontraktion ist aufgrund der Proteine in den Filamenten möglich. Das Myosin
der Dicken Filamente bindet mit dem Actin der dünnen Filamente und führt so eine
Strukturänderung mit durch wobei sich der Muskel zusammenzieht. Durch ATP wird
diese Bindung wieder gelöst und es kann zu einer neuen Muskelkontraktion
kommen.
Befindet sich der Muskel im Ruhezustand, wird die Bindestelle für das Myosin am
Actin durch ein Protein namens Troponin blockiert. Ca²+ bindet an das Troponin und
gibt somit den Rezeptor frei.




Zusammenfassend:

Excitation:
Ein Aktionspotential erscheint im Alpha Motor Neuron     ACh wird durch die
neuromuscular junction zum Muskel geschickt       Rezeptor-Kanäle an der
Sarcolemma öffnen und erzeugen ein EPSP         Spannungsabhängige Kanäle öffnen
sich und das Aktionspotential wird durch die T tubules übertragen   Depolarisation
der T tubules führt zur Ausschüttung von Ca²+ des sarcoplamic retiulum

Contraction:
Ca²+ bindet mit Troponin    Myosin Bindunsstellen werden geöffnet    Myosin bindet
Actin   Strukuturveränderung     Auflösung der Bindung durch ATP
Weiterführung des Zirkels, solange ATP und Ca²+ vorhanden sind

Relaxation:
Wenn das EPSP endet, kehren Sarcolemma und T tubules zu ihren Ruhepotentialen
zurück    Ca²+ wird durch eine ATP-getriebene Pumpe zurück ins SR befördert
Myosin-Bindungsstellen werden wieder mit Troponin umhüllt.
Zusammenfassung: Teil II von Kapitel
                 13:
Spinale Kontrolle motorischer Einheiten
Die neuromuskuläre Endplatte stellt für Störungen eine anfällige Stelle dar. Wie wird die Aktivität der
Motoneuronen selbst gesteuert?

Propriozeption durch Muskelspindeln

Im Inneren der meisten Skelettmuskeln befinden sich Muskelspindeln, die aus unterschiedlichen
Skelettmuskelfasertypen innerhalb der Bindegewebskapsel bestehen. In der Mitte der Kapsel
umgeben besondere Nervenfasern (Typ Ia) die Muskelfasern der Spindel.

Die Spindeln, die auf Dehnung des Muskels und damit auf Längenveränderungen spezialisiert sind
wichtigste Propriorezeptoren informieren Gehirn über Position und Bewegung des eigenen Körpers
im Raum und die relative Stellung der Körperteile zueinander.

Exkurs 13.3. Perspektive

Myasthenia gravis (gr.: schwere Muskelschwäche)

Bei dieser Krankheit ist das freigesetzte Acetylcholin weniger effektiv, sodass die Übertragung an den
neuromuskulären Endplatten oft fehl schlägt. Charakteristisch: Schwächung und Ermüdung der
Skelettmuskeln, allerdings immer große Schwankungen bei Schwere der Muskelschwäche, Häufigkeit
1: 10 000, Autoimmunerkrankung, d.h. Körper produziert Antikörper gegen eigene nicotinische Ach-
Rezeptoren Antikörper binden an Rezeptoren behindern normale Wirkung von Ach auf die
neuromuskulären Endplatten, es kommt dadurch auch zu Strukturveränderungen der Endplatten,




Behandlung: Immunsupression, entweder durch Medikamente oder durch operative Entfernung der
Thymusdrüse.
Typ I Nervenfasern: Axone mit der dicksten Myelinscheide im Körper   Aktionspotenziale leiten sehr
schnell weiter größten und schnellsten sind die Ia-Axone

   -   Gelangen über Hinterwurzel ins Rückenmark, verzweigen sich

   -   Bilden mit Interneuronen und mit alpha-Motoneuronen des Vorderhorns exzitatorische
       Synapsen

   -   Inputs der Ia-Axone sind sehr effektiv

Der Muskeldehnungsreflex

   -   Von Sherrington aufgezeigt Wenn man an Muskel zieht, kontrahiert er
       reflektorisch sensorisches Rückkopplungssignal beim Dehnen (erkannte man durch
       Durchtrennen der Hinterwurzeln

   -   Sherrington vermutete, dass Motoneuronen einen ständigen synaptischen Input von Muskeln
       erhalten müssen

   -   Forschung: wenn Muskel gedehnt wird      Entladungsrate steigt an, wenn Muskel sich verkürzt
       und erschlafft Entladungsrate sinkt

   -   Ia-Axon und Alpha-Motoneuronen bilden einen monosynaptischen Reflexbogen (nur 1
       Synapse trennt den primären sensorischen Eingang vom Ausgang des Motoneurons

   -   Abb. 13.16: wenn an Muskel Gewicht befestigt Muskelspindeln werden
       gedehnt Äquatorialregion der Spindel dehnt sich Öffnung von
       Ionenkanälen Depolarisation der Ia-Faserendigungen Aktionspotenzialladung der Ia-
       Axone depolarisiert die Alpha-Motoneuronen synaptisch Motoneuronen reagieren mit
       gesteigerter Frequenz ihrer Aktionspotenziale Muskel kontrahiert

   -   Bsp.: Patellarsehnenreflex: man klopft auf patellarsehne unterhalb der Kniescheibe   Muskel
       im Oberschenkel gedehnt Kontraktion Streckung des Beines



γ - Motoneuronen
Muskelspindel enthält in Bindegewebskapsel Skelettmuskelfasern = intrafusale Fasern (Vergl.
Extrafusale Fasern liegen außerhalb der Spindel)

   -   Extrafusale Fasern: werden von α- Motoneuronen innerviert

   -   Intrafusale Fasern: werden von γ- Motoneuronen an beiden Enden innerviert Bei
       Aktivierung der Fasern Kontraktion an den Polen der intrafusalen Fasern Zug wird
       ausgeübt auf nichtkontraktile Äquatorialregion Ia Axone bleiben aktiv

   -   Wenn nur α-Motoneuronen aktiviert sind, verringert sich die Aktivität der Ia-Fasern, wenn
       nur die γ-Motoneuronen aktiviert sind, erhöht sich Aktivität der Ia-Fasern.



Rückkopplungskontrollsysteme

   -   Sollwert wird festgelegt (z.B.: die gewünschte Muskellänge) Abweichungen werden von
       einem Sensor wahrgenommen (den Spiralendigungen der Ia-Fasern)

   -   Abweichungen kompensiert ein Effektorsystem (α-Motoneuronen und extrafusale Fasern)
         System kehrt wieder zum Sollwert

   -   Sollwert verändert sich, wenn Änderung der Aktivität der γ-Motoneuronen

   -   γ-Spindelschleife: Regelkreis, γ-Motoneuron    intrafusale Muskelfaser afferente Ia-Faser
       α-Motoneuron extrafusale Muskelfasern

   -   α-γ-Koaktivierung: α-und γ-Motoneuronen werden durch vom Gehirn kommende
       Kommandos gleichzeitig aktiviert

Propriozeption durch die Golgi-Sehnenorgane

Golgi-Sehnenorgan

   -   weiterer Sensor im Skelettmuskel

   -   überwacht die Muskelspannung und Kontraktionskraft

   -   befinden sich am Übergang zwischen Muskel und Sehne

   -   werden von sensorischen Fasern der Klasse Ib innerviert (dünner als die Ia-Fasern)

   -   Unterschied: Muskelspindeln sind parallel zu Muskelfasern angeordnet, Golgi-Sehnenorgane
       aber seriell (hintereinander)

   -      beide Sensoren liefern verschiedenen Information an das Rückenmark

   -   Aktivität der Ia-Fasern übermittel Info über die Muskellänge, Aktivität der Ib-Fasern des
       Golgi-Sehnenorgans Info über die Muskelspannung liefert

   -   Ib-Axone verlaufen ins Rückenmark, verzweigen sich mehrfach und bilden Synapsen mit den
       Interneuronen des Vorderhorns
-   Einige der Interneuronen bilden inhibitorische Verbindungen mit den α-Motoneuronen
       aus, die denselben Muskel innervieren Grundlage für Spinalreflex (Rückenmarksreflex) =
       inverser Dehnungsreflex

   -   Wenn Muskelspannung steigt, verlangsamt sich durch Hemmung der α-Motoneuronen die
       Muskelkontraktion

   -   Wenn Muskelspannung sinkt      Hemmung verringert sich    Muskelkontraktion nimmt zu

   -   Wichtig für feinmotorische Bewegungen, wie z.B.: das Halten einer zerbrechlichen Vase

Propriozeption durch die Gelenke

Neben Muskelspindeln und Golgi-Sehnenorganen Gelenkkapseln und Bänder als weitere
propriorezeptive Axone in den Bindegeweben von Gelenken

   -   Fasern der Gelenkkapseln und Bänder reagieren auf Winkel,-Richtungs,- und
       Geschwindigkeitsveränderungen einer Bewegung im Gelenk

   -   Viele passen sich schnell an Viel Info bezüglich des Gelenks in Bewegung, aber wenig
       Nerve, die Ruheposition des Gelenks vermitteln




   -   Man nimmt an: Infos der Gelenkrezeptoren mit denen der Muskelspindeln und Golgi-
       Sehnenorganen kombiniert (auch mit denen in der Haut)

Spinale Interneuronen

                                    Inhibitorische Inputs

   -   Interneuronen spielen entscheidende Rolle für Ablauf kleinster Reflexe

   -   Dehnungsreflex: um Verlängerung einer Gruppe von Muskeln zu kompensieren, ist
       Kontraktion dieser Beuger über den Dehnungsreflex erforderlich, aber auch eine
       Entspannung der antagonistischen Muskeln, der Extensoren reziproke Hemmung:
       Kontraktion einer Muskelgruppe (Agonisten) geht mit einer Entspannung der Antagonisten
       einher

   -   Bsp.: wie schwer wäre es, etwas hochzuheben, wenn die eigenen antagonistischen Muskeln
       entgegenwirken?
-   Durch reziproke Hemmung überwinden auch die absteigenden Nervenbahnen den
       Dehnungsreflex

                                  Exzitatorische Eingänge

   -   Nicht alle Interneuronen haben hemmende Wirkunng

   -   Bsp.: Beuge-oder Flexorreflex Extremität soll sich von aversiven Reiz zurückziehen
       (Drauftreten einer Reiszwecke) Reflex läuft langsamer ab, als Dehnungsreflex! mehr
       Interneuronen dazwischengeschaltet

   -   Schmerzfasern, die in Rückenmark eintreten, verzweigen sich und aktivieren Interneuronen in
       unterschiedlichen Abschnitten des Rückenmarks

   -   Erregung der α-Motoneuronen, die Beugemuskeln der Extremitäten innervieren

   -   Außerdem: Aktivierung der Streckmuskeln und die Hemmung der Beugemuskeln auf der
       gegenüberliegenden Seite = gekreuzter Streckreflex

   -   Aktivierung der Beugemuskeln auf der einen Seite geht mit einer Hemmung der Flexoren auf
       der gegenüberliegenden Seite einher

   -   Fremdreflexe (Sensoren=Schmerzfasern der Haut und Effektoren=Muskelfasern liegen in
       verschiedenen Organan, meist polysynaptisch verschaltet): Flexorreflex, gekreuzte
       Streckreflex

Erzeugung spinaler Motorprogramme zum Gehen

   -   Grundbaustein: gekreuzter Streckreflex

   -   Beim Gehen wird abwechselnd die eine Beinseite gestreckt, während die andere gebeugt
       wird

   -   Kontrolle der zeitlichen Abfolge im Inneren des Rückenmarks ausgeübt zentrale
       Mustergeneratoren (neuronale Schaltkreise, die rhythmische motorische Aktivitäten
       auslösen)

   -   Einfachsten Mustergeneratoren    einzelne Neuronen

   -   Bsp.: Forschungen von Sten Grillner & Mitarbeitern

          o   Hielt die spinalen zentralen Mustergeneratoren für die Bewegung bei verschiedenen
              Arten für Variationen des Grundplans eines gemeinsamen Vorfahren und
              konzentrierte sich auf die Schwimmmechanismen von Neunaugen (=kieferlose
              Fische)

          o      Rückenmark freigelegt und in vitro gehalten für einige Tage

          o   Durch elektrische Reizung der Axonstümpfe vom Gehirn kann man im Rückenmark
              eine alternierende rhythmische Aktivität auslösen, die dem Schwimmen ähnelt
o   Grillner konnte zeigen, dass es ausreicht, die NMDA-Rezeptoren (=glutamatabhängige
               Ionenkanäle) der spinalen Interneuronen zu aktivieren, um diese Aktivitätsmuster
               hervorzurufen

           o   NMDA-Rezeptoren:

                       ermöglichen stärkeren Stromfluss in die Zelle, wenn die postsynaptische
                       Membran depolarisiert ist

                       lassen sowohl Ca2+, als auch Na+ in die Zelle eintreten

   -   Zyklus, wenn die NMDA-Rezeptoren durch Glutamat aktiviert werden:

1. Depolarisation der Membran

2. Durch die NMDA-Rezeptoren strömen Na+ und Ca2+ in die Zelle

3. Ca2+ aktiviert die Kaliumkanäle

4. K+ strömt aus der Zelle

5. Hyperpolarisation der Membran

6. Einstrom von Ca2+ in die Zelle endet

7. Kaliumkanäle schließen sich

8. Depolarisation der Membran; Zyklus beginnt von vorn

   -   Rhythmik wird durch Kombination aus intrinsischen Schrittmachereigenschaften und
       synaptischen Vernetzungen erzeugt

Abschließende Bemerkungen:

Wahrnehmung und Bewegung sind selbst auf der niedrigsten Ebene des neuronalen motorischen
Systems untrennbar miteinander verbunden. Für eine normale Funktion sind sie α-Motoneuronen
auf eine direkte Rückkopplung von den Muskeln selbst und auf indirekte Informationen von den
Sehnen, Gelenken und von der Haut angewiesen. Das Rückenmark enthält ein komplexes Netzwerk
von Schaltkreisen zur Steuerung der Bewegung.

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Kapitel 13

  • 1. Kapitel 13-1 Spinal Control of Movement Spinal Control of Movement Anmerkung: Wichtige Begriffe und Fachbegriffe sind kursiv dargestellt. Einleitung Das motor system (Motorisches System) umfasst alle Muskeln und die Nerven, welche sie kontrollieren. Es koordiniert über 700 Muskeln und deren verschiedene Kombinationen. Im Rückenmark gibt es eine Vielzahl von Verschaltungen, die für die koordinierte Kontrolle von Bewegungen zuständig ist, insbesondere für stereotypisierte (sich wiederholende) Bewegungen, welche mit Fortbewegung zutun haben. Das Rückenmark enthält auch viele motor programs (Motorische Programme) für die Erzeugung von koordinierten Bewegungen. All diese Programme werden durch Kommandos des Gehirns abgerufen, ausgeführt und modifiziert. Motorische Kontrolle kann in zwei Systeme untergliedert werden: (1) Das Rückenmark, welches Befehle anordnet und die Koordination von Muskelkontraktionen kontrolliert (2) Das Gehirn, welches Befehle anordnet und die Motorischen Programme im Rückenmark kontrolliert The Somatic Motor System Es gibt zwei Kategorien von Muskeln: Smooth Muscle (Glatter Muskel) Umfasst den Verdauungstrakt, Arterien und ähnliche Strukturen und ist durch das Autonome Nervensystem angeregt. Spielt eine Rolle bei der Peristaltik (die Fortbewegung von Material durch die Innereien) und die Kontrolle von Blutdruck und Blutfluss Striated Muscle (Quergestreifter Muskel) Zwei Typen vorhanden: #Cardiac Muscle (Herzmuskel): Kontraktiert rhythmisch, auch wenn keine Innervation (hier: Beschleunigung und Verlangsamung der Herzrate durch das ANS) vorhanden ist. #Skeletal Muscle (Skelettmuskel): Bewegt Knochen um Gelenke, ermöglicht Augenbewegungen, kontrolliert Atmung und Gesichtsausdruck und die Produktion von Sprache. Jeder Skelettmuskel ist in eine zusammenhängende Gewebeumhüllung gebunden und formt im Endeffekt eine Sehne. In einem Muskel gibt es Hunderte von muscle fibers (Muskelfibrillen). Jede Fibrille wird von einem einzelnen Axon angeregt, welches dem CNS entspringt. Die Skelettmuskeln und die Bereiche des Nervensystems, welche sie kontrollieren nennt man somatic motor system. Bewegungen, wie z.B. das Schließen einer Hand, wird Flexion genannt. Bewegungen, wie beim öffnen einer Hand, heißen Extension. Flexors (Flexoren; Muskeln, die für die Flexion zuständig sind): Der Hauptmuskel, der für Flexion zuständig ist, ist der Brachialis, dessen Sehnen auf der einen Seite in den Humerus und auf der anderen Seite in den Ulna übergehen. Biceps Brachii und Coracobrachialis (liegt unter dem Biceps) sind die anderen beiden Muskeln, die benötigt werden. Extensors (Extensoren; Muskeln, die für die Extension verantwortlich sind): Die beiden Muskeln sind Triceps Brachii und Anconeus. Durch das Zusammenspiel verschiedener Muskeln, werden diese auch als synergists bezeichnet. Muskeln können sich nur zusammenziehen und sich nicht
  • 2. außeinanderdrücken. Flexors und Extrensors ziehen sich in verschiedene Richtungen zusammen und sind deshalb Antagonists (Antagonisten). Muskeln arbeiten effektiv wenn die Kontraktion von Flexoren mit dem Ausruhen von Extensoren einhergeht und umgekehrt. Axial Muscles (Achsen-Muskeln): Für Bewegungen der Rumpfes zuständig, für das aufrechterhalten der Körperhaltung Proximal Muscles (etwa: rumpfnahe Muskeln): Für Bewegungen von Schulter, Ellenbogen, Becken und Knie, für die Fortbewegung Distal Muscles (etwa: rumpfferne Muskeln): Für Bewegungen von Händen, Füßen, digits (Zehen und Fingern), für die Manipulation von Objekten The Lower Motor Neuron Somatic Motor Neurons befinden sich im Rückenmark im ventral horn (siehe Abbildung). Nur diese Neuronen befehlen direkt die Muskelkontraktionen. Die Segmentielle Organisation der Lower Motor Neurons Die Axone der Lower Motor Neurons bilden zusammen ventral roots (vorderseitigen Wurzeln) welche sich mit den dorsal roots (etwa: rückseitigen Wurzeln) zu einem Spinalnerv. Es gibt so viele Spinalnerven wie Rückenwirbel, d.h. 30 auf jeder Seite. Sie beinhalten sowohl sensorische als auch motorische Fasern und werden deshalb mixed spinal nerves genannt. Motor neurons die Fasern für einen Spinalen Nerv enthalten, werden nach den
  • 3. Rückenwirbeln benannt, aus dem sie entspringen. Cervical (C) 1-8 Thoracic (T) 1-12 Lumbar (1) 1-5 Sacral (S) 1-5 Die Skelettmuskeln und ihre lower motor neurons sind im Körper nicht gleichmäßig verteilt. Z.B. werden mehr als 50 Muskeln für die Armbewegungen im Segment C3- T1 benötigt. An diesen Stellen ist das Rückenmark geschwollen aufgrund der vielen Motorischen Neuronen. (vgl. Beinmuskulatur L1-S3). Alpha Motor Neurons Es gibt zwei verschiedene Sorten von lower motor neursons, die Alpha und die gamma motor neurons. Die Alpha Neuronen sind zuständig für Antriebskraft der Muskeln und werden deshalb auch Motor Unit genannt. Muskelkontraktion entsteht durch die kombinierte und individuelle Aktion dieser Neuronen. Ein Motor Neuron Pool ist der Zusammenschluss von Alpha Neuronen die einen einzigen Muskel aktivieren. * Graded Control of Muscle Contraction by Alpha Motor Neurons Um Muskelkontraktionen zu kontrollieren, wird die Feuerrate der Neuronen variiert. Ein Alpha Neuron kontrolliert eine Muskelfaser durch das ausschütten des Neurotransmitters Acetylcolin (ACh) an der neuromuscular junction (Neuromuskuläre Verbindung). ACh hinterlässt ein exzitatorisches-postsynaptisches Signal (EPSP) und lässt somit ein Postsynaptisches Aktionspotential entstehen. Dieses Signal löst im Muskel ein zucken aus, eine schnelle Sequenz zwischen Kontraktion und Entspannung. Anhaltende Kontraktion versperrt die Fortsetzung von Aktionspotentiale und hohe präsynaptische Aktivitäten bewirken eine temporelle
  • 4. Summation der postsynaptischen Antworten. Durch diese hohe Rate an Aktionspotentialen wird die Spannung in den Muskelfasern erhöht und die Kontraktion flüssiger (siehe Abb.) Ein weiterer Weg, wie das CNS die Muskelkontraktionen beeinflusst, ist, mehrere mitwirkende Motor Units zu gebrauchen. Der Grad der hinzugefügten Spannung hängt davon ab, wie viele Muskelfasern in dieser Unit vorhanden sind. In den Muskeln des Beins z.B. werden mehr als 1000 Muskelfasern in einem Alpha Neuron kontrolliert. Bei Fingerbewegungen befinden sich lediglich 3 Muskelfasern in einem Alpha Neuron. Eine große Anzahl von kleinen Units bedeutet eine feinere Kontrolle durch das CNS. Size Principle: Feine Bewegungen sind möglich, da bei der Muskelkontraktion zunächst die kleineren Units aktiviert werden und erst mit zunehmendem Kraftaufwand größere Units hinzugezogen werden. * Inputs to Alpha Motor Neurons Lower Motor Neurons werden durch synaptische Inputs im ventral horn kontrolliert. Die drei Hauptaktivierungskräfte: 1. Dorsal root ganglion cells (Rückenseitige Wurzeln von Nervenknoten) aktivieren einen speziellen sensorischen Apparat in den Muskeln, welcher als Muskelspindel bezeichnet wird. 2. Upper Motor Neurons aus dem Motor Cortex und dem Gehirnstamm 3. Interneurone des Rückenmarks, geben den größten Input und können sowohl inhibitorisch als auch exzitatorisch wirken. Types of Motor Units Dunkle/Rote Muskelfasern: große Anzahl von Mitochondrien und Enzymen, für Sauerstoffstoff- Stoffwechselprozesse zuständig. Langsame Kontraktionszeit, aber viel Ausdauer. In den Antigravitationsmuskeln im Bein zu finden. In slow motor units, Alpha Motor Neuronen mit geringem Durchmesser, langsame Übertragung, stetige, niedrigfrequentielle Feuerrate der Aktionspotentiale Helle/Weiße Muskelfasern: wenige Mitochondrien, hauptsächlich anaoerober Stoffwechsel. Schnelle Kontraktion, wenig Ausdauer. In Muskeln mit Fluchtreflexen. In fast motor units, Alpha Motor Neuronen mit großem Durchmesser, schneller Übertragung, hochfrequentielle Feuerrate der Aktionspotentiale Jede Motor Unit hat nur Muskeln eines Typs *Neuromuscular Matchmaking Frage der Entstehung: Was kam zuerst? Die Muskelfaser oder das Motor Neuron? Experiment von John Eccles:
  • 5. Neuronen und Muskeln wurden getrennt und überkreuzt (slow neuron zu fast muscle und umgekehrt). Der Phänotyp des Muskels veränderte sich, durch die neuen Neurotranmitter und Proteine, denen er ausgesetzt war. Experiment von Terje Lomo: Der Muskeltyp konnte allein durch die Veränderung der Aktionspotentiale geändert werden. Durch langanhaltende Veränderung der Aktionspotentialrate kann es zu dauerhaften Änderungen der Muskeln kommen. Hypertrophy mit übermäßigem Wachstum durch gesteigerte Aktivität wie bei Bodybuildern Atrophy bei Inaktivität mit Degeneration der Muskelfasern Excitation-Contraction Coupling Bei der Aktivierung von Muskeln, durch das EPSP entsteht das excitation-contraction coupling. Das Aktionspotential (excitation) führt zur Ausschüttung von Ca²+ im innern der Muskelfaser, was zur Kontraktion führt. Wenn das CA²+ wieder in die entsprechenden Zellorganellen aufgenommen wird, kommt es zur Entspannung der Muskel * Muscle Fiber Structure Muskel Vorgänger fusionieren in der fötalen Phase, was dazu führt, dass sie mehrere Nuclei haben (multinuleated). Muskelfasern sind mit einer leicht erregbaren Membran umzogen, der sarcolemma. In der Muskelfaser sind zylinderförmige Strukturen, die sich myofibrils nennen und bei einem Aktionspotential in der sarcolemma entlangfegen. Sie werden von dem sarcoplasmic reticulum (SR) umschlossen und lagern CA²+. Wenn ein Aktionspotential an der Sacrolemma entlang fließt, gelangt es durch die T tubules ins Zellinnere. An bestimmten Stellen, wo sich die T tubules nah am SR liegen, kommt es zu einer Verbindung der beiden Membranen. Eine spannungsempfindliches Cluster, bestehend aus vier Kalcium Kanälen (tetrad), verbindet sich mit dem calcium release channels des SR. Wird dies von einem Aktionspotential erreicht, wird Calcium an die Myoribrils gelassen und es kommt zur Kontraktion. * The Molecular Basis of Muscle Contraction Durch die Z lines warden die myofibrils in Segmente unterteilt. Ein Segment besteht aus zwei Z lines und einem sacromere (myofibril zwischen den Z lines). An den Z lines sind eine Serie von Borsten angebracht, die dünnen Filamente (thin filaments). Die gegenüberliegenden Filamente berühren sich nicht. Zwischen den dünnen Filamenten gibt es die Dicken Filamente (thick filaments), an denen die dünnen Filamente während einer Muskelkontraktion entlang gleiten, befinden sich zwischen den dünnen Filamenten. Das sacromere wird somit kürzer.
  • 6. Muskelkontraktion ist aufgrund der Proteine in den Filamenten möglich. Das Myosin der Dicken Filamente bindet mit dem Actin der dünnen Filamente und führt so eine Strukturänderung mit durch wobei sich der Muskel zusammenzieht. Durch ATP wird diese Bindung wieder gelöst und es kann zu einer neuen Muskelkontraktion kommen. Befindet sich der Muskel im Ruhezustand, wird die Bindestelle für das Myosin am Actin durch ein Protein namens Troponin blockiert. Ca²+ bindet an das Troponin und gibt somit den Rezeptor frei. Zusammenfassend: Excitation: Ein Aktionspotential erscheint im Alpha Motor Neuron ACh wird durch die neuromuscular junction zum Muskel geschickt Rezeptor-Kanäle an der Sarcolemma öffnen und erzeugen ein EPSP Spannungsabhängige Kanäle öffnen sich und das Aktionspotential wird durch die T tubules übertragen Depolarisation der T tubules führt zur Ausschüttung von Ca²+ des sarcoplamic retiulum Contraction: Ca²+ bindet mit Troponin Myosin Bindunsstellen werden geöffnet Myosin bindet Actin Strukuturveränderung Auflösung der Bindung durch ATP Weiterführung des Zirkels, solange ATP und Ca²+ vorhanden sind Relaxation: Wenn das EPSP endet, kehren Sarcolemma und T tubules zu ihren Ruhepotentialen zurück Ca²+ wird durch eine ATP-getriebene Pumpe zurück ins SR befördert Myosin-Bindungsstellen werden wieder mit Troponin umhüllt.
  • 7. Zusammenfassung: Teil II von Kapitel 13: Spinale Kontrolle motorischer Einheiten Die neuromuskuläre Endplatte stellt für Störungen eine anfällige Stelle dar. Wie wird die Aktivität der Motoneuronen selbst gesteuert? Propriozeption durch Muskelspindeln Im Inneren der meisten Skelettmuskeln befinden sich Muskelspindeln, die aus unterschiedlichen Skelettmuskelfasertypen innerhalb der Bindegewebskapsel bestehen. In der Mitte der Kapsel umgeben besondere Nervenfasern (Typ Ia) die Muskelfasern der Spindel. Die Spindeln, die auf Dehnung des Muskels und damit auf Längenveränderungen spezialisiert sind wichtigste Propriorezeptoren informieren Gehirn über Position und Bewegung des eigenen Körpers im Raum und die relative Stellung der Körperteile zueinander. Exkurs 13.3. Perspektive Myasthenia gravis (gr.: schwere Muskelschwäche) Bei dieser Krankheit ist das freigesetzte Acetylcholin weniger effektiv, sodass die Übertragung an den neuromuskulären Endplatten oft fehl schlägt. Charakteristisch: Schwächung und Ermüdung der Skelettmuskeln, allerdings immer große Schwankungen bei Schwere der Muskelschwäche, Häufigkeit 1: 10 000, Autoimmunerkrankung, d.h. Körper produziert Antikörper gegen eigene nicotinische Ach- Rezeptoren Antikörper binden an Rezeptoren behindern normale Wirkung von Ach auf die neuromuskulären Endplatten, es kommt dadurch auch zu Strukturveränderungen der Endplatten, Behandlung: Immunsupression, entweder durch Medikamente oder durch operative Entfernung der Thymusdrüse.
  • 8. Typ I Nervenfasern: Axone mit der dicksten Myelinscheide im Körper Aktionspotenziale leiten sehr schnell weiter größten und schnellsten sind die Ia-Axone - Gelangen über Hinterwurzel ins Rückenmark, verzweigen sich - Bilden mit Interneuronen und mit alpha-Motoneuronen des Vorderhorns exzitatorische Synapsen - Inputs der Ia-Axone sind sehr effektiv Der Muskeldehnungsreflex - Von Sherrington aufgezeigt Wenn man an Muskel zieht, kontrahiert er reflektorisch sensorisches Rückkopplungssignal beim Dehnen (erkannte man durch Durchtrennen der Hinterwurzeln - Sherrington vermutete, dass Motoneuronen einen ständigen synaptischen Input von Muskeln erhalten müssen - Forschung: wenn Muskel gedehnt wird Entladungsrate steigt an, wenn Muskel sich verkürzt und erschlafft Entladungsrate sinkt - Ia-Axon und Alpha-Motoneuronen bilden einen monosynaptischen Reflexbogen (nur 1 Synapse trennt den primären sensorischen Eingang vom Ausgang des Motoneurons - Abb. 13.16: wenn an Muskel Gewicht befestigt Muskelspindeln werden gedehnt Äquatorialregion der Spindel dehnt sich Öffnung von Ionenkanälen Depolarisation der Ia-Faserendigungen Aktionspotenzialladung der Ia- Axone depolarisiert die Alpha-Motoneuronen synaptisch Motoneuronen reagieren mit gesteigerter Frequenz ihrer Aktionspotenziale Muskel kontrahiert - Bsp.: Patellarsehnenreflex: man klopft auf patellarsehne unterhalb der Kniescheibe Muskel im Oberschenkel gedehnt Kontraktion Streckung des Beines γ - Motoneuronen
  • 9. Muskelspindel enthält in Bindegewebskapsel Skelettmuskelfasern = intrafusale Fasern (Vergl. Extrafusale Fasern liegen außerhalb der Spindel) - Extrafusale Fasern: werden von α- Motoneuronen innerviert - Intrafusale Fasern: werden von γ- Motoneuronen an beiden Enden innerviert Bei Aktivierung der Fasern Kontraktion an den Polen der intrafusalen Fasern Zug wird ausgeübt auf nichtkontraktile Äquatorialregion Ia Axone bleiben aktiv - Wenn nur α-Motoneuronen aktiviert sind, verringert sich die Aktivität der Ia-Fasern, wenn nur die γ-Motoneuronen aktiviert sind, erhöht sich Aktivität der Ia-Fasern. Rückkopplungskontrollsysteme - Sollwert wird festgelegt (z.B.: die gewünschte Muskellänge) Abweichungen werden von einem Sensor wahrgenommen (den Spiralendigungen der Ia-Fasern) - Abweichungen kompensiert ein Effektorsystem (α-Motoneuronen und extrafusale Fasern) System kehrt wieder zum Sollwert - Sollwert verändert sich, wenn Änderung der Aktivität der γ-Motoneuronen - γ-Spindelschleife: Regelkreis, γ-Motoneuron intrafusale Muskelfaser afferente Ia-Faser α-Motoneuron extrafusale Muskelfasern - α-γ-Koaktivierung: α-und γ-Motoneuronen werden durch vom Gehirn kommende Kommandos gleichzeitig aktiviert Propriozeption durch die Golgi-Sehnenorgane Golgi-Sehnenorgan - weiterer Sensor im Skelettmuskel - überwacht die Muskelspannung und Kontraktionskraft - befinden sich am Übergang zwischen Muskel und Sehne - werden von sensorischen Fasern der Klasse Ib innerviert (dünner als die Ia-Fasern) - Unterschied: Muskelspindeln sind parallel zu Muskelfasern angeordnet, Golgi-Sehnenorgane aber seriell (hintereinander) - beide Sensoren liefern verschiedenen Information an das Rückenmark - Aktivität der Ia-Fasern übermittel Info über die Muskellänge, Aktivität der Ib-Fasern des Golgi-Sehnenorgans Info über die Muskelspannung liefert - Ib-Axone verlaufen ins Rückenmark, verzweigen sich mehrfach und bilden Synapsen mit den Interneuronen des Vorderhorns
  • 10. - Einige der Interneuronen bilden inhibitorische Verbindungen mit den α-Motoneuronen aus, die denselben Muskel innervieren Grundlage für Spinalreflex (Rückenmarksreflex) = inverser Dehnungsreflex - Wenn Muskelspannung steigt, verlangsamt sich durch Hemmung der α-Motoneuronen die Muskelkontraktion - Wenn Muskelspannung sinkt Hemmung verringert sich Muskelkontraktion nimmt zu - Wichtig für feinmotorische Bewegungen, wie z.B.: das Halten einer zerbrechlichen Vase Propriozeption durch die Gelenke Neben Muskelspindeln und Golgi-Sehnenorganen Gelenkkapseln und Bänder als weitere propriorezeptive Axone in den Bindegeweben von Gelenken - Fasern der Gelenkkapseln und Bänder reagieren auf Winkel,-Richtungs,- und Geschwindigkeitsveränderungen einer Bewegung im Gelenk - Viele passen sich schnell an Viel Info bezüglich des Gelenks in Bewegung, aber wenig Nerve, die Ruheposition des Gelenks vermitteln - Man nimmt an: Infos der Gelenkrezeptoren mit denen der Muskelspindeln und Golgi- Sehnenorganen kombiniert (auch mit denen in der Haut) Spinale Interneuronen Inhibitorische Inputs - Interneuronen spielen entscheidende Rolle für Ablauf kleinster Reflexe - Dehnungsreflex: um Verlängerung einer Gruppe von Muskeln zu kompensieren, ist Kontraktion dieser Beuger über den Dehnungsreflex erforderlich, aber auch eine Entspannung der antagonistischen Muskeln, der Extensoren reziproke Hemmung: Kontraktion einer Muskelgruppe (Agonisten) geht mit einer Entspannung der Antagonisten einher - Bsp.: wie schwer wäre es, etwas hochzuheben, wenn die eigenen antagonistischen Muskeln entgegenwirken?
  • 11. - Durch reziproke Hemmung überwinden auch die absteigenden Nervenbahnen den Dehnungsreflex Exzitatorische Eingänge - Nicht alle Interneuronen haben hemmende Wirkunng - Bsp.: Beuge-oder Flexorreflex Extremität soll sich von aversiven Reiz zurückziehen (Drauftreten einer Reiszwecke) Reflex läuft langsamer ab, als Dehnungsreflex! mehr Interneuronen dazwischengeschaltet - Schmerzfasern, die in Rückenmark eintreten, verzweigen sich und aktivieren Interneuronen in unterschiedlichen Abschnitten des Rückenmarks - Erregung der α-Motoneuronen, die Beugemuskeln der Extremitäten innervieren - Außerdem: Aktivierung der Streckmuskeln und die Hemmung der Beugemuskeln auf der gegenüberliegenden Seite = gekreuzter Streckreflex - Aktivierung der Beugemuskeln auf der einen Seite geht mit einer Hemmung der Flexoren auf der gegenüberliegenden Seite einher - Fremdreflexe (Sensoren=Schmerzfasern der Haut und Effektoren=Muskelfasern liegen in verschiedenen Organan, meist polysynaptisch verschaltet): Flexorreflex, gekreuzte Streckreflex Erzeugung spinaler Motorprogramme zum Gehen - Grundbaustein: gekreuzter Streckreflex - Beim Gehen wird abwechselnd die eine Beinseite gestreckt, während die andere gebeugt wird - Kontrolle der zeitlichen Abfolge im Inneren des Rückenmarks ausgeübt zentrale Mustergeneratoren (neuronale Schaltkreise, die rhythmische motorische Aktivitäten auslösen) - Einfachsten Mustergeneratoren einzelne Neuronen - Bsp.: Forschungen von Sten Grillner & Mitarbeitern o Hielt die spinalen zentralen Mustergeneratoren für die Bewegung bei verschiedenen Arten für Variationen des Grundplans eines gemeinsamen Vorfahren und konzentrierte sich auf die Schwimmmechanismen von Neunaugen (=kieferlose Fische) o Rückenmark freigelegt und in vitro gehalten für einige Tage o Durch elektrische Reizung der Axonstümpfe vom Gehirn kann man im Rückenmark eine alternierende rhythmische Aktivität auslösen, die dem Schwimmen ähnelt
  • 12. o Grillner konnte zeigen, dass es ausreicht, die NMDA-Rezeptoren (=glutamatabhängige Ionenkanäle) der spinalen Interneuronen zu aktivieren, um diese Aktivitätsmuster hervorzurufen o NMDA-Rezeptoren: ermöglichen stärkeren Stromfluss in die Zelle, wenn die postsynaptische Membran depolarisiert ist lassen sowohl Ca2+, als auch Na+ in die Zelle eintreten - Zyklus, wenn die NMDA-Rezeptoren durch Glutamat aktiviert werden: 1. Depolarisation der Membran 2. Durch die NMDA-Rezeptoren strömen Na+ und Ca2+ in die Zelle 3. Ca2+ aktiviert die Kaliumkanäle 4. K+ strömt aus der Zelle 5. Hyperpolarisation der Membran 6. Einstrom von Ca2+ in die Zelle endet 7. Kaliumkanäle schließen sich 8. Depolarisation der Membran; Zyklus beginnt von vorn - Rhythmik wird durch Kombination aus intrinsischen Schrittmachereigenschaften und synaptischen Vernetzungen erzeugt Abschließende Bemerkungen: Wahrnehmung und Bewegung sind selbst auf der niedrigsten Ebene des neuronalen motorischen Systems untrennbar miteinander verbunden. Für eine normale Funktion sind sie α-Motoneuronen auf eine direkte Rückkopplung von den Muskeln selbst und auf indirekte Informationen von den Sehnen, Gelenken und von der Haut angewiesen. Das Rückenmark enthält ein komplexes Netzwerk von Schaltkreisen zur Steuerung der Bewegung.