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UNIVERSIDAD DE VALLADOLID
Grado de Medicina
Guiones de clase de Fisiología Humana
Departamento de Bioquímica y Biología Molecular y Fisiología
Lola Ganfornina, Diego Sánchez
TEMA 43. FISIOLOGÍA DE LOS SISTEMAS MOTORES
1. El control del movimiento.
Concepto de programas motores y anticipación.
Tipos de movimiento.
Movimientos reflejos.
Movimientos rítmicos.
Movimientos voluntarios.
Principios de organización de los sistemas motores.
Los sistemas motores traducen la energía eléctrica en fuerza contráctil muscular.
El control del movimiento requiere información sensorial.
Los sistemas motores se organizan jerárquicamente.
2. La unidad motora (UM).
Concepto: Fibras musculares inervadas por una única motoneurona α.
Tipos de fibra muscular.
Fibras lentas, rápidas e intermedias.
Propiedades de un músculo basadas en la composición de distintas fibras musculares.
Propiedades eléctricas de las motoneuronas según su tamaño.
Relaciones entre el tamaño de las motoneuronas y el tipo de unidad motora.
Motoneurona pequeña ⇒ UM pequeña de fibras lentas ⇒ Poca fuerza contráctil.
Motoneurona grande ⇒ UM grande de fibras rápidas ⇒ Gran fuerza contráctil.
Reclutamiento de unidades motoras. El principio del tamaño.
3. Principios básicos de regulación de la fuerza muscular.
Reclutamiento de unidades motoras.
Frecuencia de disparo de motoneurona - Contracción muscular.
Activación asincrónica de motoneuronas.
4. Primer nivel de control motor (médula espinal y troncoencéfalo).
Motoneuronas α + circuitos locales.
Circuitos reflejos.
Control sensoriomotor de la longitud y tensión muscular.
El reflejo de estiramiento (miotático).
Circuito neuronal implicado.
Receptor sensorial implicado: El huso muscular.
Papel de la inervación eferente al huso muscular. Motoneuronas γ.
Control de la longitud muscular. Tono muscular.
El reflejo miotático inverso.
Circuito neuronal implicado.
Receptor sensorial implicado: El órgano tendinoso de Golgi.
Control de la fuerza muscular.
Respuesta a estímulos sensoriales externos.
El reflejo polisináptico de flexión o retirada.
Circuito neuronal implicado.
Papel en locomoción.
5. Generación de movimientos rítmicos coordinados. Locomoción.
Concepto de “generador central de patrón” de locomoción.
Circuito neuronal implicado.
43-1
Movement and motor systems
Feedback control
Anticipatory control
Principles of organization of motor systems
Anticipatory
responses
Feedback
responses
1
The nervous system controls the contraction
of skeletal muscles
2
The motor control systems require sensory
information (parallel processing)
3
The motor systems are organized hierarchically
Biceps
Triceps
Flexor carpi
radialis
Extensor
carpi radialis
Cerebral Cortex
Basal Ganglia
and Cerebellum
Brainstem
Spinal Cord
Figures: Kandel, 1999; Purves 2004
43.1
The motor unit
Muscle fiber types
Muscle fiber types are specialized for fast or sustained contraction
Unfused tetanic force
Tension in response to repetitive
stimulation of motor neurons
Fatigability
Response to repetitive stimulation
that evokes maximum tension
Contractile force of a motor unit depends on:
- the force-generating capabilities of fiber type.
- the number of fiber muscles innervated by the motor neuron.
Figures: Kandel, 1999; Purves 2004
43.2
The size principle
Motor units are recruited based on their size
1
2
3
4
Availability of motor units required to
perform different motor tasks
Time (ms)
The regulation of muscle force
1 Recruitment of motor neurons (size principle)
2 Frequency of motor neurons action potentials / fiber muscle contractions
3 Asynchronous activation of motor units ⇒ maintained contraction with reduced fatigue
Figures: Matthews, 2002; Purves 2004
43.3
First (lower) level of motor control
Sensory propioceptors:
- Muscle spindle
- Golgi tendon organ
Spinal cord
α motorneurons + local circuits
Brainstem
The simplest local circuits: REFLEX ARCS
Figures: Boron & Boulpapep 2005, Silverthorn 2007
43.4
The myotatic stretch reflex
Role of γ motorneurons activation
Gravity stretches muscles
Myotatic reflexes
The muscle spindle system is a feedback system
that monitors and maintains muscle length
Figures: Boron & Boulpapep 2005, Silverthorn 2007
CONTROL OF
MUSCULAR TONE
43.5
The withdrawal (flexion and
crossed-extension) reflex
The inverse myotatic reflex
The Golgi tendon system is a feedback system
that monitors and maintains muscle force
Other sensory inputs Æ reflex circuits
that adjust posture Æ Postural stability
Figures: Boron & Boulpapep 2005
43.6
Rhythmic movements. Locomotion
Pattern generators are local circuits in the spinal cord that
coordinate rhythmic movements related to locomotion
A central pattern
generator circuit
Figures: Boron & Boulpapep 2005
43.7
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Guiones de clase de Fisiología Humana
Departamento de Bioquímica y Biología Molecular y Fisiología
Lola Ganfornina, Diego Sánchez
TEMA 44. CENTROS SUPRAESPINALES DE CONTROL MOTOR
1. Organización jerárquica de los centros de control motor.
Concepto de motoneurona superior (corteza y troncoencéfalo)
Motoneuronas superiores en centros troncoencefálicos.
Mantenimiento del equilibrio y la postura.
Postura y balance globales.
Núcleos vestibulares. Sistema vestíbulo-espinal.
Formación reticular. Sistema retículo-espinal.
Postura y balance de la región cervical.
Colículo superior.
Postura de la región proximal de extremidades superiores.
Núcleo rojo. Sistema rubro-espinal.
Importancia en las actividades manipulativas.
2. Córtex motor. Planeamiento e inicio de movimientos voluntarios complejos.
Organización del córtex motor.
Córtex motor primario.
Córtex de asociación (premotor).
Organización somatotópica.
Vías córtico-espinales.
Directas.
Indirectas (troncoencéfalo como nivel intermedio de control).
Codificación de la iniciación de un movimiento concreto por neuronas corticales.
Correspondencia del disparo de motoneuronas corticales con la dirección del movimiento.
Respuesta anticipatoria.
3. Modulación del movimiento por los ganglios basales.
Vía directa y circuitos implicados.
Circuitos que subyacen a los mecanismos desinhibitorios.
Vía indirecta.
Alteraciones funcionales en el circuito de los ganglios basales.
4. Modulación del movimiento por el cerebelo.
Conexiones de entrada y salida del cerebelo.
Funciones del cerebelo en relación al control motor.
Coordinación de movimientos en tiempo real.
Postura y equilibrio.
Aprendizaje motor.
El cerebelo como corrector de errores.
Circuitos implicados.
Función de monitorización del movimiento.
44-1
Upper motor neuron control
Organization of neural structures
involved in the control of movement
Sensory information
and stored knowledge
DESCENDING SYSTEMS
Upper motor neurons
Cerebral motor cortex
Planning, initiating, and
directing voluntary movements
THALAMUS
BASAL GANGLIA
Gating proper initiation
of movement
CEREBELLUM
Sensory motor
coordination
Brainstem centers
Basic navigational movements
and postural control
Local circuit neurons
Reflex coordination
Lower
motor neurons
SPINAL CORD AND
BRAINSTEM CIRCUITS
SKELETAL MUSCLES
Sensory information
44.1
Upper level of motor control at the brainstem
Upper motor neurons that
maintain balance and posture
Upper motor neurons that participate in posture
and movement of “cervical” body parts
Cortex
Cerebellum
Reticular formation
Vestibular nuclei
Superior colliculus
Red nucleus
Control of axial and
proximal limb muscles
Initiate adjustments to
stabilize posture during
ongoing movements
Control of axial and
proximal limb muscles
Balance and posture
Control of neck muscles
Head and eye orienting
movements
Control of proximal
muscles of the arms
Manipulative tasks
Figures: Purves 2004
44.2
Upper level of motor control at the motor cortex
Somatotopic organization of motor cortex
Upper motor neurons that initiate
complex voluntary movements
DIRECT CORTICAL PROJECTIONS
INDIRECT CORTICAL PROJECTIONS
Brainstem
Intermediate
level of control
Figures: Purves 2004; Boron & Boulpaep, 2005
44.3
Upper level of motor control at the motor cortex
Medial and lateral premotor cortex
Primary motor cortex
Coding the intention to perform a movement.
Selection of movements based on external or
internal events
Coding the initiation of complex
voluntary movements.
What do MOTOR MAPS represent?
Figures: Purves 2004
44.4
Modulation of movement by the basal ganglia
Basal ganglia:
Striate: caudate nucleus + putamen
Globus pallidus
Disinhibitory circuit in the basal ganglia
Related areas:
Subthalamic nuclei
substantia nigra
Functional circuits in the basal ganglia
Figures: Purves 2004
44.5
Modulation of movement by the basal ganglia
Figures: Purves 2004
44.6
Modulation of movement by the cerebellum
Somatotopic maps in the cerebellum
Inputs and outputs of the cerebellum
Functions of cerebellum in motor control
1
Role in coordination of ongoing movement
Detection and correction of motor errors
between intended and actual movement
Figures: Purves 2004
2
Role in balance and posture
3
Role in motor learning
44.7
Functional circuits in the cerebellum
Activity changes with the ongoing movement
Error detection and correction function
Intended movement (I)
A simplified model
INPUTS
INPUTS
I≠A
PC
Figures: Purves 2004
DCN
OUTPUTS
PC
Actual movement (A)
DCN
Correction signal
Modification
of movement
44.8
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Guiones de clase de Fisiología Humana
Departamento de Bioquímica y Biología Molecular y Fisiología
Lola Ganfornina, Diego Sánchez
TEMA 45. SISTEMAS DE CONTROL NEUROENDOCRINO
1. Balance de energía.
Control del metabolismo y la temperatura corporal.
Metabolismo.
Anabolismo, catabolismo y almacenamiento.
Requerimientos nutricionales.
2. Regulación de la ingesta de alimentos.
Centros hipotalámicos de control de la ingesta de alimentos.
Factores que controlan el apetito.
Control a corto plazo.
Control a largo plazo.
Obesidad.
Anorexia.
3. Regulación de la temperatura corporal.
Homeotermia.
Consecuencias de los cambios de temperatura en el cuerpo.
Dependencia de estados fisiológicos o condiciones ambientales.
Mecanismos de producción, ganancia y pérdida de calor.
Sensores, efectores y circuitos de retroalimentación en el control de la temperatura.
Centros hipotalámicos de control.
Papel de los termorreceptores de la piel.
Retroalimentación anticipatoria.
4. Variaciones de la temperatura corporal.
Hipotermia.
Hipertermia.
Fiebre.
45-1
Neuroendocrine control systems
Regulation of energy balance
Energy in ingested nutrients
Positive balance
Negative balance
Figure: Silverthorn 2007
Metabolism
Temperature
Work + Growth + Heat
OBESITY
STARVATION / ANOREXIA
45.1
Regulation of food intake
Feedback loops:
Glucostatic (short term)
Lipostatic (long term)
OUTSIDE HYPOTHALAMUS
Distension of Gastrointestinal Tract
Gastrointestinal peptides:
Colecystokinin (CCK)
Glucacon-like peptide I (GLP-I)
Ghrelin
Adipose Tissue factors:
Leptin
HYPOTHALAMIC
ANOREXIGENIC:
Corticotropin-releasing hormone (CRH)
α-Melanocyte-stimulating hormone (αMSH)
Cocaine/amphetamine-regulated transcript (CART)
Glucagon-like peptide I (GLP-I)
CCK
OREXIGENIC:
Neuropeptide Y (NPY)
Norepinephrine (NE)
Gamma-aminobutyric acid (GABA)
Galanin (GAL)
Endogenous opioid peptides (EOP)
Ghrelin
Orexin-A, Orexin-B
Figures: Boron & Boulpapep 2005
45.2
Regulation of body temperature
Time of day
Body Core Temperature
depends on:
Physical activity
Time of menstrual cycle
Age
Modes of heat transfer
In the whole body
CONSEQUENCES OF DEVIATIONS IN BODY
TEMPERATURE
TEMPERATURE (ºC)
CONSEQUENCE
40-44
Heat stroke, brain lesions
38-40
Fever or exercise
36-38
Normal range
34-36
Mild hypothermia
30-34
Impairment of temperature regulation
27-29
Cardiac fibrillation
In the muscle:
H (metab) – H (convect) – H (conduct) = Excess Heat
Figures: Boron & Boulpapep 2005
45.3
Regulation of body temperature
Skin temperature receptors
Cold
Warmth
Central temperature receptors
Cold
Warmth
Vasomotor response
Dilation
Constriction
Termoeffector response
Negative
feedback
Figures: Boron & Boulpapep 2005
Hypothalamus
Skin
45.4
Variations in body temperature
Heat transfer potential
of environment
>
Body regulatory
capacity
HYPERTHERMIA / HYPOTHERMIA
Tset : Body “Thermostat” set point
for temperature Regulation
Regulated elevation of Tset
Figures: Boron & Boulpapep 2005
Fever
45.5
Variations in body temperature
Temperature
Exercise hyperthermia
Temperature
Fever hyperthermia
Figures: Boron & Boulpapep 2005
45.6
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TEMA 46. FISIOLOGÍA DE LOS RITMOS BIOLÓGICOS
1. Ritmos biológicos. Cronobiología.
Características.
Periodo, frecuencia, amplitud, fase.
Clasificación.
Circadianos, infradianos, ultradianos.
2. Ritmos circadianos de actividad. Reloj biológico endógeno.
Relojes moleculares.
Ritmos en procesos fisiológicos.
Cambios hormonales
Suspensión de actividad. Sueño.
Duración del sueño en humanos.
Funciones del sueño.
Ritmo vigilia-sueño. Relación con la luz; desincronización.
3. Sincronización del reloj biológico. Papel de la luz.
Fotorreceptores especiales de la retina (células ganglionares fotosensibles; melanopsina).
Circuito hipotalámico.
Epífisis o glándula pineal.
Papel de la melatonina.
4. Actividad global del cerebro y electroencefalograma.
5. Circuitos neurales implicados en los estados de vigilia y sueño.
Troncoencéfalo.
Hipotálamo.
Conexiones tálamocorticales.
6. Regulación del ciclo vigilia-sueño.
7. Bases electrofisiológicas a nivel celular. Sincronización circuito tálamo-cortical.
8. Tipos y fases de sueño.
REM.
No REM.
Fases y características.
Cambios fisiológicos durante las fases del sueño.
46-1
Sleep and wakefulness
The duration of sleep in humans
Circadian rhythmicity of body temperature
and levels of growth hormone and cortisol
Rhythm of waking and sleeping of a
volunteer in an isolation chamber
Wake state
Sleep state
Max. temp.
Consequences of total
sleep deprivation in rats
Figures: Purves 2004
46.1
Neural systems involved in syncronization by light of biological clock
Temporal relationships
between consciousness and
other sleep-related factors
Consciousness
Cortisol
12
Figures: Purves 2004
18
Light
6
24
Time (hours)
46.2
Brain regions involved in regulation of the sleep–wake cycle
NA
Histamine
Histamine
Orexin
5HT
Ach
Figures: Purves 2004
46.3
Electroencephalography
Figures: Purves 2004
46.4
Regulation of the sleep–wake cycle
LHA
(Orexin)
Sleep
(GABA)
LHA
Sleep
LHA
VLPO
TMN
OFF
LC
Raphe
Ret. Form.
Figures: Purves 2004
TMN (Histamine)
LC (NA)
Raphe (5HT)
Ret. Form. (Ach)
VLPO
TMN
ON
LC
Raphe
Ret. Form.
Wakefulness
Wakefulness
VLPO
46.5
Recordings from a thalamocortical neuron
(ms)
Figures: Purves 2004
46.6
EEG stages during sleep
Physiological changes during
various sleep states
EEG recordings during the first hour of sleep
Figures: Purves 2004; Guyton 2006
46.7
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Guiones de clase de Fisiología Humana
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TEMA 47. FUNCIONES CEREBRALES COMPLEJAS
1. Áreas corticales de asociación.
Atención e identificación de estímulos complejos.
Planear respuestas apropiadas a los estímulos.
Almacenar información relevante de los estímulos.
2. Lenguaje y comunicación.
Lenguaje hablado y lenguaje gestual.
Palabras, sintaxis, semántica, contexto y entonación.
3. Sistemas funcionales del SN implicados en el lenguaje y comunicación.
Sistemas motores y sensoriales.
Otros sistemas funcionales relacionados con el lenguaje.
Zona ventral y posterior del lóbulo frontal (área de Broca).
Zona posterior y superior del lóbulo temporal (área de Wernicke).
Afasias de Broca y de Wernicke.
Características.
4. Lateralización y lenguaje.
Evidencias.
Afasias.
Disociación quirúrgica de hemisferios cerebrales en pacientes epilépticos.
PET, NMR.
¿Asimetrías morfológicas?
Papel del hemisferio izquierdo.
Comprensión y producción del lenguaje.
Papel del hemisferio derecho.
Componentes de entonación y emocionales del lenguaje.
5. Aprendizaje y memoria.
Definiciones.
Categorías de memoria.
Cualitativas.
Declarativa.
No declarativa.
Temporales.
Memoria inmediata.
Memoria a corto plazo (memoria de trabajo).
Memoria a largo plazo.
Asociación y memoria.
6. Sistemas funcionales del SN responsables de la adquisición y almacenamiento de:
Memoria declarativa.
Memoria no declarativa.
7. Plasticidad de circuitos y sinapsis maduras.
47-1
Association cortices
Functions associated to association cortices
-
Attention to complex stimuli
Identification of stimulus relevant features
Recognition of related objects
Planning appropriate responses
- Storage of information related to the
stimulus and elicited responses
Lesions related to association cortices:
1. Parietal
2. Temporal
3. Frontal
Figures: Purves 2004
Deficits of attention
Deficits of recognition
Deficits of planning
47.1
Language and speech
Verbal language / Written language / Sign (gestual) language
Language uses a system of symbols
Functional systems involved in language:
Symbolic representation
Neural structures involved in language
1. Motor systems
2. Sensory auditive systems
Touch and vision for written language
3. Other cortical regions
Language is localized
Figures: Purves 2004
47.2
Studies with split-brain patients
PET studies in normal subjects listening
and talking about particular topics
67% of human brains present left-right asymmetries
Right hemisphere dominant for language in 3% of population
Language is lateralized
Figures: Purves 2004
Role of right hemisphere in language:
Prosodic elements
47.3
Learning and memory
“Learning is the process by which new information is acquired by the nervous
system and is observable through changes in behavior.”
“Memory refers to the encoding, storage, and retrieval of learned information.”
Purves et al. 2004
Qualitative categories of Memory
Type of information
Form of acquisition – Form of retrieval
Temporal categories of Memory
Sense of present time
Short-term memory
Importance of association
in information storage
Association: giving meaningless
items a meaningful context
Selectively forgetting some stored
information is very important
Figures: Purves 2004
Pathological forgetting (amnesias)
- Anterograde amnesia
- Retrograde amnesia
47.4
Brain systems underlying
declarative memories
Long-term storage
Short-term storage
Brain systems underlying
non-declarative memories
Changes in brain function when we Learn, Retain, Retrieve or
Forget information with our multiple Memory Systems
Patterns of electrical activity
Changes in synaptic strength
Changes in behavior
Synaptic Plasticity
Figures: Purves 2004
47.5
Synaptic Plasticity
General principles of learning and memory processing in the brain
1.
Multiple memory systems are present in the brain.
2.
Each memory system uses different brain structures.
3.
Acquisition and storage of information do not need to happen in the same
anatomical locations.
4.
Learning and memory results in changes in neural circuits (molecular,
electrophysiological, anatomical).
5.
Short-term forms of learning and memory require changes in existing neural
circuits.
6.
Long-term forms of memory require new protein synthesis and
morphological changes (e.g. growth of new connections, neurogenesis).
Figures: Purves 2004
47.6