Mózg i równowaga. Jak zrozumieć neuroanatomię funkcjonalną?

Neuroanatomia równowagi

Wszystkie dobrowolne ruchy ciała są kontrolowane przez mózg. Obszarem najbardziej zaangażowanym w kontrolowanie tych dobrowolnych ruchów jest kora ruchowa.

Kora ruchowa - budowa i funkcja

Kora ruchowa znajduje się w tylnej części płata czołowego, tuż przed bruzdą środkową (sulcus centralis), która oddziela płat czołowy od płata ciemieniowego^3,4. Kora ruchowa jest podzielona na dwa główne obszary nazywane polami Brodmanna: pole 4 i pole 6.

Pole 4 znane jest również jako pierwszorzędowa kora ruchowa. Tworzy ono cienki pas wzdłuż bruzdy środkowej. Pole 6 leży bezpośrednio przed polem 4, jest szersze i podzielone na 2 odrębne podobszary.

Aby ciało wykonywało ruchy ukierunkowane na cel, kora ruchowa musi najpierw otrzymać różnego rodzaju informacje z poszczególnych płatów mózgu.

Informacje otrzymywane przez korę ruchową:

• informacje o położeniu ciała w przestrzeni docierające z płata ciemieniowego;
• informacje o celu, który ma zostać osiągnięty, i odpowiedniej strategii jego osiągnięcia, które docierają z przedniej części płata czołowego;
• informacje pamięciowe w odniesieniu do poprzednich strategii, które zmagazynowane są w płacie skroniowym.

Ciekawe jest, że w omawianej mapie motorycznej reprezentacje części ciała, potrafiących wykonać najprecyzyjniejsze ruchy, zajmują znacznie więcej miejsca niż inne.

Budowa i funkcja jąder podstawy mózgu

Jądra podstawy mózgu składają się z wielu struktur nerwowych, umiejscowionych głęboko w obszarze podkorowym. Jądra podstawy obejmują jądro ogoniaste (nucleus caudatus), skorupę (putamen) i gałkę bladą (globus pallidus).

Te jądra, nazywane również zwojami, są skupiskami ściśle ze sobą powiązanych komórek nerwowych. Otrzymują one informacje także z kilku różnych regionów kory mózgowej.

Gdy jądra podstawy przetworzą tę informację, przesyłają ją zwrotnie do kory ruchowej za pośrednictwem wzgórza (thalamus). Jedną z funkcji omawianej pętli neuronalnej, działającej w połączeniu z inną – obejmującą móżdżek, jest selekcja i wyzwalanie dobrze skoordynowanych ruchów dobrowolnych.

Rola zwojów podstawy w inicjowaniu i regulacji poleceń motorycznych jest wyraźnie widoczna u osób, których zwoje podstawy zostały uszkodzone. Do tej grupy należą między innymi pacjenci z chorobą Parkinsona. Ci pacjenci mają trudności z zapoczątkowaniem planowanych ruchów, a także występowaniem drżenia i spowolnienia już po ich rozpoczęciu.

Aby sprawnie skoordynować aktywność ruchową poszczególnych obszarów ręki, przedramienia i ramienia, potrzebny jest wewnętrzny zegar, który może precyzyjnie regulować sekwencję i czas trwania podstawowych ruchów wykonywanych przez każdy z uczestniczących w nim segmentów. Zegarem tym jest móżdżek.

Schemat budowy jąder podkorowych

Móżdżek a równowaga

Osoby z uszkodzeniami móżdżka mają charakterystyczne problemy z równowagą podobne do tych, które występują u osób odurzonych alkoholem. W rzeczywistości niezdarność, która towarzyszy nadmiernemu spożyciu alkoholu, jest bezpośrednio związana z jego supresyjnym oddziaływaniem na aktywność móżdżku.

Móżdżek najpierw otrzymuje informacje o zamierzonym ruchu z kory czuciowej i ruchowej, a następnie wysyła informację z powrotem do kory ruchowej o wymaganym kierunku, sile i czasie trwania danego ruchu.

W celu regulacji detali kontroli motorycznej oprócz pętli obejmującej jądra podstawy działa również pętla neuronalna obejmująca móżdżek. W ten sposób móżdżek otrzymuje kopię wszystkich informacji wysyłanych z narządów czuciowych do kory czuciowej i wszystkich informacji przesyłanych z kory ruchowej do rdzenia kręgowego.

Móżdżek otrzymuje także informacje z wielu innych obszarów kory mózgowej i podkorowych obszarów mózgu. Czynność wykonywania ruchu podlega różnym poziomom kontroli.

Na najwyższym poziomie kora mózgowa kontroluje ruchy dobrowolne. Są to wszystkie ruchy wymagające koordynacji i precyzji, które na podstawie informacji dostarczanych przez zmysły pozwalają dostosować się do konkretnych sytuacji⁵.

Sekwencja aktywacji dla obszarów motorycznych

Podstawową funkcją mózgu jest generowanie zachowań, które przede wszystkim mają charakter ruchowy. Wiele różnych obszarów kory mózgowej bierze udział w kontrolowaniu ruchów ciała.

W ludzkim mózgu planowanie dowolnego ruchu odbywa się głównie w przedniej części płata czołowego. Ta część kory otrzymuje informacje o aktualnej pozycji z kilku innych obszarów. Następnie wydaje polecenia trafiające do pola 6.

Podejmuje decyzje, która grupa mięśni ulegnie skurczowi, aby wykonać pożądany ruch, a następnie wydaje odpowiednie komendy trafiające do pierwszorzędowej kory ruchowej, zwanej również polem 4.

Z kolei ten obszar za pośrednictwem neuronów ruchowych w rdzeniu kręgowym aktywuje określone mięśnie lub grupy mięśni. Aksony neuronów pierwszorzędowej kory ruchowej zstępują aż do rdzenia kręgowego, gdzie przekazują informacje do neuronów ruchowych rdzenia kręgowego, które mają bezpośredni wpływ na mięśnie i powodują ich kurczenie się.

W celu zapewnienia szybkości, precyzji i wzajemnego skoordynowania wszystkich tych ruchów układ nerwowy musi stale otrzymywać informacje sensoryczne ze świata zewnętrznego i wykorzystywać je do adaptacji i korekcji trajektorii ruchu.

Układ nerwowy dokonuje tych regulacji głównie za pomocą móżdżku, który z proprioceptorów otrzymuje informacje o położeniu przestrzennym stawów i innych części ciała.

Czym są sensoryczne bodźce wejściowe?

Utrzymanie równowagi jest uzależnione od informacji otrzymanej przez mózg z trzech źródeł obwodowych: narządu wzroku, mięśni i stawów oraz narządów przedsionkowych. Wszystkie te trzy źródła przesyłają do mózgu informacje w postaci impulsów nerwowych, których źródłem są wyspecjalizowane zakończenia nerwowe zwane receptorami czuciowymi.

Bodźce docierające z narządu wzroku

Kiedy światło pada na receptory czuciowe w siatkówce, zwane pręcikami i czopkami, wysyłają one do mózgu impulsy, które dają wizualne wskazówki identyfikujące sposób, w jaki dana osoba jest zorientowana w przestrzeni względem innych obiektów.

Na przykład gdy pieszy idzie ulicą, otaczające go budynki są widziane pionowo, a kolejne witryny sklepów najpierw wchodzą w zasięg pola widzenia, a następnie stopniowo, w odpowiedniej kolejności, znajdują się poza polem widzenia peryferyjnego.

Bodźce docierające z mięśni i stawów

Informacje proprioceptywne ze skóry, mięśni i stawów pobudzają receptory czuciowe wrażliwe na rozciąganie lub ucisk otaczających je tkanek. Na przykład gdy osoba stojąca pochyla się do przodu, zwiększony ucisk jest odczuwany w przedniej części strony podeszwowej stóp. Przy każdym ruchu kończyn dolnych, górnych i innych części ciała receptory czuciowe reagują, wysyłając impulsy do mózgu.

Impulsy czuciowe pochodzące z karku (okolicy podpotylicznej) i stawów skokowych są szczególnie ważne. Wskazówki proprioceptywne z górnego obszaru szyjnego podają kierunek, w którym rotowana jest głowa.

Sygnały ze stawów skokowych dostarczają informacji o ruchach ciała lub wychwianiach względem płaszczyzny podporu (np. podłogi lub ziemi), jak również jakości tej powierzchni (np. twardości, miękkości, śliskości, nierówności, stabilności itd.).

Bodźce docierające z układu przedsionkowego

Informacje sensoryczne o ruchu, równowadze i orientacji przestrzennej są dostarczane przez aparat przedsionkowy, który zlokalizowany jest w obrębie ucha i składa się z łagiewki (utriculus), woreczka (sacculus) i trzech kanałów półkolistych (canales semicirculares).

Łagiewka i woreczek są wrażliwe na oddziaływanie siły grawitacyjnej (orientację pionową) i ruch liniowy. Kanały półkoliste, wykrywające ruch obrotowy, są ustawione względem siebie pod kątem prostym i są wypełnione płynem zwanym endolimfą (śródchłonką).

Kiedy głowa obraca się w kierunku wykrywanym przez określony kanał półkolisty, śródchłonka "spóźnia się" z powodu oddziaływania siły bezwładności i wywiera nacisk na receptory czuciowe zlokalizowane w danym kanale, które wysyłają do mózgu impulsy dotyczące ruchu. Kiedy po obu stronach głowy narządy przedsionkowe działają prawidłowo, wysyłają symetryczne impulsy do mózgu.

Integracja bodźców sensorycznych

Informacje o równowadze dostarczane przez obwodowe narządy zmysłów – oczy, mięśnie i stawy oraz układ przedsionkowy – są wysyłane do pnia mózgu. Tam podlegają segregacji i integracji z wyuczonymi informacjami pochodzącymi z móżdżku (centrum koordynacji mózgu) i kory mózgowej (ośrodki myślenia i pamięci).

Móżdżek dostarcza informacji o zautomatyzowanych ruchach, których nauczył się poprzez wielokrotną ekspozycję na określone ruchy. Na przykład dzięki wielokrotnemu podawaniu piłki tenisista uczy się optymalizować kontrolę równowagi podczas wykonywania tego ruchu.

Udział kory mózgowej obejmuje dostarczanie i wykorzystanie wcześniej zdobytych informacji; na przykład wiedząc, że oblodzone chodniki są śliskie, koniecznie trzeba zastosować inny wzorzec ruchu w celu bezpiecznego poruszania się po nich.

Przetwarzanie konfliktowego bodźca sensorycznego

Osoba może być zdezorientowana, jeśli bodźce sensoryczne docierające z narządu wzroku, mięśni i stawów lub narządów przedsionkowych kolidują ze sobą. Może to na przykład wystąpić, gdy stoimy obok autobusu odjeżdżającego z przystanku.

Wizualny obraz dużego toczącego się autobusu może stworzyć iluzję u pieszego, że porusza się on względem autobusu, a nie odwrotnie. Jednocześnie informacja proprioceptywna z mięśni i stawów wskazuje, że pozostaje on w bezruchu.

Informacje sensoryczne dostarczane przez narządy przedsionkowe mogą pomóc w rozstrzygnięciu konfliktu sensorycznego. Ponadto wyższe funkcje myślowe oraz pamięć mogą zmusić osobę do odwrócenia wzroku od jadącego autobusu i spojrzenia w dół w celu uzyskania wizualnego potwierdzenia braku ruchu ciała względem chodnika.

Reakcje motoryczne na bodźce sensoryczne

Po procesie integracji sensorycznej pień mózgu przekazuje impulsy do mięśni kontrolujących ruchy oczu, głowy i szyi oraz tułowia i kończyn dolnych, pozwalając w ten sposób utrzymać równowagę i ostre widzenie podczas ruchu.

Reakcje motoryczne – polecenia wysyłane do mięśni i stawów

Dziecko uczy się równowagi poprzez praktykę i powtarzanie, dzięki którym impulsy wysyłane z receptorów czuciowych trafiają do pnia mózgu i następnie do mięśni, tworząc nową ścieżkę neuronalną.

Dzięki powtórzeniom impulsy łatwiej przechodzą nowym szlakiem nerwowym – proces ten nazywany jest facylitacją (torowaniem) – a dziecko jest w stanie utrzymać równowagę podczas każdej aktywności.

Istnieją mocne dowody sugerujące, że taka reorganizacja synaptyczna zachodzi przez całe życie człowieka, dostosowując się do zmieniającego się środowiska lub warunków zdrowotnych.

Torowanie wyjaśnia, dlaczego tancerze i sportowcy tak intensywnie ćwiczą, aby osiągnąć perfekcję. Z czasem nawet bardzo złożone ruchy stają się prawie automatyczne.

Na przykład gdy osoba robi gwiazdy (przerzuty bokiem) w parku, impulsy przekazywane z pnia mózgu informują korę mózgową, że tej szczególnej aktywności towarzyszy widok wirującego parku. Wraz ze wzrastającą praktyką mózg uczy się interpretować wirujące pole widzenia jako normalne podczas tego rodzaju obrotu ciała.

Możliwe jest także wypracowanie alternatywnych strategii. Przykładowo tancerze uczą się, że dla zachowania równowagi podczas wykonywania serii piruetów muszą wpatrywać się w jedno miejsce w oddali tak długo, jak to możliwe, podczas obrotów ciała.

Reakcje motoryczne - polecenia wysyłane do oczu

Układ przedsionkowy poprzez szlaki układu nerwowego wysyła do mięśni gałek ocznych sygnały sterujące automatycznie ich ruchem za pośrednictwem odruchu przedsionkowo-ocznego.

Gdy głowa się nie porusza, liczba impulsów z narządów przedsionkowych po prawej stronie jest równa liczbie impulsów pochodzących z lewej strony. Gdy głowa obraca się w prawo, liczba impulsów z prawego ucha wzrasta, a liczba z lewego ucha maleje.

Różnica impulsów wysyłanych z każdej strony kontroluje ruchy gałek ocznych i stabilizuje wzrok podczas aktywnych ruchów głowy (np. podczas biegania lub oglądania meczu hokeja) i pasywnych ruchów głowy (np. podczas siedzenia w samochodzie, który przyspiesza lub zwalnia).

Skoordynowany układ równowagi - zaburzenia równowagi

Układ równowagi człowieka składa się ze złożonego zestawu układów sensomotorycznych. Zazębiające się ze sobą mechanizmy sprzężenia zwrotnego mogą zostać zakłócone przez uszkodzenie jednego lub więcej komponentów w wyniku urazu, choroby lub procesu starzenia się.

Upośledzonej równowadze mogą towarzyszyć inne objawy, takie jak zawroty głowy, problemy ze wzrokiem, nudności, zmęczenie i trudności z koncentracją.

Złożoność ludzkiego systemu równowagi stwarza wyzwania w diagnozowaniu i leczeniu podstawowej przyczyny dysfunkcji równowagi. Zaburzenia funkcji układu przedsionkowego jako przyczyna problemów z równowagą stanowią szczególnie skomplikowane wyzwanie ze względu na interakcję układu przedsionkowego z funkcjonowaniem poznawczym oraz stopień wpływu, jaki ma on na kontrolę ruchów oka i postawy⁶.

Badacze z Johns Hopkins University donoszą, że osoby z dysfunkcjami równowagi lub zawrotami głowy, które mogą być przypisane zaburzeniom ucha wewnętrznego, wykazują wyraźne zaburzenia ruchów gałek ocznych, gdy problematyczne ucho jest narażone na działanie silnego pola emitowanego przez urządzenie do rezonansu magnetycznego.

Naukowcy ze wspomnianego ośrodka badawczego po raz pierwszy w 2011 roku opisali na łamach czasopisma "Current Biology", że pole magnetyczne MRI wywiera ciśnienie na płyn ucha wewnętrznego odpowiedzialny za utrzymanie równowagi, powodując gwałtowne ruchy gałek ocznych i zawroty głowy u osób poddawanych diagnostyce za pomocą rezonansu magnetycznego.

Obecnie dwa nowe badania sugerują, że w przyszłości silne magnesy mogłyby zostać wykorzystane do diagnozowania, leczenia i badania zaburzeń ucha wewnętrznego, zastępując bardziej inwazyjne i niewygodne procedury.

W pierwszym badaniu, opublikowanym online w czasopiśmie "Frontiers in Neurology", zespół kierowany przez dr. Bryana Warda, rezydenta oddziału otolaryngologii, chirurgii głowy i szyi w Johns Hopkins University School of Medicine, umieścił dziewięciu pacjentów z zaburzeniami równowagi w aparaturze do przeprowadzania rezonansu magnetycznego i sfilmował ich ruchy gałek ocznych bez wykonywania zdjęć MRI.

Wcześniejsze badania wykazały, że zdrowi ochotnicy poddani działaniu pola magnetycznego o wartości 7 tesli indukcji magnetycznej nowoczesnego urządzenia do rezonansu magnetycznego doświadczyli charakterystycznego ruchu określanego mianem oczopląsu, w którym oczy wielokrotnie przemieszczają się w jedną stronę, a następnie wykonują szarpiące ruchy do tyłu⁷.

Dr Jorge Serrador z Harvard Medical School współpracował z zespołem naukowców, w tym naukowców z NASA, w celu przeprowadzenia podobnych badań. Jego zdaniem, chociaż udokumentowano rolę układu przedsionkowego w autonomicznej reakcji na było to pierwsze badanie, które wykazało bezpośredni wpływ stymulacji otolitów na mózgowy przepływ krwi.

Naukowcy stymulowali narządy przedsionkowe 25 zdrowych osób, przechylając je do przodu i do tyłu oraz wykonując ruchy wirowe. Zmiany prędkości przepływu krwi były zależne od częstotliwości stymulacji przedsionkowej, przeciwstawiały się zmianom ciśnienia krwi i nie wykazywały bezpośredniego związku ze zmianami końcowo wydechowego ciśnienia parcjalnego dwutlenku węgla (EtCO2).

W nawiązaniu do tych wyników dr Serrador stwierdził: W pozycji stojącej głowa znajduje się powyżej serca, a tym samym przepływ krwi do mózgu jest utrudniony. Połączenie pomiędzy otolitami, które informują nas o przebywaniu w pozycji stojącej, a układem naczyniowym mózgu może być częścią adaptacji, która pozwala nam utrzymać przepływ krwi w mózgu w pozycji pionowej. To połączenie może tłumaczyć zmniejszony mózgowy przepływ krwi u niektórych osób.

Na przykład starzenie się wiąże się z pogarszaniem się funkcji przedsionka, co może przyczynić się do zmniejszenia ogólnego mózgowego przepływu krwi. Podobnie u pacjentów z ortostatycznymi spadkami ciśnienia mogą występować zaburzenia przedsionkowe, które nasilają zmniejszenie perfuzji mózgu w pozycji wyprostowanej.

Wiedza uzyskana na podstawie przytoczonego badania może doprowadzić do opracowania nowych możliwości leczenia wymienionych schorzeń i jednostek chorobowych.

Ucho wewnętrzne składa się ze ślimaka i części przedsionkowej, która odpowiada za zmysł równnowagi

Neuroanatomia równowagi - podsumowanie

Fizjoterapeuci odgrywają istotną rolę w leczeniu zaburzeń równowagi. Przy szerokiej gamie zaburzeń równowagi spowodowanych dysfunkcjami wielu narządów, znajomość anatomii funkcjonalnej jest niezbędna do nakreślenia przyczyny i struktury powodującej zaburzenia równowagi nie tylko w celu diagnostyki różnicowej, lecz także doboru odpowiednich technik terapeutycznych.