Basal Ganglia 기저핵 Happy Always !!!

기저핵 Initiate and terminate voluntary movements Turn on and turn off for next movement Regulation of muscle tone and strength Body orientation in the space Motivation

기저핵 대뇌반구 중앙에 자리잡고 있는 핵의 집단 하등동물의 가장 상위 운동 중추 대뇌반구, 측뇌실의 모양을 따라간다 조개껍질과 산타 할아버지의 방울 모자

기저핵 대뇌피질에서 출발한 신호를 여러 단계에 걸쳐 처리하여 대뇌피질의 운동 명령과 수행된 운동 기관으로부터 들어온 고유수용 감각을 비교하여 정확하고 유연한 운동이 이루어 지도록 한다. 반사에 의한 운동을 integration modulation inhibition한다.

Basal ganglia Corpus Striatum Caudate Putamen Globus pallidus (externus / internus) Subthalamic nucleus Substantia nigra (pars compacta / reticulata) Lentiform Nucleus

► Corpus Striatum - Striatum :Caudate Nucleus & Putamen - Pallidum :Globus Pallidus (GP) ► Substantia Nigra - Pars Compacta (SNc) - Pars Reticulata (SNr) ► Subthalamic Nucleus (STN) ► Ventral Striatum and Ventral Pallidum - Nucleus Accumbens Septi - Non cholinergic portion of Substantia Innominata

CONSTRUCTION

기저핵 In / Out 입력부 : Caudate Putamen 중간부 : Globus pallidus externus (GPe) Subthalamic nucleus 출력부 : Globus pallidus internus (GPi) Substantia nigra pars reticulata

기저핵 Cb Cortex Thalamus SNc Excite Inhibit GPe P GPi STN

CONNECTION

BASIS (Caudate Nucleus and Putamen) ► Input Portion 1.STRIATUM (Caudate Nucleus and Putamen) ► Output Portion 1. PALLIDUM (Globus Pallidus) 2. SNr (Substantia Nigra, Pars Reticulata)

► In – put : Caudate / Putamen ► Mid – way : GPe / STN ► Out – put : GPi / SNr ★ SNc : Dopamine

Neurotransmitter ► Cerebral cortex → Glutamate ► Mid brain (SNc) → Dopamine ► Raphe nucleus → Serotonin ► Globus pallidus → GABA ► Substantia nigra - pars reticulata → GABA - pars compata → Dopamine to putamen

General knowledge ► Motor learning : ► New pathways : Repetition : posterior putamen Selection : anterolateral putamen New sequences : caudate, anteromedial putamen ► New pathways : Inhibition of gait intiation Disinhibition of muscle tone ► Direct and indirect pathways : Facilitation : cortex → striatum → GPi Suppression : cortex → striatum → Gpe → Subthalamus → GPi ► Disorders: Hypokinetic : Pakinson’s Hyperkinetic : Huntington’s (Dyskinetic)

► No direct input or output connections with the spinal cord. ► GPi & SNr tonically inhibit their target nuclei in the thalamus & brain stem. ► STN : only excitatory projection of the basal ganglia. ► Dis-inhibition during movement.

Posterior putamen ► Motor cortex F1, 4 ↓ Posterior putamen ► Automatic & Repetive Movements ► Blockade : - Cannot execute - Learned sequence

Anterolateral putamen ► Premotor cortex F2,6 Anterolateral putamen ► Selection between sequences

Medial striatum prefrontal cortex 9,46 ↓ Caudate medial putamen ► Dorsolateral prefrontal cortex 9,46 ↓ Caudate medial putamen ► Learning new sequences ► Blockade: - Prevents learning of a new sequence

Learning new sequences ► Dorsolateral prefrontal cortex (9,46) ► Cingulate gyrus (32) ► Pre-supplementary motor area (F6) - paying attention - using working memory - preparing for the future ► Learning New sequences

DOPAMINE ► Medial putamen caudate ► Units respond to : ► depending on - visual stimuli - remembered stimuli ► depending on reward & expectation signaled by dopamine

► Dorsolateral prefrontal cortex 9,46 ↓ Caudate Medial putamen ► Premotor cortex F2,6 ↓ Aterolateral putamen ► Motor cortex F1, 4 ↓ Posterior putamen

SUMMARY ► Motor cortex F1,4 ► Premotor cortex F2,6 ► Dorsolateral - Automatic movements - Repetitive ► Premotor cortex F2,6 - Selection between sequences ► Dorsolateral prefrontal cortex F9,46 - Learning new sequences

Classical Direct circuit Cortex Striatum VA / VL (SP, Dyn) Brain GPi Stem GPi SNr Descending Pathways Classical

New Direct circuit Cortex Striatum VA/VL (SP, Dyn) Brain Stem Gpi SNr Descending Pathways New

Direct pathway Facilitated movements Cortex Striatum VA/VL (SP, Dyn) Brain Stem Gpi SNr Descending Pathways Facilitated movements Low Tone

Indirect pathway Cortex Striatum (Enk) VA/VL Brain Stem Gpe Gpi SNr STN Descending Pathways Suppressed movements High Tone

Substantia nigra Cortex Striatum (Enk) Striatum VA/VL (SP, Dyn) Brain Stem Gpe Gpi SNr STN Descending Pathways SNc

DOPAMINE Facilitated Cortex movements Striatum (En) Striatum VA/VL (SP, Dyn) VA/VL D1 Brain Stem Gpe Gpi SNr STN Descending Pathways SNc Low Tone

기저핵 Direct / Indirect pathway Cortex - Put. - GP, SN - Thalamus - Cortex increase the activity of the thalamus and consequent excitation of the cerebral cortex. Indirect pathway: Cortex - Put. - Subthal N. - GP, SN - Thal. - Cortex decrease activity of the thalamus & consequent decrease activity of the cerebral cortex.

기저핵 Direct / Indirect pathway The inputs from the indirect pathway might assist in braking or possibly smoothing the movement. The direct pathway simultaneously facilitate the movement. This reciprocal regulation consistent with the basal ganglia’s role in scaling the amplitude or velocity of movement.

SUMMARY Direct pathway : Indirect pathway : Cortex activates neostriatum Neostriatum inhibits globus pallidus interna Thalamus is disinhibited, facilitation the cortex Indirect pathway : Cortex active neostratum Neostriatum inhibits globus pallidus externa Subthalamus is disinhibited, facilitation the Gpi Thalamus is inhibited Substantia nigra pars compacta: Facilitates direct pathway (D1 receptors) Sppresses indirect pathway (D2 receptors) Intended action is enhanced

GAIT INITIATION & MUSCLE TONE Gait inhibition : Midbrain locomotor region excites reticular formation Reticular formation facilitates central pattern generate Control of muscle tone : Midbrain excites reticular formation Reticular formation inhibits muscle tone Substantia nigra pars reticularis : Inhibits midbrain locomotor region (slow gait) Inhibits midbrain tone control (tone disinhibited) Disorders : Hypokinetic : slow movement, rigid tone Hyperkinetic : rapid movement, low tone

GAIT 1.Diencephalon : GIA - LH : goal - ZI : exploration - PZ : defence 2. SNr (medial) 3. Mid brain : MLR (cuneiform n) N. gigantocellularis 4. Spinal cord : CPGs

Lateral Hypothalamus : provide motive for actions I want to (goals) ► near to internal capsule ► main area for ADL locomotion  : provide motive for actions   I want to (goals) ► intimate with Parkinson Dx   → low tone 

Zonal Incerta ► motor control relation with optic system: speed control when visual change (exploration)

Periventricular Zone ► Relation with ballistic Action (defence)    runaway from scare (defence)

INITIATION Cortex Striatum (Enk) Striatum VA/VL (SP, Dyn) Brain GPe Stem GPe Gpi SNr STN Descending Pathways SNc LH ZI PZ

TERMINATION Cortex Striatum (ENK) Striatum VA/VL (SP, Dyn) Brain Gpe Stem Gpe Gpi SNr STN Descending Pathways

MUSCL TONE 1. SNr (lateral) 2. Reticular formation - Pedunculo pontine neucleus

Gait & Muscle tone 1. SNr (lateral) 1. SNr (medial) 2. Mid brain : MLR (cuneiform n) N. gigantocellularis 2. Reticular formation - pedunculo pontine neucleus 3. Spinal cord : CPGs

CLASSIFICATION Hypokinetic-rigid syndrome - parkinson’s disease Dyskinesias(hyperkinesia) -tremor -chorea/ballismus -dystonia and athetosis -tics -myoclonus -stereotypy

Hypokinetic disorders Cortex Suppressed movements Striatum (Enk) D2 Striatum (SP, Dyn) VA/VL D1 High Tone Gpe Brain Stem Gpi SNr STN Descending Pathways SNc

► Disease of mesostriatal Parkinson’s Disease ► Disease of mesostriatal dopaminergic system - Hypomimia,amimia - Anteflexes position - Pillrolling normal

Hyperkinesias ► Tremor (Resting) ► Athetosis ► Chorea ► Ballism

Hyper / dyskinetic disorders Facilitated movement Cortex Striatum (Enk) Striatum (SP, Dyn) VA/VL Low Tone Gpe Brain Stem Gpi SNr STN Descending Pathways

SUMMARY Hypokinetic disorders: Hyperkinetic (dyskinetic) disorders : Substantia nigra pars compacta degenerates Direct pathway in not facilitated Movement are not enhanced Indirect pathway is not suppressed Movements are suppressed High muscle tone Hyperkinetic (dyskinetic) disorders : Neostriatum of indirect pathway degenerates Movement are not suppressed Chorea, athetosis (dystonia) and hemiballismus result Low muscle tone

Striatum (Caudate/Putamen) Basal Ganglia Cerebral cortex Excite Inhibit Indirect path Glu Striatum (Caudate/Putamen) GABA Enk GABA Sub-P DA Glu GPe SNc GPi / SNr Brainstem 기본 간접, 직접경로이외에 줄무늬체와 흑색질의 치밀부 사이를 오가는 추가적인 경로가 있는데 간접에서는 억제성 D2 수용체, 직접경로에서는 흥분성 D1수용체를 이용한다. GABA Thalamus GABA Glu Sub-thal N. Spinal cord

기저핵 Parallel circuits of information flow Skeletomotor circuit 1. Oculomotor circuit 2. Dorsolateral prefrontal circuit 3. Lateral orbitofrontal circuit 4. Limbic system circuit 5. 1 1 2 3 4

기저핵 Skeletomotor circuit Supplementary motor area Prefrontal motor cortex Primary motor cortex Putamen - GPe, (STN), - Gpi, SNr - Thalamus (Vlo, VApc, CM) - precentral motor fields Circuit might disinhibit thalamocortical neurons phasically during movement, thus facilitating the intended movement.

기저핵 Oculomotor circuit Frontal and supplementary motor eye field Body of the caudate - GPe, (STN), - Gpi, SNr -Thalamus - Frontal eye field and superior colliculus Control of orientation and saccadic eye movement

기저핵 Dorsolateral prefrontal circuit Brodmann’s area 9, 10 Head of caudate - GPe, (STN), - Gpi, SNr -Thalamus (VA, MD) - dorsolateral prefrontal area Executive function - Cognitive tasks (organizing behavioral responses, using verbal skills in problem solving)

기저핵 Lateral orbitofrontal circuit Lateral prefrontal cortex Ventromedial caudate - GPe, (STN), - Gpi, SNr -Thalamus (VA, MD) - Orbitofrontal cortex Mediating empathetic and socially appropriate responses

기저핵 Limbic circuit Anterior cingulate gyrus, hippocampus, amygdala, entorhinal cortices Ventral striatum Thalamus (MD) Anterior cingulate gyrus Motivated behavior, procedural learning

기저핵 대뇌피질을 통해 기저핵으로 들어오는 입력이 기저핵 회로를 도는 동안 여러 회로를 경유하는 동안 신경원의 단위집단(module)을 통해 출력이 이루어진다. 수 많은 입력을 받아 적절하게 처리한 후 그 상황에 가장 알맞은 운동프로그램을 선택 운동프로그램의 조각을 모아 완성된 것을 만든다

기저핵 Categories of abnormalities Dyskinesia Tremor : substantia nigra (c) (dopamine) Athetosis : striatum Chorea : striatum (GABA) Ballism : subthalamic nucleus Hypokinesia, akinesia, bradykinesia Disturbance of posture and muscle tone Hypertonia-muscle rigidity

기저핵 Abnormalities Cb Cortex SNc Parkinson Thalamus Hemiballism P GPe Hemiballism P Chorea GPi STN

파킨슨병의 운동치료

원인 정확히 알려지지 않음 줄무늬체 손상과 흑색질 에서 바닥핵의 기능을 조절하기 위하여 분비되는 신경전달물질인 도파민이 부족하면 나타나는 병증으로 여겨짐.

임상증상 1)안정시 떨림(Resting Tremor) 파킨슨의 주요증상으로 환자의 50% 정도 발생 Pill rolling 현상 2)Rigidity 3)운동못함증과 운동완만증 -운동못함증(Akinesia)-시작의 어려움 -운동못함증(Bradykinesia)-느리고 유지하기 어려움 -운동계획의 결함(Moter planning defit)

임상증상 4)자세 불안정성 -균형반응 감각장애로 신체활동저하 -고릴라 자세 5)보행 -속도 감소, 짧은 스텝, 팔 흔들기 저하 -방향전환 어려움 6)기타 -가면얼굴, 언어장애, 감정장애, 인지 장애

경직과 강직 경직 강직 수동운동 양방향 모두에서 저항 한 방향에서 저항 신장속도 신장속도와 상관없이 일정 신장하는 속도에 영향 받음 심부힘줄반사 정상 항진 해부학적 기저핵과 관련된 구조의 손상 피질척수로 & 관련 구조들

파킨슨 환자의 자세 운동완서증 운동불능증 균형과 자세조절 장애 운동이상증 떨림(pill-rolling tremor) 경직 적응반응 무표정 삼킴장애 호흡문제

Hoehn & Yahr Scale(1967) 단계 장애특성 1 초기 신체 한쪽에 거의 없거나 최소의 장애가 있는 상태 2 신체 양쪽이나 신체 중심 부위에 최소의 장애가 있는 상태 균형 손상은 없는 상태 3 중기 바로서기 반사가 손상된 상태 의자에서 일어서기나 몸을 돌리는 동작을 할 때 불안정함 일부 활동들은 제한되지만 독립적으로 생활이나 일부 형태의 고용 가능상태 4 말기 모든 증상들이 존재하는 심한 상태 보조에 의해 서기와 걷기가 가능한 상태 5 전적으로 침상과 의자차에 의존하게 되는 상태

기본방침 패용(unusable)패턴을 해결 가능한 한 대상(compensation)에 의존하지 않고, 잔존하는 바로잡기나 자세제어계의 올바른 반응을 이끌어냄으로써 신경계의 재학습을 촉진 관절가동성의 개선 항중력 신전활동의 촉진 동작을 시작할때의 근 긴장 증강 동작패턴의 다양성 획득 부분적 자세조절로부터 전체로

운동치료 관절가동범위운동이나 가동성 기술 사용 측와위로 몸구르기 운동 일어나기 동작 앉은 자세 – 체간 바로잡기 운동 앉은 자세 균형 대퇴부 높이 들어올리기 운동 뻗기 동작을 이용한 기립자세 균형연습 보행연습

호흡 및 연하장애 일상의 운동량 유지와 불량자세의 개선 척추 및 어깨, 흉곽 가동성 장애에 대한 접근 복와위 유지와 골반운동 심호흡운동

주의사항 폐용성 증후군의 예방 증상의 1일 내 변동 Frozen gait 넘어짐 사고 예방 기립성 저혈압