سمينار درس سيستمهاي عصبي و عضلاني با نام خدا سمينار درس سيستمهاي عصبي و عضلاني عقده هاي قاعده اي مونا نوري حسيني

بخشهاي مختلف عقده هاي قاعده اي 1. استرياتوم (Striatum): جسم مخطط نو (Neostriatum): دو توده هسته دم وار و پوتامن جسم مخطط (Corpus Striatum): دو قسمت سفيد و تيره زير قشري در جلو و خارج تالاموس در نيمکره ها شامل هسته هاي دم وار و پوتامن و گلوبوس پاليدوس

بخشهاي مختلف عقده هاي قاعده اي 2. پوتامن (Putamen): بزرگترين، تيره ترين و خارجي ترين قسمت 3. هسته دم وار (Caudate Nucleus): توده بزرگ و قوسي شکل خاکستري رنگ 3 قسمت سر، تنه و دم

بخشهاي مختلف عقده هاي قاعده اي 4. گلوبوس پاليدوس (Globus Palidus): کوچکترين، روشنترين و داخلي ترين قسمت هسته عدسي شکل گلوبوس پاليدوس بخش داخلي گلوبوس پاليدوس بخش خارجي

بخشهاي مختلف عقده هاي قاعده اي 5. ماده سياه (Substantia Nigra) لايه اي از ماده خاکستري که قسمتهاي خلفي پايک مغزي را از قسمتهاي قدامي آن جدا مي کند، و شامل دو بخش «مشبک» و «متراکم» است از نظر ساختار و بافت مشابهت زياد، ولي عملکرد آنها کاملاً متفاوت 6. هسته زير تالاموسي (Subthalamus nucleus) دومين ورودي مهم از دو بخش قشر جلويي و قشر حرکتي سيگنال مي گيرد. از نظر ابعاد بسيار کوچکتر از استرياتوم است ولي نقش بسيار مهمي در کنترل رفتار و ايجاد بيماريها دارد. سيگنالهايي تحريکي به هر دو بخش گلوبوس پاليدوس و ماده سياه

- - + Striatal Connections 3 1 2 2 2 Subthalamic nucleus Thalamus Subthalamic fasciculus Cerebral cortex Globus pallidus Substantia nigra Tone inhibitor dopamine Pallidonigral (thalamostriate) 2 (corticostriate) – motor region (Nigrostriate) Striatonigral Inhib GABA - striatopallida Caudate nucleus Putamen 2

Command for movement + - +

عملکرد عقده هاي قاعده اي عقده هاي قاعده اي از هسته هايي سه دسته ورودي، داخلي و خروجي دخالت در برنامه ريزي و کنترل طرحهاي پيچيده حرکات عضلات و شدت حرکات متوالي ورودي را از بخش خاکستري و خارجي مغز دريافت مي‌کند و خروجي را نيز از طريق تالاموس دوباره به قشر مغز برمي‌گرداند هسته هاي عمقي در ناحيه زير قشري در دو نيمکره کار آنها کمک به قشر حرکتي جزئي از سيستم حرکتي فرعي در ارتباط با قشر حرکتي بر خلاف مخچه، از محيط هيچگونه اطلاعاتي دريافت نمي کنند.

وظايف عقده هاي قاعده اي يادگيري تقويتي و استفاده از داده‌هاي گذشته و ارتباط با محيط براي کسب اطلاعات موثر در کنترل عمومي حرکات تنظيم زمان‌بندي براي اعمال حرکتي کنترل ترتيب انجام اعمال حرکتي اعضا و جوارح نقش اساسي در عملي کردن تصميم آغاز به حرکت تعيين سرعت حرکت و کنترل دامنه حرکت در طرح و برنامه ريزي حركات دخالت در روندهايي كه به وسيله آنها يك فكر انتزاعي به يك عمل ارادي تبديل مي شود نقش روند شناختي

مسيرها مسير مستقيم: اين مسير از استرياتوم بهGPi يا SNr رفته و سپس به تالاموس مي‌رسد پردازش اوليه روي سيگنال‌هاي عصبي مسير غير مستقيم: از استرياتوم به GPeو از آنجا به STN رفته و در آخر به GPi يا SNr رسيده و سپس مشابه مسير قبل به تالاموس مي‌رود. انجام وظايف داخلي و مهم عقده‌هاي قاعده‌اي مانند تنظيم فعاليت GP در اتصال فيدبک مهاری

مسيرهاي همگرا و مسيرهاي حلقه بسته اطلاعات از همه قشر خاکستري مغز به قسمت کوچک استرياتوم همگرا شده و در نهايت به قسمتهاي GPe و GPi همگرا مي‌شوند مسيرهاي همگرا اجازه پردازش ساختار حرکت ارتباطات محلي (به صورت حلقه‌هاي مقطعي و موازي)، جلوگيري از برخورد طرح‌هاي حرکتي به دليل تاثير متقابل آنها

ميانجيهاي عصبي هسته ها ميانجي مکان اثر عمل جسم مخطط گلوبوس پاليدوس هسته زير تالاموسي ماده سياه (قسمت متراکم) ماده سياه (قسمت مشبک) استيل کولين انکفالين/GABA مادهP/GABA GABA گلوتامات دوپامين گلوبوس پاليدوس (قسمت خارجي) گلوبوس پاليدوس (قسمت داخلي) ماده سياه گلوبوس پاليدوس (داخلي-خارجي) تالاموس مهاري تحريکي تحريکي و مهاري

مدارهاي نوروني عقده هاي قاعده اي شامل 4 مدار نوروني موازي: مدار حرکتي (مدار پوتامن) مدار ارتباطي (مدار هسته دم وار) مدار ليمبيک مدار چشمي–حرکتي و شامل 2 مدار نوروني فرعي: مدار ماده سياه مدار هسته زير تالاموسي

مدار حرکتي (مدار پوتامن) تالاموس

مدار ارتباطي يا شناختي (مدار هسته دم وار) تالاموس

مدار ليمبيک

مدار چشمي–حرکتي

مدارهاي فرعي اهميت آنها نسبت به مدارهاي اصلي کمتر مدار ماده سياه مدار هسته زير تالاموسي

ساختار فيزيولوژيك هسته هاي عقده هاي قاعده اي هسته هاي ورودي هسته هاي داخلي هسته هاي زير تالاموسي ماده سياه (قسمت متراكم) گلوبوس پاليدوس (قسمت خارجي) هسته هاي خروجي

تصوير شماتيک هسته هاي ورودي، داخلي و خروجي

اختلالات عقده هاي قاعده اي هايپركينزي: حرکات غير ارادي خود به خودي و اضافي- هانتينگتون كره باليسم آتتوز هايپوكينزي: فقدان يا مقاومت شديد در انجام حرکت‌هاي اختياري آكينزي ريجيديتي ايرگولاريتي: وجود بي نظمي‌هائي در حرکات

بيماري پاركينسون فوق فعاليت مسير غيرمستقيم و کمي فعاليت مسير مستقيم فوق فعاليت مسير غيرمستقيم و کمي فعاليت مسير مستقيم علل: تخريب قسمت متراكم ماده سياه كاهش گيرنده هاي دوپاميني در افراد مسن مصرف برخي داروهاي آرام بخش (بلوك كننده هاي گيرنده هاي دوپاميني) كاهش اكسيژن ضربه ها تومورها

علايم بيماري سختي عضلات، لرزش غير ارادي نواحي مبتلا زمان استراحت سختي عضلات، لرزش غير ارادي نواحي مبتلا زمان استراحت كندي و اشكال شديد در شروع حركات زجر آورترين و چشمگيرترين علامت، اشكال در شروع حركات

بيماري هانتينگتون در سنين 30 تا 50 سال اين بيماري خود را در تمام سطوح حركتي ، رفتاري و شناختي نشان مي دهد. علت: از بين رفتن سلولهاي ترشح كننده GABA در هسته دم وار و پوتامن و نيز سلولهاي ترشح كننده استيل كولين در قسمتهاي زيادي از مغز تخريب سلولهاي ترشح كننده استيل كولين، اختلالات رفتاري و شناختي را سبب مي شود كه در نهايت منجر به بروز جنون مي گردد

باليسم علت: وجود ضايعه (انفارکتوس و خونريزي ) در هسته هاي زير تالاموسي علت: وجود ضايعه (انفارکتوس و خونريزي ) در هسته هاي زير تالاموسي همي باليسم

آتتوز حرکات غير ارادي، پيچ و تاب دار و آهسته اندامها علت: ضايعات گلوبوس پاليدوس

بيماري ويلسون ناشي از اختلال در متابوليسم مس اختلال کبدي و عصبي ناشي از اختلال در متابوليسم مس اختلال کبدي و عصبي سن متوسط براي تظاهرات کبدي، 11 سالگي و براي علايم عصبي 19 سالگي علايم رسوب مس در هسته پوتامن و گلوبوس پاليدوس: لرزش در حال استراحت، حرکات کره اي رقص مانند در اندامها، کاهش حرکت، مشکل بلعي اختلالات رفتاري و شخصيتي و ديوانگي درمان: با دارويي به نام پني سيلامين

بررسي انواع روشهاي مدلسازي عقده هاي قاعده اي

مشخصه هاي يک مدل ايده آل حقايق موجود در مورد پديده مورد نظر را تا حد ممکن در نظر گيرد. توانايي بازنمايي يافته هاي آزمايشگاهي در مورد پديده را دارا باشد. امکان کشف علل مؤثر در رفتارهاي طبيعي و غيرطبيعي پديده را فراهم آورد. بتوان رفتارها و مشخصات معقول بدست نيامده از آزمايشها با استفاده از آن پيش بيني کرد.

سه دسته راهکار براي مدلسازي به ترتيب زماني ارائه: مدلهاي انتخاب عمل مدلهاي ايجاد توالي اعمال مدلهاي بر اساس الگوريتم رقابتي

ساختار کلي در نظر گرفته شده براي مدلهاي انتخاب عمل مدل آقاي البين، 1989 آقايان مينك و تاچ، 1993 ساختار کلي در نظر گرفته شده براي مدلهاي انتخاب عمل

پروسه انتخاب

معايب مدلهاي انتخاب عمل اين مدلها (در مقايسه با ديگر مدل ها) بسيار ساده هستند. عدم تاييد قطعي نقش عقده هاي قاعده اي به عنوان ساختار انتخابگر عمل در نظر نگرفتن توانايي پردازش سيگنال هاي پويا و ايجاد ارتباطات زماني بين پديده ها در نظر نگرفتن کامل زيربخش هاي عقده هاي قاعده اي و مشخصات آنها در هيچ يک از مدلهاي ارائه شده

معايب مدلهاي انتخاب عمل در نظر نگرفتن: - حلقه بسته فيدبک درون عقده هاي قاعده اي - ارتباط دو طرفه بين عقده هاي قاعده اي و قشر - وجود مسير مستقيم و غيرمستقيم و رقابت بين آنها در نظر نگرفتن نقش نورون هاي DA - استفاده از الگوريتمهاي آموزش باسرپرستي

مدلهاي ايجاد توالي اعمال پايه اي براي پردازش اطلاعات در سطوح بالاتر به وسيله مغز، مانند حافظه، حرکت، شناخت و پردازشهاي گفتاري استرياتوم و پاليدوم که توالي هاي مربوط به حرکات يک شکل و يکنواخت، در استرياتوم کد مي شوند. مدل آقاي فوكاي )1999( براي ايجاد حرکات ترتيبي، مهار شديد روي سلولهاي تالاموس که مسئول ايجاد هر بخش هستند، بايد به ترتيب حذف شود فيدبک مثبت احتياج به يک اتصال دقيق براي وصل کردن نورونهاي استرياتوم، پاليدوم، تالاموس و قشر دارد و بنابراين يک ساختار برگشتی نسبت به يک ساختار پيچيده باز، ارجحيت دارد.

مدلهاي ايجاد توالي اعمال در ابتدا تصور مي شد که مغز مکانيسمهاي نورونيي وجود دارد که بدون يادگيري متمرکز و فشرده، به سرعت به توليد حرکات پشت سر هم مي پردازد راه حل: يک مخرن در مغز در مدل آقاي فوكاي، فرض شده که قشر مغز، چنين مخزني براي حافظه کوتاه مدت دارد، که به ترتيب مؤلفه ها را در آن ذخيره مي کند تعيين زمان بندي دلخواه براي هر مؤلفه حرکت: اگر دو توالي در الگوهاي زماني مختلف، يک ترتيب پشت سر هم مشابه داشته باشند، مي توانند به عنوان يک توالي در نظر گرفته شوند آقايان برنز و سنوسكي )1998( ضرورت حافظه عملکردي براي پردازش سلسله مراتبي حلقه هاي بين GPe و STN مانند حافظه عملکردي، فعاليت مي کنند

مدلهاي ايجاد توالي اعمال براي توليد مؤثر توالي: در ابتدا مؤلفه هايي که مورد استفاده شده، مي توانند از گذرگاه قشري حذف شوند تا براي تحول بعدي آماده شوند. اين کار به وسيله يک فيدبک مهاري درحلقه قشري- عقده هاي قاعده اي-تالاموسي انجام مي شود. رقابت "برنده مالک همه چيز است" در طول حلقه ها براي محدود کردن تعداد حلقه هاي فعال به يک حلقه اجرا مي شود. همچنين جلوگيري از رخ دادن يک تحول برنامه ريزي شده قبل از اينکه به وسيله STN سيگنال دهي شود

مدلهاي ايجاد توالي اعمال دو عيب اساسي: اين مدلها معمولا بخشي جداگانه را به عنوان حافظه در عقده‌هاي قاعده‌اي و يا در قشر مغز در نظر مي گيرند که باعث ايجاد توالي اعمال مي شود در حاليکه اين مسئله به طور دقيق به اثبات نرسيده است و بيشتر به نظر مي رسد که وجود تاخير زماني در مسيرهاي مختلف پردازش سيگنال باعث ايجاد رفتار پويا مي شود مشخص شده است که نورونهاي (DA) که در SNc واقع شده اند رفتار عقده‌هاي قاعده‌اي را به شدت و به صورت يک الگوريتم رقابتي تحت تاثير قرار مي دهند.

مدلهاي بر اساس الگوريتم رقابتي بررسي رفتار نورونها DA دو دسته مدلهاي عامل-معلول و فشرده­ساز اطلاعات Actor critic (Dimension reducer or information compressor )

مدلهاي بر اساس الگوريتم رقابتي مدل کاهش بعد مدل Bar-gad در سال 2003 فرضيات اين مدل: ساختار قيف مانند عقده هاي قاعده اي وجود نداشتن شواهدي دال بر وجود ارتباطات مهاري بين نورونهاي استرياتوم با استفاده از خصوصيات ديناميک

مدلهاي بر اساس الگوريتم رقابتي استفاده از شبکه خود انجمني به عنوان تحليلگر مولفه­هاي اساسي غير خطي شبکه سه لايه؛ قشر، استرياتوم و GPi قانون آموزش هبين براي مسيرهاي مستقيم و آنتي هبين براي مسيرهاي جانبي

مدلهاي بر اساس الگوريتم رقابتي مزايا در نظر گرفتن تمامي بخشهاي اثرگذار در پردازش سيگنال انتقال حجم وسيعي از اطلاعات توسط تعداد محدودي آکسون مدل شدن نورونهاي DA با استفاده از الگوريتم رقابت مدل شدن خاصيت پردازش پويا با استفاده از فيدبکهاي بازگشتي

با تشکر

Neostriatum (striatum) Pallidum Globus pallidus efferent Lentiform nucleus Corpus striatum Putamen Neostriatum (striatum) afferent Caudate nucleus The striatum is largely afferent (receives fibres) The pallidum is largely efferent (sends fibres)

Saggital view of basal ganglia, substantia nigra and subthalamic nucleus.

Cortical control – “What is to be done” Basal ganglia and cerebellum – “How it is to be done”

Other stages of serial order processing encoding decoding execution

مدلهاي TD