Pontomedulläre Retikularformation und Retikulospinaltrakt

Die pontomedulläre Retikularformation und der Retikulospinaltrakt sind ein wichtiges absteigendes System zur Steuerung der Bewegung und ein kritischer Knotenpunkt für die sensomotorische Integration, der es dem Nervensystem ermöglicht, freiwillige Handlungen angemessen mit Haltung und Fortbewegung zu koppeln (Abb. 1.9). Es hat sich gezeigt, dass dieses System eine herausragende Rolle spielt bei: (1) antizipatorischen und reaktiven Haltungsanpassungen; (2) kontrolle der Intensität und des Modus des Bewegungsapparates (Gehen vs. Laufen); und (3) Regulierung des Muskeltonus (Drew et al., 1986; Prentice und Drew, 2001; Schepens und Drew, 2004; Takakusaki, 2017). Diese komplexen motorischen Funktionen werden durch die Konvergenz kortikaler und subkortikaler motorischer Befehle mit sensorischer Rückkopplung und topographisch organisierten absteigenden Projektionen auf axiale Muskeln und Beuge- und Streckmuskeln der Gliedmaßen koordiniert (Peterson et al., 1979).

Abb. 1.9. Zusammenfassung der Input- und Output-Pfade zur mesencephalic locomotor Region und pontomedullären retikulären Formation. CPGs, zentrale Mustergeneratoren; GPi, Globus pallidus internus; LRST, lateraler (medullärer) Retikulospinaltrakt; MRST, medialer (pontine) Retikulospinaltrakt; PM, prämotorischer Kortex; PPNc, kaudale Region des Pedunculopontinkerns; PPNr, rostrale Region des Pedunculopontinkerns; SMA, ergänzender motorischer Bereich; SRT, spinoretikulärer Trakt; STN, Nucleus subthalamicus.

Die markretikuläre Formation besteht aus drei Hauptregionen: eine paramediane retikuläre Kerngruppe, eine zentrale Gruppe (Nucleus reticularis ventralis und gigantocellularis) und eine laterale Kerngruppe (magnozelluläre, parvizelluläre Kerne). Die pontine retikuläre Formation umfasst den Nucleus reticularis pontis, Pars oralis und Pars caudalis. Neuronen mit Aktivität im Zusammenhang mit Fortbewegung, antizipatorischer und reaktiver Haltungskontrolle und Erreichen befinden sich überwiegend in medialen Regionen der pontomedullären Formatio reticularis, einschließlich des Nucleus reticularis gigantocellularis, Pontis caudalis, Pontis oralis und magnocellularis (Drew et al., 1986; Matsuyama und Drew, 2000; Buford und Davidson, 2004; Schepens und Drew, 2004). Diese Regionen enthalten Neuronen, deren absteigende axonale Projektionen die lateralen (medullären) und medialen (pontinischen) retikulospinalen Bahnen bilden (siehe unten).

Die mediale pontomedulläre retikuläre Formation erhält sowohl gekreuzten als auch nicht gekreuzten Input vom Kortex, insbesondere von motorischen Regionen des frontalen Kortex, einschließlich des primären motorischen Kortex, des prämotorischen Kortex und des ergänzenden motorischen Bereichs (Peterson et al., 1974; Jinnai, 1984; Er und Wu, 1985; Canedo und Lamas, 1993; Kably und Drew, 1998). Kortikaler Input kommt sowohl von Kollateralen absteigender kortikospinaler Axone als auch von direkten kortikortikulären Projektionen. Diese Organisation bietet eine übergeordnete Kontrolle der retikulospinalen Aktivität und die Fähigkeit, freiwillige motorische Befehle (kortikospinal vermittelt) mit geeigneten Haltungsanpassungen zu koppeln (Abb. 1.1). Regionen, die Input von motorischen Regionen des frontalen Kortex erhalten, haben auch konvergenten Input von MLR, Kleinhirn, vestibulären Kernen und spinoretikulären Bahnen.

Die Ausgabe aus den Otolithen und Bogengängen wird über di- und polysynaptische Verbindungen durch die vestibulären Kerne an retikulospinale Neuronen in dorsorostralen Zonen des Nucleus reticularis gigantocellularis und der kaudalen Pontin-Retikularformation weitergeleitet (Peterson, 1972; Peterson und Abzug, 1975; Peterson et al., 1980). Dieser Eingang dient zur Modulation des retikulospinalen Ausgangs zusammen mit schwerkraftabhängigen Haltungsreflexen. Zerebelläre Inputs stammen überwiegend aus medialen und intermediären Zonen des Kleinhirns (Fastigial- und Interpositus-Kerne) und liefern so fehlerbezogene kinematische Rückkopplungen (Eccles et al., 1975; Matsuyama und Jankowska, 2004; Takahashi et al., 2014). Spinoretikuläre Inputs entstehen aus propriozeptiven und kutanen Rezeptoren und enden überwiegend in kaudalen Regionen des Nucleus reticularis gigantocellularis (Parent, 1996). Die kutane afferente Rückkopplung an medulläre retikulospinale Neuronen ist während der Fortbewegung besonders ausgeprägt (Drew et al., 1996; Bäcker, 2011). Die Konvergenz dieser Eingaben in Regionen der medialen pontomedullären Formatio reticularis, die in den Retikulospinaltrakt abgegeben werden, bietet die Möglichkeit, Haltungsbefehle in Übereinstimmung mit Änderungen der sensorischen Rückkopplung und freiwilligen motorischen Befehlen zu modulieren und anzupassen.

Der retikulospinale Trakt umfasst in Verbindung mit dem vestibulospinalen Trakt das mediale absteigende motorische System (Lawrence und Kuypers, 1968). Die Bedeutung dieser Systeme wird durch Experimente an nichtmenschlichen Primaten veranschaulicht, die zeigen, dass bilaterale Läsionen der lateralen absteigenden motorischen Bahnen (Kortikospinaltrakt) zu einer sofortigen Phase schlaffer Lähmung führten, auf die jedoch eine deutliche Wiederherstellung der Haltungskontrolle, der Fortbewegung und der Beweglichkeit folgte Erreichen, während chronische Beeinträchtigungen bei der Kontrolle der Handbewegungen bestehen blieben (Lawrence und Kuypers, 1968).

Der laterale (medulläre) Retikulospinaltrakt leitet sich überwiegend von den Axonen von Neuronen im Nucleus reticularis gigantocellularis ab, während der mediale (pontine) Retikulospinaltrakt aus Nucleus reticularis pontis, pars oralis und Pars caudalis (Zimmermann, 1991). Axone retikulospinaler Neuronen in der pontinischen Retikularformation steigen zunächst bilateral durch das Mark-Tegmentalfeld ab, setzen sich dann ipsilateral über den ventralen Funiculus des Rückenmarks fort und umfassen den medialen Retikulospinaltrakt. Projektionen aus der medullären retikulospinalen Formation steigen bilateral ab (obwohl der ipsilaterale Trakt vorherrscht), nur lateral zum medialen Längsfaszikulus, treten dann in das Rückenmark ein und verbinden sich entweder mit den pontinischen Fasern, die den medialen retikulospinalen Trakt bilden, oder wandern über ventrolateralen Funiculus im lateralen retikulospinalen Trakt (Zimmermann, 1991). Eine Untergruppe von retikulospinalen Neuronen stellt monosynaptische Verbindungen zu Alpha- und Gamma-Motoneuronen im ventralen Horn her (Lamina IX), während die Mehrheit an prämotorischen Interneuronen in der Zwischenzone des Rückenmarks endet (Laminae VII und VIII). Parallele Eingänge zu Alpha- und Gamma-Motoneuronen bieten dem retikulospinalen System die Möglichkeit, die Muskeldehnungsempfindlichkeit entsprechend den Aufgabenanforderungen zu modulieren.

Unser Verständnis der topographischen und funktionellen Organisation der medialen pontomedullären retikulären Formation wurde weitgehend aus chemischen oder elektrischen Stimulationsstudien an Katzen abgeleitet (Grillner et al., 1968). Es wurden zwei Zonen beschrieben, die sich in Bezug auf die Auswirkungen der Stimulation auf die Motoneuronaktivität der Wirbelsäule unterscheiden. Die Stimulation in der dorsorostralen Region des Nucleus reticularis gigantocellularis und der kaudalen pontinretikulären Formation ruft überwiegend monosynaptische exzitatorische postsynaptische Potentiale in Motoneuronen der axialen und Beuge- und Streckmuskeln der Gliedmaßen hervor (Reaktionen waren am häufigsten in proximalen Muskeln) (Grillner et al., 1968; Jankowska et al., 1968; Riddle et al., 2009; Frigon, 2017). Im Gegensatz dazu war die Stimulation in mehr ventrocaudalen Regionen des Nucleus reticularis gigantocellularis am häufigsten mit einer di- und multisynaptischen Hemmung von spinalen Motoneuronen verbunden. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass diese beiden Zonen eine Rolle bei der Aufrechterhaltung der Körperhaltung und der Regulierung des Muskeltonus sowohl während des Wachverhaltens als auch während des Schlafes spielen (Takakusaki, 2017).

Die Kontrolle des Muskeltonus kann durch direkte und indirekte inhibitorische oder exzitatorische synaptische Verbindungen zu spinalen Motoneuronen, die Eingabe von Gamma-Motoneuronen, die die Empfindlichkeit von Muskelspindeln gegenüber Dehnung verändern (Carpenter, 1991) oder präsynaptische Hemmung von primären sensorischen Afferenzen (Takakusaki, 2017). Züge der elektrischen Stimulation, die auf jede Zone der medialen pontomedullären retikulären Formation angewendet werden, können auch stereotype Muster der Muskelaktivierung hervorrufen, die durch die Kopplung der Flexion der oberen Extremitäten mit der Schulterabduktion auf der ipsilateralen Seite in Verbindung mit der kontralateralen Extremitätenstreckung und Schulteradduktion gekennzeichnet sind (Davidson und Buford, 2004, 2006; Herbert et al., 2010). In ähnlicher Weise wird angenommen, dass die mediale pontomedulläre retikuläre Formation eine Rolle bei der ipsilateralen Kopplung von Hüftstreckung und Adduktion, Kniestreckung und Knöchelplantarflexion sowie der kontralateralen Kopplung von Hüftflexion und Abduktion, Knieflexion und Knöcheldorsiflexion spielt (Thelen et al., 2003; Sanchez et al., 2017). Es wird angenommen, dass die Überexpression dieser Muster zu den abnormalen Synergien der oberen und unteren Extremitäten beiträgt, die nach Läsionen der kortikofugalen Bahnen (z. B. Schlaganfall) auftreten (Brunnstrom, 1970).

Die pontomedulläre retikuläre Formation ist auch eine wichtige Struktur für die Erzeugung von Fortbewegung. Retikulospinale Neuronen sowohl in dorsalen als auch ventralen Regionen der medialen markretikulären Formation erhalten umfangreichen Input von der MLR (keilförmige und rostrale Regionen der PPN). Glutamaterger Input aus dem MLR bestimmt die Intensität und den Zustand des Bewegungsapparates (Roseberry et al., 2016). Die elektrische Stimulation der markretikulären Formation während der Laufbandlokomotion bei der Katze ruft Reaktionen hervor, die durch die Aktivierung von Flexoren und Extensoren gekennzeichnet sind, die mit der Phase des Gangzyklus moduliert sind, die Kopplung der ipsilateralen Flexoren und kontralateralen Extensoren oder den Bewegungsrhythmus zurücksetzen können (Frigon, 2017). Diese Ergebnisse zeigen, dass die markretikuläre Formation und der laterale retikulospinale Trakt die Aktivität in spinalen CPG-Kreisläufen stark beeinflussen.Die absteigenden Vorsprünge des Retikulospinaltrakts weisen zwei Merkmale mit dem lateralen Vestibulospinaltrakt auf: (1) Ein großer Teil der Axone hat Kollateralen, die auf mehreren Ebenen des Rückenmarks innervieren; und (2) enden überwiegend an prämotorischen Interneuronen in Rexeds Laminae VII und VIII. Im Gegensatz zu den vestibulospinalen Eingaben, die in erster Linie die Streckmuskelaktivität erleichtern und die Beugemuskelaktivität unterdrücken, erleichtern oder unterdrücken die Eingaben des retikulospinalen Trakts sowohl die Streck- als auch die Beugeaktivität aufgaben- oder haltungsabhängig und haben häufig gegenseitige Auswirkungen auf die ipsilaterale und kontralaterale Seite. Dieser Unterschied unterstützt weiter die Idee, dass das vestibulospinale System auf die Extensormuskelaktivität spezialisiert ist, um die vertikale Unterstützung der Unterstützung gegen die Schwerkraft zu steuern, während der retikulospinale Input zur Ausführung komplexer Muskelmuster (Synergien) beiträgt, die eine aufgabengerechte Haltungsunterstützung in Verbindung mit der beabsichtigten Bewegung bieten (Schepens und Drew, 2004).