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Dr. Fernando D. Saraví El cerebelo ocupa el 10 % del volumen encefálico pero contiene más del 50 % del total de las neuronas del sistema nervioso. El cerebelo recibe información aferente vestibular, visual y proprioceptiva e información eferente de las áreas corticales motoras. La principal función del cerebelo es influenciar los sistemas motores al evaluar disparidades entre la intención y la acción resultante y enviar señales correctivas (ajustes) que modifican la actividad eferente de la corteza motora y de núcleos motores del tallo cerebral. El cerebelo carece de eferencias directas a la médula espinal. RESEÑA ANATÓMICA El cerebelo se ubica en la fosa posterior del cráneo. Su superficie muestra muchos pliegues paralelos, llamados folios, que aumentan grandemente el área de su corteza. En la parte posterior, una cisura transversal, llamada primaria, separa el lóbulo anterior del lóbulo posterior. Estos dos lóbulos forman el cuerpo del cerebelo, que está separada del pequeño lóbulo flóculonodular por una segunda fisura, llamada posterolateral (Fig. 1). En el plano frontal, el cuerpo del cerebelo se divide en una región central, denominada vermis, y dos hemisferios. El cerebelo está conectado con el resto del sistema nervioso central por tres pares de pedúnculos, llamados superior (brachium conjunctivum), medio (brachium pontis) e inferior (cuerpo restiforme). Las aferencias corticales llegan al cerebelo (previo relevo en la protuberancia) por el pedúnculo medio y las aferencias espinales por el pedúnculo inferior. Cabe destacar que las aferencias corticales son cruzadas (contralaterales) mientras que las aferencias espinales son directas (isolaterales). Las fibras eferentes, que se dirigen a la corteza cerebral – con relevo talámico – y al tallo cerebral, egresan principalmente por el pedúnculo superior. En los cortes del cerebelo se observa una capa externa de sustancia gris, la corteza cerebelosa. En el seno del cerebelo hay tres pares de núcleos profundos, que de la línea media hacia los lados son el núcleo fastigio (o del techo), el núcleo interpósito (formado por los núcleos globoso y emboliforme) y el núcleo dentado. Regiones funcionales Desde el punto de vista de sus conexiones y organización funcional, el cerebelo se divide en tres regiones, llamadas vestíbulocerebelo, espinocerebelo y cerebrocerebelo (Fig. 2). El vestíbulocerebelo corresponde al lóbulo flóculonodular. Sus principales aferencias de los núcleos vestibulares, pero también recibe aferentes visuales y de los mecanorreceptores del cuello (ver EQUILIBRIO Y POSTURA). Sus eferencias se dirigen directamente desde la El cerebelo Posgrado-00 Sello El cerebelo Dr. Fernando D. Saraví 2 corteza cerebelosa hacia los núcleos vestibulares. El vestíbulocerebelo participa en la regulación del equilibrio, de los reflejos vestibulares y de los movimientos oculares. El espinocerebelo corresponde al vermis y la parte adyacente de los hemisferios cerebelosos. La región del vermis recibe aferentes somatosensoriales del tronco e información visual y auditiva. Sus eferencias se dirigen desde la corteza al núcleo fastigio y de allí a los núcleos vestibulares y reticulares y a la corteza cerebral motora, premotora, frontal y parietal por medio de relevos tálamicos. Esta porción del espinocerebelo contribuye al control de la musculatura del tronco y de la parte proximal de los miembros y es importante para el control de la postura y la locomoción. Además, contribuye al control de los movimientos oculares. En la porción hemisférica del espinocerebelo hay una representación somatotópica de la cabeza y dos representaciones de los miembros isolaterales (una en el lóbulo anterior y otra en el lóbulo posterior). Sus aferencias provienen principalmente de la médula espinal y la corteza motora y premotora. Sus eferencias se dirigen de la corteza cerebelosa, por vía de los núcleos globoso y emboliforme, por una parte a la oliva inferior y a interneuronas de núcleos motores del tallo cerebral (núcleo rojo y núcleos reticulares) y del asta anterior de la médula. Las demás eferencias se dirigen al tálamo y de allí a las áreas motoras corticales, la corteza prefrontal y la corteza parietal. Esta parte del espinocerebelo participa en la regulación de los movimientos de las partes distales de las extremidades, incluyendo manos y pies. El cerebrocerebelo ocupa la mayor parte de los hemisferios. Recibe aferencias de las áreas corticales de asociación (prefrontales, parietales y temporales). Sus eferencias parten de la corteza con relevo en el núcleo dentado y desde éste al núcleo rojo y los núcleos reticulares y, con relevo en el tálamo, a las cortezas prefrontal y parietal y las áreas motoras corticales. El cerebrocerebelo tiene un papel importante en la planificación y ejecución de movimientos voluntarios. Además, puede participar en funciones cognitivas relacionadas con las áreas de asociación. NEURONAS Y ORGANIZACIÓN SINÁPTICA Un hecho muy llamativo acerca del cerebelo es la notable uniformidad de la organización sináptica de las diferentes regiones funcionales. Las divisiones vestibular, espinal y cerebral del cerebelo tienen una organización similar. Esto sugiere que todas las regiones realizan el mismo tipo de procesamiento para informaciones de muy diferente procedencia y que, en consecuencia, los patrones de descarga eferente de las diferentes áreas también son similares. Las características sobresalientes de la citada organización son las siguientes: 1. La corteza se organiza en tres capas. 2. Hay dos tipos de aferentes a la corteza, las fibras musgosas y las fibras trepadoras. 3. Ambos tipos dan colaterales a los núcleos profundos. 4. Ambas clases de fibras son excitatorias. 5. En la corteza y en los núcleos profundos se comparan señales excitatorias e inhibitorias. 6. Las eferencias corticales son inhibitorias. 7. Las eferencias corticales se dirigen a los núcleos profundos. 8. Las eferencias de los núcleos profundos son excitatorias (excepto las dirigidas a la oliva inferior). El cerebelo Dr. Fernando D. Saraví 3 9. Existen asas de retroalimentación en varios niveles dentro del cerebelo. La corteza cerebelosa Como se dijo, está organizada en tres capas, que de la profundidad a la superficie son (Fig. 3): 1. La capa granulosa. 2. La capa de células de Purkinje o ganglionar. 3. La capa molecular. En la capa granulosa se encuentran los pequeños somas de las células granulosas, cuyo enorme número se estima entre 40 y 100 mil millones (4 . 10 10 a 10 11 ). Las células granulosas son interneuronas excitatorias cuyos axones ascienden hasta la capa molecular, donde originan las fibras paralelas. También contiene un número muy inferior de células de Golgi y otras neuronas. En la capa ganglionar están los somas de las células de Purkinje, las neuronas cuyos axones son los únicos eferentes de la corteza cerebelosa. Se estima que en la corteza cerebelosa hay 14 millones de células de Purkinje, que son de gran tamaño (diámetro de 50 a 80 m) y se disponen en una única capa. Sus grandes árboles dendríticos se disponen en abanico en la capa más externa y tienen la característica de disponerse de manera bidimensional, en un plano perpendicular a la dirección medial-lateral de los folios. En la capa más externa, o molecular, además de las dendritas de las células de Purkinje hay dos tipos de interneuronas inhibitorias, llamadas células en cesta y células estrelladas. Los axones de las células granulosas ascienden hasta esta capa y se dividen en dos ramas que se extienden en sentidos opuestos en dirección medial-lateral. Estas ramas forman las fibras paralelas, que forman sinapsis excitatorias con las dendritas de las células de Purkinje y con las células estrelladas y en cesto. Notablemente,la dirección de las fibras paralelas es perpendicular al plano principal del árbol dendrítico de las células de Purkinje. AXONES AFERENTES El cerebelo recibe dos clases principales de aferentes, cuyos axones se denominan fibras musgosas y fibras trepadoras. Ambos tipos de fibras establecen sinapsis con los núcleos profundos y con neuronas de la corteza cerebelosa. El cerebelo recibe también aferencias aminérgicas (ver EL RITMO DIARIO DE ACTIVIDAD: SUEÑO Y VIGILIA): 1. Noradrenérgicas del locus coeruleus. 2. Serotonérgicas de los núcleos del rafe. 3. Histaminérgicas del complejo túberomamilar del hipotálamo. Estas aferencias aminérgicas modulan el estado general de excitabilidad de las neuronas cerebelosas. Por otra parte, las fibras musgosas y trepadoras aportan información específica y topográficamente organizada para su procesamiento en la corteza y los núcleos cerebelosos (Fig. 4). Fibras musgosas Las fibras musgosas corresponden a axones aferentes que traen información proveniente de la corteza cerebral, los núcleos de los pares craneanos (incluyendo información vestibular) y la médula espinal. Las fibras musgosas establecen sinapsis excitatorias con las células granulosas. El cerebelo Dr. Fernando D. Saraví 4 Existen cerca de 25 millones de fibras musgosas, que inervan los 4 000 a 10 000 millones de células granulosas. Cada fibra musgosa se ramifica en ramas que penetran los folios, en ocasiones bilateralmente. Cada rama forma ~ 40 glomérulos (ver más adelante), cada uno de los cuales posee dendritas de 15 células granulosas. Cada célula granulosa establece contactos sinápticos excitatorios en varios glomérulos. Cada fibra musgosa establece sinapsis con ~ 600 células granulosas. Mediante el sistema de fibras paralelas, las células granulosas excitan las células de Purkinje. Debido a la disposición de las fibras paralelas (que tienen 4 a 6 mm de largo) y de las dendritas de la células de Purkinje, cada fibra paralela puede excitar 200 a 1000 células de Purkinje y cada célula de Purkinje recibe influencias excitatorias de ~ 150 000 fibras paralelas. No obstante, el efecto excitatorio de cada una de estas sinapsis es débil, de modo que se requiere la sumación espacial y temporal de muchos potenciales de estas sinapsis para producir la descarga de la célula de Purkinje. Cuando esta sumación alcanza un valor crítico, la consiguiente excitación del soma produce potenciales de acción dependientes de Na + , que se propagan por el axón de las células de Purkinje hacia los núcleos cerebelosos y hacia los núcleos vestibulares (que desde el punto de vista sináptico funcionan como núcleos “cerebelosos” que se encuentran fuera del cerebelo). Las células de Purkinje emplean GABA como neurotransmisor y en consecuencia inhiben las células de los núcleos profundos y vestibulares. Las células de Purkinje poseen una tasa de descarga espontánea relativamente elevada, de 40 a 100 impulsos/segundo (Hz), en ausencia de movimientos. Durante los movimientos de los ojos, la cara y los miembros, las tasas de descarga alcanzan cientos de Hz, debido a la convergencia de estímulos excitatorios en el sistema de fibras musgosas y fibras paralelas. Mediante las variaciones en su frecuencia de descarga, el sistema de fibras musgosas codifica la intensidad y la duración de los estímulos originados en la corteza cerebral, los pares craneales o los aferentes espinocerebelosos. Las fibras trepadoras provienen exclusivamente de la oliva inferior que, tras decusarse, ingresan por los pedúnculos cerebelosos inferiores y establecen sinapsis excitatorias con los núcleos cerebelosos y con las células de Purkinje contralaterales. Las neuronas El cerebelo Dr. Fernando D. Saraví 5 de la oliva inferior establecen sinapsis eléctricas entre sí, por lo cual la descarga de grupos de neuronas olivocerebelosas puede ocurrir en forma sincrónica. La oliva inferior consta de una porción principal, formada por tres núcleos (lateral, central y medial) y una porción accesoria, llamada el capuchón dorsal de Kooy. Ambas partes originan fibras trepadoras, pero las propiedades funcionales de cada una son diferentes. Las neuronas de la porción principal poseen oscilaciones espontáneas de su potencial de membrana de 8 a 10 Hz, mientras que las neuronas de la porción menor carecen de tales oscilaciones, pero cuando se activan pueden descargar a frecuencias más altas (30 Hz) que las neuronas de la parte principal. Mientras que las neuronas de la porción principal se relacionan con el control de la musculatura somática, las neuronas del capuchón dorsal regulan solamente los músculos extraoculares y, por tanto, los movimientos de los ojos. Aunque el trayecto recorrido por las fibras trepadoras es variable, según la región del cerebelo que inervan, las fibras con trayectos más largos poseen una velocidad de conducción proporcionalmente mayor. Por tanto, todas las fibras trepadoras demoran el mismo tiempo (~ 4 ms) en excitar las correspondientes células de Purkinje. La influencia del sistema de fibras trepadoras es mucho más localizada que la del sistema de fibras paralelas. Cada fibra trepadora inerva solamente 1 a 10 células de Purkinje, y cada célula de Purkinje recibe una sola fibra trepadora. La fibra trepadora envuelve al soma y las dendritas de las células de Purkinje como una enredadera a un árbol, y establece múltiples contactos sinápticos con ellas. Las sinapsis entre la fibra trepadora y la célula de Purkinje son en extremo eficaces, de modo que cada descarga de la fibra trepadora genera en el soma y las dendritas de las células de Purkinje la activación de canales de Ca 2+ que generan potenciales de acción (fue en las células de Purkinje que se demostró por primera vez que las dendritas podían generar y conducir potenciales de acción). El potencial de acción causado por la fibra trepadora se denomina complejo, ya que consta de una espiga inicial seguida de varias espigas de amplitud decreciente (Fig. 5). Luego de producirse el potencial de acción complejo, la célula de Purkinje hace una pausa antes de retomar su frecuencia de descarga previa. Dado que las fibras trepadoras de la porción principal tienen una frecuencia de descarga muy baja (1 a 3 Hz en animales no anestesiados), es muy poco probable que los cambios en la frecuencia de descarga proporcionen información importante (a diferencia de las fibras trepadoras). Por el contrario, la descarga fásica de las fibras trepadoras es importante para informar la detección de un acontecimiento pero no su intensidad ni duración. La oliva inferior parece tener un papel destacado en tres aspectos del control motor somático: 1. Señalar la cadencia o timing de una serie compleja de movimientos, a veces de naturaleza periódica. 2. Proporcionar una señal de error que permite corregir la ejecución de un movimiento. 3. Producir cambios sostenidos en el funcionamiento de las células de Purkinje mediante fenómenos de plasticidad sináptica como la depresión de largo plazo (ver ATENCIÓN Y MEMORIA). ASAS EXCITATORIAS E INHIBITORIAS Los circuitos sinápticos cerebelosos se caracterizan por asas superpuestas de excitación e inhibición. Estas asas permiten comparar influencias excitatorias e inhibitorias y proporcionar respuestas adecuadas. Además, el conjunto de asas principales y accesorias moldean las respuestas cerebelosas, permitiendo correcciones precisas en la planificación, la ejecución o el aprendizaje de los movimientos. Asas principales Las colaterales de las fibras musgosas y trepadoras hacia los núcleos cerebelosos. Estos núcleos poseen axones que establecen sinapsis excitatorias en todas sus proyecciones, excepto El cerebelo Dr. Fernando D. Saraví 6 las dirigidas a la oliva inferior. Por tanto, las aferencias a estos núcleos y sus eferenciasforman un asa excitatoria. Por otra parte, aunque las aferencias a la corteza cerebelosa son excitatorias, las eferencias, llevadas por los axones de las células de Purkinje, son siempre inhibitorias. Por consiguiente, el circuito cortical es, en conjunto, un asa inhibitoria. Ahora bien, dentro de la misma corteza cerebelosa hay tres tipos principales de inteneuronas inhibitorias: las células de Golgi en la capa granulosa y las células en cesto y estrelladas en la capa molecular. Las fibras paralelas establecen sinapsis con todas ellas, que forman parte de asas inhibitorias intracorticales. Asa de las células de Golgi En una de dichas asas participan las células de Golgi, que es la interneurona más abundante de la capa granulosa; en el ser humano, hay una célula de Golgi por cada 1200 células granulosas. Las células de Golgi tienen árboles dendríticos que por una parte ascienden hasta la capa molecular, donde pueden ser excitadas por las fibras paralelas, y por otro lado se extienden y superponen en la capa granulosa, donde pueden ser excitadas por las fibras musgosas. En la capa granulosa, las fibras musgosas forman, con las dendritas de las células granulosas y con las dendritas y axones de las células de Golgi una estructura sináptica compleja denominada glomérulo cerebeloso (Fig. 6). Las células de Golgi emplean GABA (y a veces también glicina) como neurotransmisor y son, por tanto, inhibitorias. Cuando son excitadas por las fibras musgosas y paralelas, los axones de las células de Golgi producen inhibición presináptica de las fibras musgosas en los glomérulos. Esto reduce la excitación de las células granulosas (postsinápticas). La función de las células de Golgi sería limitar la activación de las células granulosas que no estén fuertemente excitadas, y en consecuencia provocar la existencia de regiones inhibidas en torno a las regiones excitadas de fibras paralelas que activa las células de Purkinje. Asas en la capa molecular Tanto las células estrelladas como las células en cesto son interneuronas inhibitorias. Ambas clases son excitadas por las fibras paralelas y los axones de ambas establecen sinapsis con las células de Purkinje. En consecuencia, las células en cesto y estrelladas también contribuyen a regular la activación de las células de Purkinje (Fig. 7). Asas entre los núcleos cerebelosos y la oliva inferior Si bien las eferencias de los núcleos cerebelosos hacia el tallo cerebral, los núcleos vestibulares el tálamo son excitatorias, estos núcleos poseen una importante población de neuronas inhibitorias, cuyos axones se dirigen exclusivamente a la oliva inferior. En la oliva, los axones pueden establecer sinapsis axosomáticas o axodendríticas que causan inhibición postsináptica clásica de las neuronas de la oliva inferior. No obstante, cerca de la mitad de las sinapsis se producen en una estructura llamada glomérulo olivar, que posee espinas dendríticas de neuronas olivares que poseen sinapsis eléctricas. En estos glomérulos, los axones inhibitorios producen desacoplamiento eléctrico de las neuronas olivares. Por otra parte, los eferentes excitatorios de los núcleos cerebelosos hacia el tallo cerebral El cerebelo Dr. Fernando D. Saraví 7 forman una segunda asa de retroalimentación, en este caso excitatoria, con la oliva inferior (Fig. 8 A). El asa se cierra por neuronas, por ejemplo, de la porción parvocelular del núcleo rojo, que forman sinapsis excitatorias en los glomérulos de la oliva inferior (Fig. 8 B). ORGANIZACIÓN MODULAR La participación del cerebelo en la regulación de El cerebelo Dr. Fernando D. Saraví 8 los movimientos es compleja, pero se cree que está organizada en pequeños sectores con una función común, llamados zonas, cada uno de los cuales posee microzonas que se activan según las demandas del sistema motor. Varias zonas se encuentran activas al mismo tiempo y procesan paralelamente información sobre diversos aspectos del movimiento. El conjunto de zonas activas constituye un módulo que proporciona señales eferentes que permiten su planificación, ejecución o aprendizaje de manera eficaz (Fig. 9). FUNCIONES DEL VESTÍBULOCEREBELO El vestíbulocerebelo, correspondiente al lóbulo flóculonodular, recibe aferencias relacionadas con la posición y los movimientos de la cabeza, relevadas en los núcleos vestibulares. Recibe asimismo aferencias de los propioceptores de los músculos del cuello, que informan sobre la posición de la cabeza con respecto al cuerpo (ver EQUILIBRIO Y POSTURA). Además, recibe información visual desde los núcleos pretectales (que están por debajo de los tubérculos cuadrigéminos anteriores) y, mediante relevos protuberanciales, de la corteza visual primaria y otras regiones corticales de procesamiento visual. Las eferencias de las neuronas de Purkinje del lóbulo flóculonodular se dirigen, como se dijo antes, directamente a los núcleos vestibulares, y modulan la descarga de los haces vestíbuloespinales, que participan en el control de la musculatura axial y los extensores de los miembros. Estos músculos son importantes para mantener la postura y el equilibrio tanto en condiciones estáticas como dinámicas. Las porciones laterales (floculares) del vestíbulocerebelo participan en el control de los movimientos oculares, en particular en la coordinación entre los movimientos oculares y los movimientos de la cabeza y en los procesos que permiten el control voluntario de los movimientos oculares durante el movimiento de la cabeza; por ej., fijación de la vista en un objeto durante una rotación. FUNCIONES DEL ESPINOCEREBELO El vermis y la parte medial de los hemisferios forman el espinocerebelo. Esta parte del cerebelo recibe aferencias espinales relacionadas con el tacto, la presión y la posición de los miembros. Estas aferencias proporcionan continuamente información sobre la posición y el desplazamiento de los segmentos corporales que está organizada de manera somatotópica (Fig. 2). Existen dos tractos espinocerebelosos, llamados anterior (o ventral) y posterior (o dorsal); Fig. 10. Estos tractos llevan información propioceptiva y exteroceptiva que no produce ninguna sensación consciente pero es muy El cerebelo Dr. Fernando D. Saraví 9 importante para la función del cerebelo en la regulación de los movimientos. El tracto posterior se origina en neuronas del asta posterior pertenecientes al núcleo dorsal de Clarke que reciben monosinápticamente información de receptores anulospirales, órganos tendinosos de Golgi y receptores articulares, además de algunos exteroceptores (en particular de la piel de las plantas de los pies). Las neuronas de segundo orden ascienden por la médula sin cruzarse e ingresan al cerebelo por los pedúnculos inferiores, como parte de las fibras musgosas. Dan colaterales a los núcleos globoso y emboliforme y terminan en la corteza del vermis y zonas adyacentes de los hemisferios. Las fibras del tracto espinocerebeloso posterior provienen de niveles inferiores de la médula. Las aferencias somáticas que llegan a la médula a nivel cervical hacen sinapsis con neuronas del núcleo cuneiforme accesorio, cuyos axones cursan isolateralmente como el tracto cuneocerebeloso, acompañan a los axones del tracto cerebeloso posterior y proporcionan el mismo tipo de información que éste. Por su parte, el tracto espinocerebeloso anterior se origina en una región de la médula limítrofe entre las astas anterior y posterior. Estas neuronas reciben información propioceptiva pero además son excitadas por colaterales de las vías motoras descendentes. Por tanto, el tracto anterior lleva información hacia el cerebelo sobre las órdenes motoras que arriban a las motoneuronas del asta anterior (descarga corolaria). Los axones de las neuronas del tracto anterior se cruzan dos veces; por tanto, susaferencias llegan a la corteza cerebelosa del mismo lado. La primera decusación del tracto espinocerebeloso anterior se produce a nivel medular. Los axones cruzados continúan hasta la parte superior de la protuberancia e ingresan al cerebelo por los pedúnculos cerebelosos superiores. En el cerebelo vuelven a cruzarse y ascienden hasta la corteza del vermis de los lóbulos anterior y posterior como fibras musgosas. Como en el caso del tracto posterior, estas fibras también dan colaterales a los núcleos del espinocerebelo. Un hecho importante es que la vía espinocerebelosa posterior (y cuneocerebelosa) se activa tanto por movimientos activos como también cuando se moviliza pasivamente un miembro. Por tanto, proporcionan información sobre la posición del miembro, la longitud de los músculos y las fuerzas que actúan sobre los tendones. Por su parte, las neuronas del tracto anterior solamente se activan vigorosamente durante los movimientos activos. La convergencia de información sobre lo que el sistema motor desea hacer (tracto anterior) y lo que realmente está haciendo (tracto posterior) es comparada en la corteza cerebelosa, que entonces puede proporcionar señales de ajuste. Tanto las células de Purkinje como las neuronas de los núcleos cerebelosos aumentan notablemente sus frecuencias de descarga durante los movimientos voluntarios. La descarga de los núcleos cerebelosos y su somatotopía es similar a la de las neuronas piramidales de la corteza motora. Los eferentes de los núcleos fastigios, vinculados con la corteza del vermis, cumplen dos funciones importantes. Por una parte contribuyen al control de los movimientos oculares sacádicos y de seguimiento (en el control de estos últimos también participa el vestíbulocerebelo). Los movimientos de seguimiento permiten mantener la fijación en las fóveas de un objeto que se desplaza, acompañando su trayectoria. Los movimientos sacádicos permiten desplazar rápidamente la visión de un sitio a otro en el campo visual. Las neuronas del vermis descargan antes y durante los movimientos de seguimiento y sacádicos. La segunda función importante del espinocerebelo es la regulación de los movimientos somáticos. El núcleo fastigio proyecta sus axones bilateralmente a los núcleos del tallo cerebral relacionados con el control del equilibrio y la El cerebelo Dr. Fernando D. Saraví 10 postura a través de la musculatura axial, que originan los haces retículoespinales y vestíbuloespinales. El núcleo interpósito (globoso y emboliforme) envía sus eferencias, por el pedúnculo cerebeloso superior, al núcleo rojo y al núcleo ventrolateral del tálamo del lado opuesto. Este núcleo talámico envía sus eferencias a las áreas de la corteza motora primaria encargadas del control de la musculatura de los miembros (Fig. 11). Una condición necesaria para que las señales de corrección originadas en el cerebelo sean apropiadas es la existencia de modelos internos de los miembros y del tronco. En otras palabras, el cerebelo debe poseer información sobre las dimensiones y la masa de los miembros para que los cambios que genere en las fuerzas musculares produzcan los efectos deseados. El cerebelo también debe poseer modelos internos del ambiente, en particular de las fuerzas y aceleraciones ambientales esperadas (incluyendo, desde luego, la aceleración de la gravedad). Incluso en sujetos normales, el control motor se deteriora cuando se introducen fuerzas imprevistas. Existen dos vías espinocerebelosas, llamadas dorsal y ventral. El haz espinocerebeloso dorsal lleva información procedente de propioceptores musculares y articulares y su actividad aumenta con los movimientos activos o pasivos de los miembros. Este haz informa al cerebelo sobre qué movimientos se están efectivamente ejecutando. Por su parte, el haz ventral se origina en neuronas que reciben la misma información descendente que las motoneuronas espinales, por lo cual su descarga aumenta durante los movimientos activos, pero no los pasivos. Este haz informa al cerebelo sobre qué movimientos intentan ejecutar los centros de control motor. Retroalimentación y anteroalimentación El espinocerebelo compara la información procedente de los haces espinocerebelosos dorsal y ventral. Por tanto puede determinar la diferencia entre los movimientos que se desea ejecutar y los que realmente se están produciendo. A partir de esta comparación, genera señales de corrección que tienden a reducir la citada diferencia. Esta función se cumple por retroalimentación. No obstante, la retroalimentación no es suficiente para asegurar movimientos rápidos y precisos. La razón es simple: La retroalimentación solamente puede corregir un cambio que ya se ha producido, y solamente puede hacer esto con una inevitable demora dependiente de la velocidad de conducción de las vías aferente y eferente, y del procesamiento central que permite generar la señal de corrección. Por tanto, los movimientos rápidos y precisos requieren una capacidad predictiva acerca de la cinética y dinámica del movimiento para adelantarse a posibles perturbaciones o El cerebelo Dr. Fernando D. Saraví 11 errores. Esto se realiza por anteroalimentación (ver EQUILIBRIO Y POSTURA). Cuando se realiza un movimiento voluntario, la corteza motora envía al cerebelo una copia eferente de la orden motora, que puede ser comparada con la información somestésica aferente y permite la generación de señales de corrección que se anticipan al movimiento mismo. Por ej., en un movimiento voluntario simple, como la flexión de un miembro, la acción se inicia por contracción de uno o más músculos flexores y el desplazamiento finaliza no sólo por relajación de los citados músculos sino por contracción activa de los músculos antagonistas, que impiden la flexión excesiva que se produciría por inercia. Los antagonistas comienzan a activarse antes que el movimiento alcance su amplitud máxima, con lo cual ejercen una acción de frenado. Si en forma reversible (por enfriamiento) se inactivan los núcleos cerebelosos, la secuencia de activación de agonistas y antagonistas se altera. El movimiento se torna dismétrico y aparecen oscilaciones similares a las observadas en pacientes con daño cerebelar (Fig. 12). En situaciones más complejas que involucran varias articulaciones, el cerebelo coordina las fuerzas musculares que provocan torques en los segmentos participantes. Por ej., si se deja caer una bola para ser atrapada por la mano (Fig. 13), la visión proporciona información que permite estimar el tamaño, la posible masa y tiempo de impacto (basada en la experiencia). Por anteroalimentación, la actividad del bíceps comienza a aumentar desde que se suelta la bola, y se hace más intensa cerca de 100 ms antes del impacto, instante en el que también comienza a aumentar la actividad del tríceps. La acción conjunta de ambos músculos tiene como efecto fijar la articulación del hombro y minimizar el efecto del impacto (los flexores y extensores del codo y la muñeca muestran patrones de actividad comparable). Una vez que la bola ha hecho contacto con la mano, se producen ajustes de la fuerza muscular por retroalimentación. FUNCIONES DEL CEREBROCEREBELO El cerebrocerebelo está relacionado con la planificación de los movimientos voluntarios y además participa en funciones cognitivas no relacionadas con el movimiento. Esta función del cerebelo se trata por separado más adelante. Planificación de movimientos El cerebrocerebelo se diferencia del espinocerebelo en que no recibe información aferente ascendente (desde la periferia). Todos los aferentes al cerebrocerebelo proceden de la corteza cerebral contralateral, mediante el circuito córticopontocerebeloso. Las principales aferencias corticales no provienen de las áreas motoras, sino de áreas de asociación prefrontales, parietales y occipitales. Laseferencias cerebrocerebelosas provienen del núcleo dentado y se dirigen, con relevo en el núcleo ventrolateral del tálamo, a la corteza motora primaria y premotora contralateral (Fig. 11), además de las áreas de asociación antes mencionadas. La descarga del núcleo dentado aumenta 100 ms antes del inicio del movimiento y precede a la descarga de la corteza motora primaria. El núcleo dentado también envía eferencias a la porción parvocelular del núcleo rojo contralateral. Esta porción también recibe eferencias desde la corteza premotora dorsolateral y forma parte de un circuito de retroalimentación olivocerebelar (Fig. 8). El cerebrocerebelo participa especialmente en la ejecución de movimientos de la mano y movimientos complejos que requieren cooperación bimanual. Las observaciones en pacientes con lesiones de los hemisferios cerebelosos y los experimentos en primates no humanos indican que el El cerebelo Dr. Fernando D. Saraví 12 cerebrocerebelo reduce la latencia para el inicio de los movimientos y contribuye a establecer el instante preciso de la secuencia correcta de activación de los músculos involucrados. CEREBELO Y APRENDIZAJE MOTOR La participación del cerebelo en el aprendizaje motor se ha estudiado en diversos modelos. Uno de los más simples es el de las modificaciones en los reflejos vestíbulo-oculares (descriptos en EQUILIBRIO Y POSTURA). Cuando se introduce una perturbación que tiende a alterar la posición de las fóveas, la señal de error generada viaja por las vías ópticas accesorias hasta la oliva inferior. La actividad de las fibras trepadoras causa un cambio persistente en la descarga de las células de Purkinje correspondientes, que a su vez modifica la descarga de los núcleos vestibulares y corrige la actividad de los músculos extraoculares, adaptándola a la nueva situación. La modificación de la actividad y la eficacia sináptica en las células de Purkinje durante el aprendizaje motor se demostró en monos entrenados para realizar una tarea simple (Fig. 14): sostener una barra en una posición determinada. Si entonces se introducía una fuerza adicional que perturbara la posición de la barra, inicialmente se producía un desplazamiento notable. Luego de cierto número de pruebas, el animal aprendía a compensar la fuerza perturbadora y minimizar el desplazamiento. Durante la fase de aprendizaje, aumentaba la frecuencia de descarga de las fibras trepadoras (reflejada en la frecuencia de potenciales complejos), al tiempo que se reducía la frecuencia de descarga de espigas simples. Al completarse el entrenamiento la frecuencia de descarga de espigas complejas se normalizaba, pero la frecuencia de descarga de espigas simples permanecía disminuida. Este resultado se interpreta como una reducción sostenida (o permanente) de la eficacia de las fibras paralelas El cerebelo Dr. Fernando D. Saraví 13 para excitar la célula de Purkinje y es un correlato electrofisiológico del aprendizaje. Otros experimentos han mostrado que el aumento de la descarga de las fibras trepadoras causa depresión de largo plazo (ver ATENCIÓN Y MEMORIA) en las células de Purkinje. Aunque ha sido menos estudiado, es probable que el aprendizaje también induzca fenómenos de plasticidad sináptica en los núcleos profundos del cerebelo. Otros experimentos de aprendizaje motor muestran que la inactivación reversible del cerebelo no revierte los cambios en el desempeño motor inducidos por el aprendizaje, pero evitan la mejora esperada con una nueva sesión de entrenamiento. En la Fig. 15 se resume un experimento donde el desempeño del animal mejora con el tiempo (comparar el valor basal del día 1 con el del día 4. Una nueva sesión de entrenamiento mejora aún más el desempeño. Si se anestesia la corteza cerebelar en el cuarto día, esta mejora no se produce, pero el animal no pierde el grado de desempeño que ya había logrado. Este resultado sugiere que el aprendizaje ya logrado se consolida como una memoria de largo plazo, mientras que el aprendizaje reciente es aún una memoria de corto plazo, cuya adquisición es prevenida por la anestesia. En humanos, se ha estudiado el aprendizaje motor mediante el uso de prismas que modifican la posición de los ojos necesaria para centrar la imagen en las fóveas. Arrojar objetos hacia un objetivo visual es una destreza adquirida que requiere práctica. La dirección de la mirada está determinada por la posición de los ojos con respecto a la cabeza y de ésta con respecto al cuerpo. La dirección del lanzamiento depende de la posición del cuerpo en el espacio y del brazo con respecto al tronco. Se requiere la coordinación de la posición y los movimientos de las diferentes partes corporales para un lanzamiento certero. En estos experimentos, un sujeto aprende a lanzar un dardo o una bola hacia un objetivo, acertando de manera confiable (Fig. 16 B, 1). En estas condiciones, la mirada y el lanzamiento apuntan en igual dirección (Fig 16 C, 1). Si al sujeto se le coloca un prisma (Fig. 16 A) que hace aparecer al objeto a la izquierda de su posición real, inicialmente lanzará hacia la izquierda del blanco (Fig. 16 B, 2 y C, 2). No obstante, al cabo de sucesivos ensayos, el sujeto aprende a corregir por la distorsión del prisma y vuelve a acertar el blanco (Fig. 16 B, 3 y C, 3). Si se retira el prisma, inicialmente el sujeto sigue “corrigiendo” y ahora el lanzamiento se desvía a la derecha del blanco (Fig. 16 B, 4 y C, 4). No obstante, luego de algunos ensayos retorna a su exactitud inicial (Fig. 16 B, 5 y C, 5). Si durante el uso del prisma el individuo se entrenó para corregir adecuadamente con su mano derecha, al retirarse el prisma su mano derecha sobrecompensa pero la izquierda no. La capacidad de realizar la corrección depende de la integridad de la corteza cerebelar posterior inferolateral. Está ausente en pacientes con infartos de la arteria cerebelar inferior. Por el contrario, los pacientes con infartos de la arteria cerebelar inferior muestran ataxia pero conservan la capacidad de compensar la dirección de lanzamiento al emplear prismas. Los experimentos mencionados y otros más complejos apoyan la idea de que el cerebelo tiene un papel crucial en el aprendizaje motor y en la adaptación del desempeño motor a nuevas situaciones. El cerebelo Dr. Fernando D. Saraví 14 SIGNOS DE DISFUNCIÓN CEREBELOSA Existen ocho signos que indican lesiones cerebelosas en pacientes con fuerza muscular y sensibilidad somestésica normal: 1. Ataxia. Falta de coordinación entre los movimientos de los segmentos corporales. La ataxia de la marcha es característica de las lesiones cerebelosas. El sujeto camina con el tronco inclinado hacia delante, con excesivo balanceo lateral, los pies separados y pasos de longitud irregular (Fig. 17, A). 2. Retardo. El paciente cerebeloso demora más que un sujeto normal en en iniciar un movimiento solicitado (Fig. 17, B). 3. Dismetría. Es la incapacidad de regular la amplitud de los movimientos para alcanzar un objetivo determinado. Los pacientes cerebelosos muestran hipermetría (“se pasan”) cuando deben realizar movimientos rápidos e hipometría cuando deben realizar movimientos lentos. 4. Asinergia. Es la falta de coordinación entre los segmentos de un miembro al realizar un movimiento que involucra dos o más articulaciones (Fig. 17, C). 5. Adiadocokinesia. Incapacidad de realizar adecuadamente movimientos alternantes en una articulación (por ej., pronación y supinacion alternada de la muñeca); Fig. 17, D. Refleja alteración de la secuencia de activación normal entre agonistas y antagonistas. 6. Hipotonía muscular. Se manifiesta por una excesiva facilidad para la manipulación pasiva de los miembros. Es más marcada al inicio del trastorno cerebeloso y puede ceder con el tiempo. 7. Nistagmo. En lesiones unilaterales del cerebelo, hay nistagmohorizontal con la fase rápida hacia el lado de la lesión. 8. Temblor durante el movimiento. A veces llamado “temblor intencional” aunque de hecho es involuntario, Aparece durante los movimientos voluntarios por defectos en las funciones de antero y retroalimentación cerebelosas. FUNCIONES NO MOTORAS DEL CEREBELO A lo largo de la historia se formularon ideas diversas sobre la función del cerebelo. Una de los hipótesis más curiosas, formulada por Franz Joseph Gall (1758-1828), fue que el cerebelo era el órgano de los instintos reproductivos. Las observaciones clínicas y experimentales realizadas durante el siglo XIX (por ej., por Joseph Babinski, quien acuñó el término “adiadocokinesia”) y la mayor parte del siglo XX demostraron concluyentemente la participación del cerebelo en las funciones motoras. Por otra parte, desde hace cerca de 25 años se ha acumulado evidencia de que el cerebelo participa en diversas funciones superiores diferentes de la motricidad. Por ej. las lesiones de los hemisferios cerebelosos causan alteración en la percepción de intervalos de tiempo. Un hito en el descubrimiento de las funciones no motoras del cerebelo fue un estudio de procesamiento verbal con tomografía de emisión de positrones (PET) en el cual se halló activación del lado derecho del cerebelo. Desde entonces, muchos estudios con PET o resonancia magnética funcional (fMRI) han demostrado que el cerebelo interviene en diversas funciones no motoras. Una segunda línea de evidencias proviene de estudios anatómicos que han demostrado proyecciones recíprocas entre diversas áreas de asociación corticales y regiones discretas del cerebelo (Fig. 18). Con la notable excepción de las cortezas primarias visual (V1) y auditiva (A1), existe una representación de casi toda la corteza cerebral en El cerebelo Dr. Fernando D. Saraví 15 la corteza cerebelar, según lo indican los colores correspondientes en el hemisferio cerebral en la Fig. 18 A y los cortes coronales a diferentes niveles del cerebelo en la Fig. 18, B. Adicionalmente, como se muestra en la Fig. 18, C para el hemisferio cerebeloso izquierdo, del mismo modo en que hay sendos mapas somatotópicos en la parte anterior y posterior del hemisferio, relacionados con la corteza sensoriomotora (indicados en azul), al parecer hay dos o tres representaciones de otras áreas corticales que ocupan gran parte de la corteza cerebelar. Un indicio sugestivo de la importancia del cerebelo en las funciones superiores es la mayor proporción de proyecciones prefrontales que se observa en el ser humano, en comparación con otros primates. En la Fig. 19 se muestra que la proporción de fibras córticopontocerebelosas de origen prefrontal es más del doble en el ser humano, comparado con el mono Rhesus. Con algunas excepciones, como la percepción subjetiva del transcurso del tiempo, se desconocen las funciones que cumplen las extensas áreas cerebelosas no motoras. Los defectos cognitivos en pacientes con lesiones cerebelosas son sutiles. Se ha postulado que el cerebelo cumple para funciones cognitivas un papel análogo al que cumple en las funciones motoras. Según esta idea, por ejemplo, el manejo prefrontal de modelos mentales de escenas, objetos y pensamientos abstractos sería coordinado por mecanismos cerebelosos que vinculan y dan coherencia temporal a estas unidades de pensamiento. En otras palabras, el cerebelo tendría un papel en regular “la velocidad, capacidad, consistencia y adecuación de procesos mentales o cognitivos” (Jeremy Schmahmann). El vermis cerebeloso, en particular en el lóbulo posterior, se activa durante el recuerdo de acontecimientos con contenido emocional, cuando se observa que algún ser amado sufre daño y durante pruebas experimentales de condicionamiento de miedo. En estas pruebas, se aprende a asociar un estímulo de por sí no atemorizante (como una luz) con otro atemorizante (como un sonido intenso en humanos o un choque eléctrico en animales). Una vez completado el aprendizaje, el estímulo no atemorizante genera la respuesta de temor. En animales, el daño al vermis cerebeloso o su inactivación reversible impide el aprendizaje del citado condicionamiento. Existen razones para pensar que el vermis no solamente participa en orquestar la respuesta autonómica y motora del condicionamiento atemorizante, sino que participa en la adquisición de la asociación entre ambas clases de estímulos. Por tanto, esa región medial del cerebelo formaría parte de los circuitos límbicos relacionados con el comportamiento emocional e instintivo.
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