Cerebellum

Mozeček (latinsky „malý mozek“) je oblast mozku, která hraje důležitou roli při řízení motoriky. Může se také podílet na některých kognitivních funkcích, jako je pozornost a řeč, a na regulaci reakcí na strach a potěšení, ale jeho funkce související s pohybem jsou nejpevněji prokázány. Mozeček neiniciuje pohyb, ale přispívá ke koordinaci, přesnosti a přesnému načasování. Přijímá vstupní informace ze senzorických systémů míchy a z jiných částí mozku a integruje tyto vstupy k vyladění pohybové aktivity. Vzhledem k této vylaďovací funkci nezpůsobuje poškození mozečku ochrnutí, ale poruchy jemných pohybů, rovnováhy, držení těla a motorického učení.

Ve své anatomii má mozeček podobu samostatné struktury připojené ke spodní části mozku, zasunuté pod mozkovými hemisférami. Povrch mozečku je pokrytý jemně rozmístěnými rovnoběžnými rýhami, což je v nápadném kontrastu s širokými nepravidelnými závity mozkové kůry. Tyto rovnoběžné rýhy zakrývají skutečnost, že mozeček je ve skutečnosti souvislá tenká vrstva tkáně (mozečková kůra), pevně složená ve stylu harmoniky. V této tenké vrstvě se nachází několik typů neuronů s velmi pravidelným uspořádáním, z nichž nejdůležitější jsou Purkyňovy buňky a granulární buňky. Tato složitá neuronová síť dává vzniknout obrovské schopnosti zpracovávat signály, ale téměř veškerý její výstup směřuje do souboru malých hlubokých mozečkových jader ležících ve vnitřní části mozečku.

Kromě přímé úlohy v řízení motoriky je mozeček nezbytný také pro několik typů motorického učení, z nichž nejvýznamnější je učení se přizpůsobovat změnám v senzomotorických vztazích. Bylo vypracováno několik teoretických modelů, které vysvětlují senzomotorickou kalibraci z hlediska synaptické plasticity v mozečku. Většina z nich vychází z raných modelů formulovaných Davidem Marrem a Jamesem Albusem, které byly motivovány pozorováním, že každá Purkyňova buňka mozečku dostává dva dramaticky odlišné typy vstupů: Na jedné straně tisíce vstupů z paralelních vláken, z nichž každý je jednotlivě velmi slabý; na druhé straně vstup z jediného šplhavého vlákna, který je však tak silný, že akční potenciál jediného šplhavého vlákna spolehlivě vyvolá v cílové Purkyňově buňce výbuch akčních potenciálů. Základní koncept Marr-Albusovy teorie spočívá v tom, že šplhající vlákno slouží jako „výukový signál“, který vyvolává dlouhodobou změnu síly synchronně aktivovaných paralelních vstupů vláken. Pozorování dlouhodobé deprese paralelních vláknových vstupů poskytla podporu pro teorie tohoto typu, ale jejich platnost zůstává sporná.

Vzhledem k této „aktualizační“ funkci mozečku nejsou jeho léze natolik oslabující, aby způsobily ochrnutí, ale projevují se spíše jako deficit zpětné vazby, který vede k poruchám jemných pohybů, rovnováhy, držení těla a motorického učení. První pozorování fyziologů v 18. století ukázala, že pacienti s poškozením mozečku mají problémy s motorickou koordinací a pohybem. Výzkum mozečkových funkcí na počátku a v polovině 19. století probíhal prostřednictvím studií lézí a ablací na zvířatech. Výzkumní fyziologové si všimli, že takové léze vedly u zvířat k podivným pohybům, neobratné chůzi a svalové slabosti. Tato pozorování a studie vedly k závěru, že mozeček je řídicí motorickou strukturou. Moderní výzkum však ukazuje, že mozeček má širší úlohu v řadě klíčových kognitivních funkcí, včetně pozornosti a zpracování jazyka, hudby a dalších smyslových časových podnětů.

Na úrovni rozsáhlé anatomie se mozeček skládá z pevně složené a zmačkané vrstvy kůry, pod níž se nachází bílá hmota, několik hlubokých jader uložených v bílé hmotě a komůrka vyplněná tekutinou na bázi. Na mikroskopické úrovni se každá část mozkové kůry skládá ze stejné malé sady neuronálních elementů, uspořádaných s vysoce stereotypní geometrií. Na střední úrovni lze mozeček a jeho pomocné struktury rozložit na několik stovek nebo tisíc nezávisle fungujících modulů nazývaných „mikrozóny“ nebo „mikrosložky“.

Přední pohled na lidský mozeček s čísly označujícími významné orientační body

Mozeček se nachází v dolní části mozku, nad ním je velká mozková kůra a před ním část mozkového kmene zvaná pons. Od nad ním ležícího mozku je oddělen vrstvou kožovité tvrdé pleny mozkové; všechna spojení s ostatními částmi mozku procházejí přes pons. Anatomové řadí mozeček do metencephalonu, který zahrnuje také pons; metencephalon je horní částí rhombencephalonu neboli „zadního mozku“. Stejně jako mozková kůra je i mozeček rozdělen na dvě polokoule a obsahuje také úzkou středočárovou zónu zvanou vermis. Soubor velkých záhybů se podle konvence používá k rozdělení celkové struktury na 10 menších „laloků“. Vzhledem k velkému počtu drobných granulárních buněk obsahuje mozeček více neuronů než zbytek mozku dohromady, ale zabírá pouze 10 % celkového objemu mozku. Počet neuronů v mozečku souvisí s počtem neuronů v neokortexu. V mozečku je asi 3,6krát více neuronů než v neokortexu, což je počet, který je zachován u mnoha různých druhů savců.

Vertikální řez lidským mozečkem, který ukazuje skládání mozkové kůry a vnitřní struktury.

Neobvyklý povrch mozečku zakrývá skutečnost, že většinu jeho objemu tvoří velmi pevně složená vrstva šedé hmoty, mozečková kůra. Odhaduje se, že kdyby se lidská mozečková kůra zcela rozložila, vznikla by vrstva nervové tkáně dlouhá asi 1 metr a široká v průměru 5 centimetrů – celková plocha asi 500 cm čtverečních, zabalená do objemu o rozměrech 6 × 5 × 10 cm. Pod šedou kůrou mozkovou se nachází bílá hmota, tvořená převážně myelinizovanými nervovými vlákny, která vedou do kůry a z ní. V bílé hmotě, která se někdy nazývá arbor vitae (strom života), protože na průřezu vypadá jako rozvětvený strom, jsou uložena čtyři hluboká mozečková jádra tvořená šedou hmotou.

Na základě vzhledu povrchu lze v mozečku rozlišit tři laloky, které se nazývají flocculonodular lobe, anterior lobe (nad primární štěrbinou) a posterior lobe (pod primární štěrbinou). Tyto laloky dělí mozeček od rostrálního ke kaudálnímu (u člověka shora dolů). Z hlediska funkce je však důležitější rozlišení podél mediálního rozměru. Pomineme-li flokulonodulární část, která má odlišná spojení a funkce, lze mozeček funkčně rozdělit na mediální sektor zvaný spinocerebellum a větší laterální sektor zvaný cerebrocerebellum. Úzký pruh vystupující tkáně podél střední čáry se nazývá vermis (latinsky „červ“).

Mozeček a okolní oblasti; sagitální pohled na jednu hemisféru. A: Střední mozek. B: Pons. C: Medulla. D: Mícha. E: čtvrtá komora. F: Arbor vitae. G: mandle. H: Přední lalok. I: Zadní lalok.

Schematické znázornění hlavních anatomických oddílů mozečku. Pohled shora na „rozvinutý“ mozeček, kde je vermis v jedné rovině.

Nejmenší oblast, floculonodulární lalok, se často nazývá vestibulocerebellum. Je to evolučně nejstarší část (archicerebellum) a podílí se hlavně na rovnováze a prostorové orientaci; jeho primární spojení jsou s vestibulárními jádry, i když přijímá také zrakové a jiné smyslové vstupy. Jeho poškození způsobuje poruchy rovnováhy a chůze.

Mediální zóna předního a zadního laloku tvoří spinocerebellum, známé také jako paleocerebellum. Tento sektor mozečku slouží především k dolaďování pohybů těla a končetin. Přijímá propriocepční vstupy z dorzálních sloupců míchy (včetně spinocerebelárního traktu) a z trojklanného nervu, jakož i ze zrakového a sluchového systému. Vysílá vlákna do hlubokých mozečkových jader, která se následně promítají do mozkové kůry i mozkového kmene, a zajišťují tak modulaci sestupných motorických systémů.

Laterální zóna, která je u člověka zdaleka největší částí, tvoří cerebrocerebellum, známé také jako neocerebellum. Přijímá vstupní informace výhradně z mozkové kůry (zejména z temenního laloku) prostřednictvím pontinních jader (tvořících kortikoponto-cerebelární dráhy) a výstupní informace vysílá především do ventrolaterálního thalamu (který je zase napojen na motorické oblasti premotorické kůry a primární motorickou oblast mozkové kůry) a do červeného jádra. O tom, jak nejlépe popsat funkce laterálního mozečku, nepanuje shoda: předpokládá se, že se podílí na plánování pohybu, který má nastat, na vyhodnocování smyslových informací pro činnost a také na řadě čistě kognitivních funkcí, jako je určování slovesa, které se nejlépe hodí k určitému podstatnému jménu (jako ve slově „sedět“ pro „židli“).

Mikroobvody mozečku. (+): excitační; (-): inhibiční; MF: mechové vlákno; DCN: hluboká mozečková jádra; IO: dolní oliva; CF: šplhací vlákno; GC: granulární buňka; PF: paralelní vlákno; PC: Purkyňova buňka; GgC: Golgiho buňka; SC: hvězdicovitá buňka; BC: košíčková buňka

Příčný řez mozečkovým foliem, znázorňující hlavní typy buněk a spojení.

Mechová vlákna se promítají přímo do hlubokých jader, ale také dávají vznik dráze: mechová vlákna → granulární buňky → paralelní vlákna → Purkyňovy buňky → hluboká jádra. Šplhavá vlákna se promítají do Purkyňových buněk a také vysílají kolaterály přímo do hlubokých jader. Vstupy z mechových vláken a šplhavých vláken nesou informace specifické pro každé vlákno; mozeček také přijímá dopaminergní, serotoninergní, noradrenergní a cholinergní vstupy, které pravděpodobně provádějí globální modulaci.

Mozková kůra se dělí na tři vrstvy. V dolní části leží silná granulární vrstva, hustě zaplněná granulárními buňkami spolu s interneurony, hlavně Golgiho buňkami, ale také včetně Lugarových buněk a unipolárních kartáčových buněk. Uprostřed leží Purkyňova vrstva, úzká zóna, která obsahuje pouze buněčná těla Purkyňových buněk. V horní části leží molekulární vrstva, která obsahuje zploštělé dendritické stromy Purkyňových buněk spolu s obrovským množstvím paralelních vláken pronikajících do dendritických stromů Purkyňových buněk v pravém úhlu. Tato nejzevnější vrstva mozečkové kůry obsahuje také dva typy inhibičních interneuronů, hvězdicové buňky a košíkové buňky. Jak hvězdicové, tak košíkové buňky vytvářejí GABAergní synapse na dendrity Purkyňových buněk.

Kresba Purkyňovy buňky z kočičího mozečku

Purkyňovy buňky patří k nejcharakterističtějším neuronům v mozku a také k nejstarším rozpoznaným typům – poprvé je popsal český anatom Jan Evangelista Purkyně v roce 1837. Vyznačují se tvarem dendritického stromu: Dendrity se velmi bohatě větví, ale jsou silně zploštělé v rovině kolmé na mozečkové záhyby. Dendrity Purkyňovy buňky tak tvoří hustou plošnou síť, kterou paralelní vlákna procházejí v pravém úhlu. Dendrity jsou pokryty dendritickými trny, z nichž každý přijímá synaptický vstup z paralelního vlákna. Purkyňovy buňky dostávají více synaptických vstupů než jakýkoli jiný typ buněk v mozku – počet trnů na jedné lidské Purkyňově buňce se odhaduje až na 200 000. Velká kulovitá buněčná těla Purkyňových buněk jsou zabalena do úzké vrstvy (o tloušťce jedné buňky) mozkové kůry, která se nazývá Purkyňova vrstva. Po vyslání kolaterál, které inervují blízké části kůry, putují jejich axony do hlubokých mozečkových jader, kde navazují řádově po 1 000 kontaktech s několika typy jaderných buněk, a to vše v rámci malé domény. Purkyňovy buňky používají jako neurotransmiter GABA, a proto na své cíle působí inhibičně.

Doporučujeme:  Faktorový experiment

Purkyňovy buňky tvoří jádro mozečkového okruhu a díky jejich velké velikosti a charakteristickým vzorcům aktivity je poměrně snadné studovat jejich reakce u chovajících se zvířat pomocí technik extracelulárního záznamu. Purkyňovy buňky normálně vysílají akční potenciály vysokou rychlostí, a to i v nepřítomnosti synaptického vstupu. U bdělých, chovajících se zvířat jsou typické průměrné frekvence kolem 40 Hz. Hroty vykazují směs tzv. jednoduchých a komplexních hrotů. Jednoduchý hrot je jediný akční potenciál, po němž následuje refrakterní perioda asi 10 ms; komplexní hrot je stereotypní sekvence akčních potenciálů s velmi krátkými intervaly mezi hroty a klesající amplitudou.[citace potřebná] Fyziologické studie ukázaly, že komplexní hroty (které se vyskytují při základní frekvenci kolem 1 Hz a nikdy při frekvenci mnohem vyšší než 10 Hz) jsou spolehlivě spojeny s aktivací šplhavých vláken, zatímco jednoduché hroty vznikají kombinací základní aktivity a paralelního vstupu vláken. Po komplexních hrotech často následuje pauza v délce několika set milisekund, během níž je aktivita jednoduchých hrotů potlačena.

Cerebelární granulární buňky patří na rozdíl od Purkyňových buněk k nejmenším neuronům v mozku. Jsou také nejpočetnějšími neurony v mozku: U člověka se jejich celkový počet odhaduje v průměru na 50 miliard, což znamená, že asi 3/4 mozkových neuronů tvoří mozečkové granulární buňky. Jejich buněčná těla jsou zabalena do silné vrstvy ve spodní části mozečkové kůry. Granulární buňka vysílá pouze čtyři až pět dendritů, z nichž každý je zakončen rozšířením zvaným dendritický drápek. Tato rozšíření jsou místy excitačního vstupu z mechových vláken a inhibičního vstupu z Golgiho buněk.

Granulární buňky, paralelní vlákna a Purkyňovy buňky se zploštělými dendritickými stromy.

Tenké nemyelinizované axony granulárních buněk stoupají vertikálně do horní (molekulární) vrstvy kůry, kde se rozdělují na dvě větve, přičemž každá z nich se pohybuje horizontálně a vytváří paralelní vlákno; rozdělení vertikální větve na dvě horizontální větve dává vzniknout charakteristickému tvaru „T“. Paralelní vlákno probíhá v průměru 3 mm v každém směru od rozštěpu, v celkové délce asi 6 mm (asi 1/10 celkové šířky korové vrstvy). Paralelní vlákna při svém běhu procházejí dendritickými stromy Purkyňových buněk a kontaktují jednu z každých 3-5, které míjejí, a vytvářejí tak celkem 80-100 synaptických spojení s dendritickými trny Purkyňových buněk. Granulární buňky používají jako neurotransmiter glutamát, a proto na své cíle působí excitačně.

Granulární buňky dostávají veškerý vstup z mechových vláken, ale je jich více než 200 ku 1 (u člověka). Informace ve stavu aktivity populace granulárních buněk je tedy stejná jako informace v mozkových vláknech, ale je překódována mnohem rozsáhlejším způsobem. Vzhledem k tomu, že granulární buňky jsou tak malé a tak hustě zabalené, bylo velmi obtížné zaznamenat jejich aktivitu hrotů u chovajících se zvířat, takže existuje jen málo údajů, které by se daly použít jako základ pro teoretické úvahy. Nejpopulárnější koncept jejich funkce navrhl David Marr, který předpokládal, že mohou kódovat kombinace vstupů z mechových vláken. Představa spočívá v tom, že každá granulární buňka přijímá vstupy pouze ze 4-5 mechových vláken, granulární buňka by nereagovala, pokud by byl aktivní pouze jeden z jejích vstupů, ale reagovala by, pokud by jich bylo aktivních více. Toto kombinatorické kódovací schéma by mozečku potenciálně umožnilo mnohem jemnější rozlišování mezi vstupními vzorci, než by umožňovala samotná mechová vlákna.

Mechová vlákna vstupují do granulární vrstvy z míst svého původu, mnohá vycházejí z pontinních jader, jiná z míchy, vestibulárních jader atd. V lidském mozečku se celkový počet mechovitých vláken odhaduje na přibližně 200 milionů. Tato vlákna vytvářejí excitační synapse s granulárními buňkami a buňkami hlubokých mozečkových jader. Uvnitř granulární vrstvy vytváří mechová vlákna řadu rozšíření zvaných rozety. Kontakty mezi mechovitými vlákny a dendrity granulárních buněk probíhají ve strukturách zvaných glomeruly. Každý glomerulus má ve svém středu rozetu z mechových vláken a až 20 dendritických drápků granulárních buněk, které se s ní stýkají. Terminály z Golgiho buněk pronikají do struktury a vytvářejí inhibiční synapse na dendrity granulárních buněk. Celá sestava je obklopena pochvou z gliových buněk. Každé mechové vlákno vysílá kolaterální větve do několika mozečkových folií, čímž vzniká celkem 20-30 rozet; jedno mechové vlákno tak navazuje kontakt s odhadem 400-600 granulárními buňkami.

Purkyňovy buňky také dostávají vstupní informace z dolního olivového jádra (IO) na kontralaterální straně mozkového kmene prostřednictvím šplhavých vláken. Ačkoli IO leží v prodloužené míše a přijímá vstupy z míchy, mozkového kmene a mozkové kůry, jeho výstup směřuje výhradně do mozečku. Šplhající vlákno odvádí kolaterály do hlubokých mozečkových jader, než vstoupí do mozečkové kůry, kde se rozdělí na přibližně 10 koncových větví, z nichž každá inervuje jednu Purkyňovu buňku. V nápadném kontrastu s více než 100 000 vstupy z paralelních vláken dostává každá Purkyňova buňka vstup přesně z jednoho šplhajícího vlákna; toto jediné vlákno však „šplhá“ po dendritech Purkyňovy buňky, obtáčí se kolem nich a vytváří celkem až 300 synapsí. Čistý vstup je tak silný, že jediný akční potenciál z lezeckého vlákna je schopen vyvolat v Purkyňově buňce rozsáhlý komplexní hrot: výbuch několika hrotů za sebou s klesající amplitudou, po němž následuje pauza, během níž je aktivita utlumena. Synapse šplhavých vláken pokrývají buněčné tělo a proximální dendrity; tato zóna postrádá paralelní vláknové vstupy.

Šplhavá vlákna vznikají nízkou rychlostí, ale jeden akční potenciál šplhavého vlákna vyvolá v cílové Purkyňově buňce výbuch několika akčních potenciálů (komplexní hrot). Kontrast mezi vstupy paralelních a šplhavých vláken do Purkyňových buněk (více než 100 000 vstupů jednoho typu oproti přesně jednomu vstupu druhého typu) je pravděpodobně nejprovokativnějším rysem anatomie mozečku a motivoval mnoho teoretických úvah. Ve skutečnosti je funkce šplhavých vláken nejkontroverznějším tématem týkajícím se mozečku. Existují dvě názorové školy, z nichž jedna v návaznosti na Marra a Albuse tvrdí, že vstup šplhavých vláken slouží především jako výukový signál, druhá zastává názor, že jejich funkcí je přímo formovat mozečkový výstup. Oba názory byly obšírně obhajovány v mnoha publikacích. Slovy jedné recenze: „Při pokusu o syntézu různých hypotéz o funkci šplhavých vláken má člověk pocit, jako by se díval na Escherovu kresbu. Zdá se, že každý názor vysvětluje určitý soubor nálezů, ale když se člověk pokusí dát různé názory dohromady, nevznikne ucelený obraz toho, co šplhací vlákna dělají. Pro většinu badatelů signalizují lezecká vlákna chyby v motorickém výkonu, a to buď obvyklým způsobem modulace frekvence výbojů, nebo jako jednorázové oznámení „neočekávané události“. Pro jiné badatele spočívá zpráva v míře synchronizace a rytmicity souboru mezi populací šplhavých vláken.“

Příčný řez lidským mozečkem, na kterém je vidět zubaté jádro, pons a dolní olivové jádro.

Když axon Purkyňovy buňky vstoupí do jednoho z hlubokých jader, rozvětví se a naváže kontakt s velkými i malými jadernými buňkami, ale celkový počet buněk, s nimiž naváže kontakt, je pouze asi 35 (u koček). Naopak jedna hluboká jaderná buňka přijímá vstupní informace od přibližně 860 Purkyňových buněk (opět u koček).

Schematické znázornění struktury zón a mikrozón v mozečkové kůře

Z hlediska hrubé anatomie se mozečková kůra jeví jako homogenní tkáňový list a z hlediska mikroanatomie se zdá, že všechny části tohoto listu mají stejnou vnitřní strukturu. Existuje však řada aspektů, v nichž je struktura mozečku kompartmentalizovaná. Existují velké oddíly, které se obecně nazývají zóny; ty lze rozložit na menší oddíly známé jako mikrozóny.

První náznaky kompartmentální struktury přinesly studie receptivních polí buněk v různých částech mozkové kůry. Každá část těla se mapuje na konkrétní body v mozečku, ale základní mapa se opakuje v mnoha bodech, což vytváří uspořádání, které bylo nazváno „lomená somatotopie“. Jasnější představu o kompartmentalizaci získáme, když v mozečku provedeme imunobarvení na určité typy proteinů. Nejznámější z těchto markerů se nazývají „zebriny“, protože při jejich barvení vzniká složitý vzor připomínající pruhy na zebře. Pruhy vytvořené zebriny a dalšími markery kompartmentalizace jsou orientovány kolmo k mozečkovým záhybům – to znamená, že jsou úzké v mediolaterálním směru, ale mnohem více rozšířené v podélném směru. Různé markery vytvářejí různé sady pruhů a jejich šířka a délka se liší v závislosti na umístění, ale všechny mají stejný obecný tvar.

Oscarsson koncem 70. let navrhl, že tyto korové zóny lze rozdělit na menší jednotky zvané mikrozóny. Mikrozóna je definována jako skupina Purkyňových buněk, které mají stejné somatotopické receptivní pole. Bylo zjištěno, že každá mikrozóna obsahuje řádově 1000 Purkyňových buněk uspořádaných do dlouhého úzkého pásu orientovaného kolmo na korové záhyby. Jak tedy ukazuje přiložený diagram, dendrity Purkyňových buněk jsou zploštělé ve stejném směru, jakým se mikrozóny táhnou, zatímco paralelní vlákna je kříží v pravém úhlu.

Strukturu mikrozóny neurčují pouze receptivní pole: Stejně důležitý je i vstup lezeckých vláken z dolního olivového jádra. Větve šplhavého vlákna (obvykle v počtu asi 10) obvykle inervují Purkyňovy buňky patřící do stejné mikrozóny. Navíc olivové neurony, které vysílají šplhavá vlákna do stejné mikrozóny, bývají spojeny mezerovitými spoji, které synchronizují jejich aktivitu, což způsobuje, že Purkyňovy buňky v rámci mikrozóny vykazují korelovanou komplexní aktivitu hrotů v milisekundovém časovém měřítku. Všechny Purkyňovy buňky patřící do jedné mikrozóny také vysílají své axony do stejného malého shluku výstupních buněk v hlubokých mozečkových jádrech. A konečně, axony košíkových buněk jsou mnohem delší v podélném směru než v mediolaterálním směru, což způsobuje, že jsou z velké části omezeny na jedinou mikrozónu. Důsledkem celé této struktury je, že buněčné interakce uvnitř jedné mikrozóny jsou mnohem silnější než interakce mezi různými mikrozónami.

V roce 2005 Richard Apps a Martin Garwicz shrnuli důkazy o tom, že samotné mikrozóny tvoří součást většího celku, který nazvali multizonální mikrokomplex. Takový mikrokomplex zahrnuje několik prostorově oddělených kortikálních mikrozón, které se všechny promítají do stejné skupiny hlubokých mozečkových neuronů, plus skupinu spojených olivových neuronů, které se promítají do všech zahrnutých mikrozón i do hluboké jaderné oblasti.

Doporučujeme:  Mindset (kniha)

Nejsilnější poznatky o funkci mozečku přineslo zkoumání důsledků jeho poškození. Zvířata a lidé s poruchou funkce mozečku vykazují především problémy s motorickým ovládáním, a to na straně těla ipsilaterální k poškozenému mozečku. Jsou nadále schopni vytvářet motorickou aktivitu, ale ta ztrácí na přesnosti a vytváří nepravidelné, nekoordinované nebo nesprávně načasované pohyby. Standardním testem mozečkové funkce je dosáhnout špičkou prstu na cíl na délku paže: Zdravý člověk pohybuje špičkou prstu po rychlé přímé trajektorii, zatímco člověk s poškozením mozečku dosahuje pomalu a nepravidelně s mnoha korekcemi v polovině dráhy. Deficity v nemotorických funkcích se zjišťují obtížněji. Obecný závěr, ke kterému se dospělo před několika desetiletími, tedy zní, že základní funkcí mozečku není iniciovat pohyby nebo rozhodovat o tom, které pohyby se mají vykonat, ale spíše kalibrovat detailní podobu pohybu.

Před rokem 1990 se téměř všeobecně věřilo, že funkce mozečku souvisí pouze s motorikou, ale novější poznatky tento názor silně zpochybnily. Funkční zobrazovací studie prokázaly aktivaci mozečku v souvislosti s jazykem, pozorností a mentálními představami; korelační studie ukázaly interakce mezi mozečkem a nemotorickými oblastmi mozkové kůry; u lidí s poškozením, které se zřejmě omezuje na mozeček, byly rozpoznány různé nemotorické příznaky. Zejména byl popsán cerebelární kognitivní afektivní syndrom u dospělých a dětí.

Kenji Doya tvrdil, že funkci mozečku lze nejlépe pochopit nikoli z hlediska toho, jakého chování se účastní, ale spíše z hlediska toho, jaké nervové výpočty provádí; mozeček se skládá z velkého počtu více či méně nezávislých modulů, které mají stejnou geometricky pravidelnou vnitřní strukturu, a proto se předpokládá, že všechny provádějí stejné výpočty. Pokud jsou vstupní a výstupní spojení modulu s motorickými oblastmi (jako že jich je mnoho), pak se modul bude podílet na motorickém chování; pokud jsou však spojení s oblastmi, které se podílejí na nemotorickém poznávání, bude modul vykazovat jiné typy behaviorálních korelátů. Doya navrhuje, že mozeček je nejlépe chápán jako zařízení pro učení pod dohledem, na rozdíl od bazálních ganglií, které provádějí učení posilováním, a mozkové kůry, která provádí učení bez dohledu.

Srovnatelná jednoduchost a pravidelnost anatomie mozečku vedla k naději, že by mohla znamenat podobnou jednoduchost výpočetní funkce, jak bylo vyjádřeno v jedné z prvních knih o elektrofyziologii mozečku The Cerebellum as a Neuronal Machine od Johna C. Ecclese, Masao Ito a Janose Szentágothaie. Přestože úplné pochopení funkce mozečku zůstalo nedosažitelné, byly identifikovány přinejmenším čtyři důležité principy: (1) dopředné zpracování, (2) divergence a konvergence, (3) modularita a (4) plasticita.

1. Zpětnovazební zpracování: Mozeček se od většiny ostatních částí mozku (zejména mozkové kůry) liší tím, že zpracování signálů probíhá téměř výhradně dopředným způsobem – to znamená, že signály procházejí systémem jednosměrně od vstupu k výstupu, přičemž vnitřní rekurentní přenos je velmi malý. I to malé množství rekurence, které existuje, je tvořeno vzájemnou inhibicí; neexistují žádné vzájemně excitační okruhy. Tento dopředný způsob fungování znamená, že mozeček na rozdíl od mozkové kůry nemůže vytvářet samoudržující se vzorce nervové aktivity. Signály vstupují do obvodu, jsou zpracovávány jednotlivými stupni v postupném pořadí a poté jej opouštějí. Jak napsali Eccles, Ito a Szentágothai: „Toto vyloučení všech možností reverberačních řetězců neuronální excitace v konstrukci je nepochybně velkou výhodou při fungování mozečku jako počítače, protože to, co zbytek nervového systému od mozečku vyžaduje, pravděpodobně není nějaký výstup vyjadřující činnost složitých reverberačních obvodů v mozečku, ale spíše rychlá a jasná odpověď na vstup nějakého konkrétního souboru informací.“

2. Divergence a konvergence: V lidském mozečku se informace z 200 milionů vstupů z mechových vláken rozšiřují na 40 miliard granulárních buněk, jejichž paralelní výstupy z vláken se pak sbíhají na 15 milionů Purkyňových buněk. Vzhledem ke způsobu, jakým jsou podélně seřazeny, může přibližně 1000 Purkyňových buněk patřících do jedné mikrozóny přijímat vstupní informace až ze 100 milionů paralelních vláken a soustředit svůj vlastní výstup dolů do skupiny méně než 50 hlubokých jaderných buněk. Mozečková síť tedy přijímá skromný počet vstupů, zpracovává je velmi rozsáhle prostřednictvím své přísně strukturované vnitřní sítě a výsledky vysílá ven prostřednictvím velmi omezeného počtu výstupních buněk.

3. Modularita: Mozečkový systém je funkčně rozdělen na více či méně nezávislé moduly, jejichž počet se pravděpodobně pohybuje v řádu stovek až tisíců. Všechny moduly mají podobnou vnitřní strukturu, ale různé vstupy a výstupy. Modul (v terminologii Appsové a Garwicze multizonální mikrokompartment) se skládá z malého shluku neuronů v dolním olivovém jádře, souboru dlouhých úzkých proužků Purkyňových buněk v mozečkové kůře (mikrozóny) a malého shluku neuronů v jednom z hlubokých mozečkových jader. Různé moduly sdílejí vstup z mechových vláken a paralelních vláken, ale v ostatních ohledech se zdá, že fungují nezávisle – nezdá se, že by výstup jednoho modulu významně ovlivňoval aktivitu ostatních modulů.

4. Plasticita: Synapse mezi paralelními vlákny a Purkyňovými buňkami a synapse mezi mechovými vlákny a hlubokými jadernými buňkami jsou náchylné k modifikaci své síly. V jediném mozečkovém modulu se vstup z až miliardy paralelních vláken sbíhá na skupinu méně než 50 hlubokých jaderných buněk a vliv každého paralelního vlákna na tyto jaderné buňky je nastavitelný. Toto uspořádání poskytuje obrovskou flexibilitu pro jemné vyladění vztahu mezi mozečkovými vstupy a výstupy.

Existuje mnoho důkazů o tom, že mozeček hraje zásadní roli v některých typech motorického učení. Úkoly, při nichž mozeček hraje nejzřetelněji roli, jsou ty, při nichž je nutné provádět jemné úpravy způsobu provádění činnosti. O tom, zda k učení dochází v samotném mozečku, nebo zda pouze poskytuje signály, které podporují učení v jiných mozkových strukturách, se však vedou spory. Většina teorií, které přisuzují učení obvodům mozečku, vychází z raných myšlenek Davida Marra a Jamese Albuse, kteří postulovali, že šplhavá vlákna poskytují učební signál, který vyvolává synaptické modifikace v paralelních synapsích vláken a Purkyňových buněk. Marr předpokládal, že vstup lezeckých vláken způsobí posílení synchronně aktivovaných vstupů paralelních vláken. Většina pozdějších modelů učení mozečku však následovala Albuse a předpokládala, že aktivita lezeckých vláken bude chybovým signálem a způsobí oslabení synchronně aktivovaných paralelních vláken. Některé z těchto pozdějších modelů, jako například Fujitův model adaptivního filtru, se pokoušely pochopit funkci mozečku z hlediska teorie optimálního řízení.

Myšlenka, že aktivita lezeckých vláken funguje jako chybový signál, byla zkoumána v mnoha experimentálních studiích, přičemž některé ji potvrzují, jiné však zpochybňují. V průkopnické studii Gilberta a Thacha z roku 1977 vykazovaly Purkyňovy buňky opic, které se učily úkolu dosahování, zvýšenou aktivitu komplexních hrotů – která, jak známo, spolehlivě indikuje aktivitu vstupních šplhavých vláken buňky – v období, kdy byl výkon špatný. Několik studií motorického učení u koček pozorovalo komplexní aktivitu hrotů v případě nesouladu mezi zamýšleným pohybem a pohybem, který byl skutečně proveden. Studie vestibulo-okulárního reflexu (který stabilizuje zrakový obraz na sítnici při otáčení hlavy) zjistily, že aktivita šplhavých vláken indikuje „skluz sítnice“, i když ne zcela jednoznačným způsobem.

Jedním z nejrozsáhleji studovaných úkolů mozečkového učení je paradigma podmiňování mrknutí oka, při kterém se neutrální podmíněný podnět, jako je tón nebo světlo, opakovaně páruje s nepodmíněným podnětem, jako je například vzduchový paprsek, který vyvolá mrkací reakci. Po takovémto opakovaném podání CS a US nakonec CS vyvolá mrknutí dříve než US, což je podmíněná odpověď neboli CR. Experimenty ukázaly, že léze lokalizované buď do určité části jádra interpositus (jedno z hlubokých mozečkových jader), nebo do několika konkrétních bodů v mozečkové kůře zruší učení správně načasované mrknutí. Pokud se farmakologicky deaktivují mozečkové výstupy, zatímco vstupy a intracelulární okruhy zůstanou neporušené, dochází k učení, i když zvíře neprojevuje žádnou odpověď, zatímco pokud se naruší intracerebelární okruhy, k žádnému učení nedochází – tyto skutečnosti dohromady dávají silný důvod k tomu, že k učení skutečně dochází uvnitř mozečku.

Teorie a výpočetní modely

Model mozečkového perceptronu, jak jej formuloval James Albus

Díky rozsáhlým poznatkům o anatomické struktuře a behaviorálních funkcích mozečku se stal úrodnou půdou pro teoretizování – existuje snad více teorií o funkci mozečku než o kterékoli jiné části mozku. Nejzákladnější rozdíl mezi nimi je mezi „teoriemi učení“ a „teoriemi výkonu“ – tj. teoriemi, které využívají synaptickou plasticitu v mozečku k vysvětlení jeho role v učení, oproti teoriím, které vysvětlují aspekty probíhajícího chování na základě zpracování mozečkových signálů. Několik teorií obou typů bylo formulováno jako matematické modely a simulováno pomocí počítačů.

Snad nejstarší „výkonnostní“ teorií byla hypotéza „zpožděné linie“ Valentina Braitenberga. Původní teorie, kterou Braitenberg a Atwood předložili v roce 1958, navrhovala, že pomalé šíření signálů podél paralelních vláken způsobuje předvídatelné zpoždění, které mozečku umožňuje detekovat časové vztahy v rámci určitého okna. Experimentální data původní podobu teorie nepotvrdila, Braitenberg však nadále obhajoval její modifikované verze. Hypotézu, že mozeček funguje v podstatě jako časovací systém, zastával také Richard Ivry. Další vlivnou „výkonnostní“ teorií je teorie tenzorových sítí Pellionisze a Llinase, která poskytla pokročilou matematickou formulaci myšlenky, že základním výpočtem, který mozeček provádí, je transformace senzorických souřadnic na motorické.

Teorie v kategorii „učení“ téměř všechny vycházejí z raných publikací Davida Marra a Jamese Albuse. Marr ve své práci z roku 1969 navrhl, že mozeček je zařízením pro učení se spojování elementárních pohybů kódovaných lezeckými vlákny se vstupy z mechových vláken, které kódují smyslový kontext. Albus navrhl, že Purkyňovy buňky mozečku fungují jako perceptron, tedy neuronem inspirované zařízení pro abstraktní učení. Nejzásadnější rozdíl mezi Marrovou a Albusovou teorií spočívá v tom, že Marr předpokládal, že aktivita šplhavých vláken způsobí posílení synapsí paralelních vláken, zatímco Albus navrhoval jejich oslabení. Albus svou verzi formuloval také jako softwarový algoritmus, který nazval CMAC (Cerebellar Model Articulation Controller) a který byl testován v řadě aplikací.

Změněná chůze ženy s mozečkovým onemocněním

Nejvýznamnější příznaky mozečkové dysfunkce jsou motorické – konkrétní příznaky závisí na tom, která část mozečku je postižena a jak je narušena. Poškození mozkového laloku (vestibulární část) se může projevit ztrátou rovnováhy a zejména změněnou chůzí se širokým postojem, který naznačuje potíže s rovnováhou. Poškození laterální zóny neboli mozečku vede k problémům s dovednými volními a plánovanými pohyby. To může způsobit chyby v síle, směru, rychlosti a amplitudě pohybů. Mezi některé projevy patří hypotonie (snížený svalový tonus), dysartrie (problémy s artikulací řeči), dysmetrie (problémy s odhadem vzdálenosti nebo rozsahu pohybu), dysdiadochokineze (neschopnost provádět rychlé střídavé pohyby), porucha kontrolního reflexu nebo fenomén odrazu a třes (mimovolní pohyb způsobený střídavými kontrakcemi protichůdných svalových skupin). Poškození středočárové části může narušit pohyby celého těla, zatímco poškození lokalizované více laterálně má za následek spíše poruchy jemných pohybů rukou nebo končetin. Poškození horní části mozečku má tendenci způsobovat poruchy chůze a jiné problémy s koordinací nohou; poškození dolní části způsobuje spíše nekoordinované nebo špatně zaměřené pohyby paží a rukou a také potíže s rychlostí. Tento komplex motorických příznaků se nazývá „ataxie“. K identifikaci mozečkových problémů patří neurologické vyšetření, které zahrnuje posouzení chůze (široce založená chůze svědčí o ataxii), testy ukazování prstem a posouzení držení těla. Pokud je naznačena dysfunkce mozečku, může být použito vyšetření magnetickou rezonancí k získání podrobného obrazu o případných strukturálních změnách.

Doporučujeme:  Paracelsus

Spodní stopa ukazuje pokus pacienta s mozečkovým onemocněním o reprodukci horní stopy.

Seznam zdravotních problémů, které mohou způsobit poškození mozečku, je dlouhý: mrtvice, krvácení, nádory, alkoholismus, fyzická traumata, například střelná zranění, a chronické degenerativní stavy, jako je olivopontocerebelární atrofie. Některé formy migrény mohou rovněž způsobit dočasnou dysfunkci mozečku, a to různého stupně závažnosti.

Lidský mozeček se s věkem mění. Tyto změny se mohou lišit od změn v jiných částech mozku, například vzorec genové exprese v lidském mozečku vykazuje méně změn souvisejících s věkem než v mozkové kůře.
Některé studie uvádějí snížení počtu buněk nebo objemu tkáně, ale množství údajů týkajících se této otázky není příliš velké.

Cerebelární krvácení se od ostatních intrakraniálních krvácení liší tím, že nedochází k hemiparéze. Příznaky mohou zahrnovat okcipitální bolesti hlavy, ataxii, nystagmus, obrnu pohledu, obličejovou slabost a zvracení. Nejdůležitějším rizikovým faktorem je hypertenze.
Včasná diagnóza je důležitá, protože urgentní dekomprese může zachránit život.

Mozeček je občas postižen nádory. U dospělých jsou velmi časté metastatické nádory.

K nádorům, které běžně vznikají v mozečku, patří pilocytární astrocytomy, meduloblastomy (zejména u dětí), ependymomy a hemangioblastomy (často v souvislosti s von Hippel-Lindauovým syndromem).

Srovnávací anatomie a evoluce

Průřez mozkem žraloka pralesního se zvýrazněným mozečkem

Obvody v mozečku jsou podobné u všech tříd obratlovců, včetně ryb, plazů, ptáků a savců. Analogická struktura mozku existuje také u hlavonožců s dobře vyvinutým mozkem, jako jsou chobotnice. To bylo považováno za důkaz, že mozeček plní funkce důležité pro všechny živočišné druhy s mozkem.

Velikost a tvar mozečku se u různých druhů obratlovců značně liší. U obojživelníků, mihulí a syslů je mozeček málo vyvinutý, u posledních dvou skupin je sotva odlišitelný od mozkového kmene. Ačkoli je u těchto skupin přítomno spinocerebellum, primárními strukturami jsou malá párová jádra odpovídající vestibulocerebellu. U plazů je mozeček o něco větší, u ptáků podstatně větší a u savců ještě větší. Velké párové a stočené laloky, které se vyskytují u člověka, jsou typické pro savce, ale mozeček je u ostatních skupin většinou tvořen jedním středním lalokem a je buď hladký, nebo jen mírně rýhovaný. U savců je neocerebellum hlavní částí mozečku podle hmotnosti, ale u ostatních obratlovců je to typicky spinocerebellum.

Mozeček chrupavčitých a kostnatých ryb je mimořádně velký a složitý. Přinejmenším v jednom důležitém ohledu se jeho vnitřní struktura liší od mozečku savců: mozeček ryb neobsahuje diskrétní hluboká mozečková jádra. Místo toho jsou primárními cíli Purkyňových buněk odlišný typ buněk rozmístěných v mozkové kůře, který se u savců nevyskytuje. U mormyridních ryb (čeleď slabě elektricky citlivých sladkovodních ryb) je mozeček podstatně větší než zbytek mozku dohromady. Jeho největší část tvoří zvláštní struktura zvaná valvula, která má neobvykle pravidelnou architekturu a většinu vstupních informací získává z elektrosenzorického systému.

Charakteristickým znakem mozečku savců je rozšíření postranních laloků, jejichž hlavní interakce probíhají s neokortexem. Jak se opice vyvíjely v lidoopy, pokračovalo rozšiřování postranních laloků současně s rozšiřováním čelních laloků neokortexu. U předků hominidů a u homo sapiens až do období středního pleistocénu pokračovalo rozšiřování mozečku, ale čelní laloky se rozšiřovaly rychleji. Poslední období evoluce člověka však mohlo být ve skutečnosti spojeno se zvětšením relativní velikosti mozečku, protože neokortex poněkud zmenšil svou velikost, zatímco mozeček se zvětšil.

Struktury podobné mozečku

Mnoho druhů obratlovců má mozkové oblasti, které se buněčnou architekturou a neurochemickým složením podobají mozečku. Jediné, které se u savců vyskytuje, je dorzální kochleární jádro (DCN), jedno ze dvou primárních smyslových jader, která přijímají vstup přímo ze sluchového nervu. DCN je vrstevnatá struktura, jejíž spodní vrstva obsahuje granulární buňky podobné buňkám mozečku a dává vzniknout paralelním vláknům, která vystupují do povrchové vrstvy a procházejí jí horizontálně. Povrchová vrstva obsahuje soubor GABAergních neuronů zvaných buňky vozíku, které se anatomicky a chemicky podobají Purkyňovým buňkám – přijímají vstup paralelních vláken, ale nemají žádné vstupy, které by se podobaly lezeckým vláknům. Výstupní neurony DCN se nazývají fusiformní buňky. Jsou glutamátergní, ale v některých ohledech se také podobají Purkyňovým buňkám – mají ostnité, zploštělé povrchové dendritické stromy, které přijímají vstup z paralelních vláken, ale mají také bazální dendrity, které přijímají vstup ze sluchových nervových vláken, jež procházejí napříč DCN ve směru kolmém na paralelní vlákna. DCN je nejvíce vyvinutá u hlodavců a dalších malých zvířat, u primátů je značně redukovaná. Její funkce není dobře známa; nejrozšířenější spekulace ji tak či onak spojují s prostorovým slyšením.

Většina druhů ryb a obojživelníků má systém postranních čar, který vnímá tlakové vlny ve vodě. Jedna z oblastí mozku, která přijímá primární vstupní informace z orgánu laterální linie, mediální oktavolaterální jádro, má strukturu podobnou mozečku, s granulárními buňkami a paralelními vlákny. U elektricky citlivých ryb směřuje vstup z elektricky citlivého systému do dorzálního oktavolaterálního jádra, které má rovněž strukturu podobnou mozečku. U paprskoploutvých ryb (zdaleka nejpočetnější skupina) má optické tektum vrstvu – okrajovou vrstvu – podobnou mozečku.

Zdá se, že všechny tyto struktury podobné mozečku jsou primárně spojeny se smysly, nikoli s motorikou. Všechny mají granulární buňky, z nichž vycházejí paralelní vlákna, která se připojují k Purkyňovým neuronům s modifikovatelnými synapsemi, ale žádná z nich nemá lezecká vlákna srovnatelná s vlákny mozečku – místo toho dostávají přímý vstup z periferních smyslových orgánů. Žádná z nich nemá prokázanou funkci, ale nejvlivnější spekulace je, že slouží k transformaci smyslových vstupů nějakým sofistikovaným způsobem, možná ke kompenzaci změn polohy těla. Ve skutečnosti James Bower a další tvrdili, částečně na základě těchto struktur a částečně na základě studií mozečku, že mozeček sám je v podstatě senzorickou strukturou a že přispívá k řízení motoriky tím, že pohybuje tělem způsobem, který řídí výsledné senzorické signály.

Základna lidského mozku, jak ji nakreslil Andreas Vesalius v roce 1543

Charakteristický vzhled mozečku způsobil, že ho rozpoznali už první anatomové. Aristoteles a Galén jej však nepovažovali za skutečnou součást mozku: Nazývali ho parencephalon („stejný jako mozek“), na rozdíl od encephalonu neboli vlastního mozku. Galén byl první, kdo podal rozsáhlý popis, a poznamenal, že mozková tkáň se zdá být pevnější než zbytek mozku, spekuloval, že její funkcí je posilovat motorické nervy.

Další významný vývoj nastal až v renesanci. Vesalius se krátce zabýval mozečkem a jeho anatomii důkladněji popsal Thomas Willis v roce 1664. Další anatomické práce byly provedeny v průběhu 18. století, ale první poznatky o funkci mozečku byly získány až na počátku 19. století. Luigi Rolando v roce 1809 stanovil klíčový poznatek, že poškození mozečku vede k poruchám motoriky. Jean Pierre Flourens v první polovině 19. století provedl podrobné experimentální práce, které odhalily, že zvířata s poškozením mozečku se mohou stále pohybovat, ale se ztrátou koordinace (podivné pohyby, neobratná chůze a svalová slabost), a že zotavení po poškození může být téměř úplné, pokud není poškození velmi rozsáhlé. Na počátku 20. století bylo všeobecně přijímáno, že primární funkce mozečku se týká řízení motoriky; v první polovině 20. století vzniklo několik podrobných popisů klinických příznaků spojených s onemocněním mozečku u lidí.

Trigeminální lemniscus (dorzální trigeminální trakt, ventrální trigeminální trakt)

kraniální jádra: GSA: Principal V/Spinal V – VIII-c (Dorsal, Anterior)/VIII-v (Lateral, Superior, Medial, Inferior) – SVE: Motor V – VII – GSE: VI – GVE: VII: Superior salivary nucleus (horní slinné jádro).

MLF, III, IV a VI (vestibulo-okulomotorická vlákna, mediální vestibulospinální trakt)

smyslově vzestupný: Trapézové těleso/VIII – horní olivové jádro

Dolní mozečkový pedunkl (Vestibulocerebelární trakt)

motorický / sestupný: Apneustické centrum – Pneumotaxické centrum (mediální parabrachiální jádro) – Laterální parabrachiální jádro

Střední mozečkové stopky (pontocerebelární vlákna) – Pontinová nukleimotorická/descendentní: Kortikospinální dráha – Kortikobulbární dráha – Kortikopontinní vlákna

Retikulární formace (kaudální, orální, tegmentální, paramediální) – Raphe nuclei (mediální)

povrch: zadní mediánní sulcus – posterolaterální sulcus – postrematická oblast

kraniální jádra: GVA: VII,IX,X: Solitární/traktální – SVA: Gustatorní jádro – GSE: XII – GVE: IX,X,XI: Ambiguus – SVE: X: Dorzální – IX: Dolní slinné jádro – MLF, III, IV a VI

smyslově vzestupný: Senzorická dekuze – Mediální lemniscus – Jádro Gracile – Jádro Cuneate (Accessory cuneate nucleus)

motorický / sestupný: Dorsální respirační skupina

motorický / sestupný: (motorická dekuze) – dolní olivové jádro (olivocerebelární dráha, rubroolivární dráha) povrch: Přední střední štěrbina – Přední laterální rýha – Arkuátní jádro dřeně – Olivové těleso

Retikulární formace (gigantocelulární, parvocelulární, ventrální, laterální, paramediální) – Raphe nuclei (Obscurus, Magnus, Pallidus)