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9/8/2011 1 Motor Functions of  the Spinal Cord and Cord Reflexes Charlie E. Labarda,  MD ORGANIZATION OF MOTOR FUNCTION BY THE SPINAL CORD 9/8/2011 School of Health Sciences MOTOR UNITS  a single motoneuron and the muscle fibers that it innervates  number of  muscle fibers innervated can vary from a few fibers to thousands of  fibers,  depending on the nature of  the motor activity  eye movements—mot oneurons innervate  only a few muscle fibers;  postural  muscles— motoneurons innervate thousands of  muscle fibers 9/8/2011 School of Health Sciences Size Principle  States that as more motor units are recruited,  progressively  larger motoneurons are involved and greater tension will be generated  The force of  contraction  of  a muscle is graded by recruitment of  motor units  E.g. small vs large motoneurons 9/8/2011 School of Health Sciences

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Motor Functions of  the Spinal 

Cord 

and Cord Reflexes

Charlie E. Labarda, MD

ORGANIZATION OF 

MOTOR FUNCTION BY 

THE 

SPINAL CORD 

9/8/2011 School of Health Sciences

MOTOR UNITS

•   a single motoneuron and the muscle fibers that it innervates

•   number of  muscle fibers innervated can vary from a few fibers to thousands of  fibers, depending on the nature of  the motor activity

•   eye movements—motoneurons innervate only a few muscle fibers; postural muscles—motoneurons innervate thousands of  muscle fibers

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Size Principle

•   States that as more motor units are 

recruited, progressively larger 

motoneurons are involved and greater 

tension will be generated

•   The force of  contraction of  a muscle is 

graded by recruitment of  motor units

•   E.g. small vs large motoneurons

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•   Small motoneurons

innervate a few muscle fibers

because they have the lowest thresholds, they fire first

also generate the smallest amounts of  force

•   Large motoneurons

innervate many muscle fibers

have the highest thresholds to fire action potentials; thus, they fire last

they also generate the greatest amounts 

of  force9/8/2011 School of Health Sciences

Types of  

Motoneurons

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α Motoneuron

•   innervate extrafusal skeletal muscle fibers

•   Action potentials lead to action potentials in 

the extrafusal muscle fibers they innervate, 

which results in contraction

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γ Motoneurons

•   innervate specialized intrafusal muscle fibers, a component of  the muscle spindles

•   function of  the muscle spindle: to sense muscle length;

•   the function of  the γmotoneuronsinnervating them is to adjust the sensitivity of  the muscle spindles (so they respond appropriately as the extrafusal fibers contract and shorten)

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•   αMotoneurons and γmotoneurons are 

coactivated (activated simultaneously) so 

that muscle spindles remain sensitive to 

changes in muscle length even as the muscle 

contracts and shortens

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Types of  

Muscle Fibers 

Extrafusal fibers

•   constitute the majority of  skeletal muscle

•   innervated by αmotoneurons

•   are used to generate force

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Intrafusal fibers

•   are specialized fibers that are innervated by γ

motoneurons and are too small to generate 

significant force

•   encapsulated in sheaths, forming muscle 

spindles that run parallel to the extrafusal

fibers

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MUSCLE 

SPINDLES

•   distributed among the extrafusal muscle 

fibers

•   especially abundant in muscles utilized for 

fine movements (e.g., muscles of  the eye)

•   spindle‐shaped organs composed of  

intrafusal muscle fibers and innervated by 

sensory and motor nerve fibers

•   are attached to connective tissue and 

arranged in parallel with the extrafusalmuscle fibers

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Intrafusal Muscle Fibers 

of  Muscle Spindles 

•   two types of  intrafusal fibers present in 

muscle spindles:

nuclear bag fibers‐‐are larger, and their nuclei 

are accumulated in a central ("bag") region

nuclear chain fibers‐‐smaller, and their nuclei are 

arranged in rows ("chains")

•   Generally, both types of  fibers are present in 

every muscle spindle, but nuclear chain 

fibers are more plentiful than nuclear bag 

fibers9/8/2011 School of Health Sciences

Innervation of  

Muscle Spindles: both 

sensory (afferent) and 

motor (efferent) nerves

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Sensory Innervation

•   group Ia afferent nerve

innervates both the nuclear bag fibers and 

the nuclear chain fibers 

among the largest nerves in the body

among the fastest conduction velocities

form primary endings in a spiral‐shaped 

terminal around the central region of  the 

nuclear bag and nuclear chain fibers

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•   group II afferent nerves

innervate only the nuclear chain fibers

have intermediate diameters and

intermediate conduction velocities

form secondary endings on the nuclear 

chain fibers

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Motor Innervation

•   consists of  two types of   γmotoneurons:

Dynamic

Static

Dynamic  γmotoneurons synapse on nuclear 

bag fibers in "plate endings." 

Static  γmotoneurons synapse on nuclear 

chain fibers in "trail endings," which spread 

out over longer distances

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•   γMotoneurons are smaller and slower than 

the αmotoneurons that innervate the 

extrafusal fibers

•   the function of  the γmotoneurons (either 

static or dynamic) is to regulate the 

sensitivity of  the intrafusal muscle fibers they 

innervate

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Function of  

Muscle Spindles 

•   stretch receptors

•   Function: to correct for changes in muscle 

length when extrafusal muscle fibers are 

either shortened (by contraction) or 

lengthened (by stretch)

•   Thus, muscle spindle reflexes operate to 

return muscle to its resting length after it has 

been shortened or lengthened

•   To illustrate the function of  the muscle 

spindle reflex: consider the events that occur 

when a muscle is stretched

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Muscle is

stretched

Extrafusal muscle

is lengthened

Intrafusal muscle

also lengthened

Events that Occur when a Muscleis Stretched

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detected by the sensory afferent fibers

Group Ia

afferent fibers

(nuclear bag and

nuclear chain fibers)

detect the velocity

of length change

Group II

afferent fibers

(nuclear chain fibers)

detect the length of the

muscle fiber 

Activation of

Group Iα afferent

fibers

stimulates

α motoneurons

in the spinal cord

cause the muscle to

contract (shorten)the original stretch (lengthening) is

opposed when the reflex causes the

muscle to contract and shorten

innervate

extrafusal fibers in

the homonymous

(same) muscle

γ Motoneurons are

coactivated

ensures that the muscle

spindle will remain

sensitive to changes in

muscle length even during

the contraction9/8/2011 School of Health Sciences

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SPINAL CORD REFLEXES

•   are stereotypical motor responses to specific 

kinds of  stimuli, such as stretch of  the muscle

•   The neuronal circuit that directs this motor 

response is called the reflex arc

•   The reflex arc includes:

the sensory receptors; 

the sensory afferent nerves—carry 

information to the spinal cord

the interneurons in the spinal cord

Motoneurons‐‐direct the muscle to 

contract or relax9/8/2011 School of Health Sciences

Stretch (Myotatic) Reflex 

•   the simplest of  all spinal cord reflexes

•   having only one synapse between sensory 

afferent nerves (group Ia afferents) and 

motor efferent nerves (α motoneurons)

•   exemplified by the knee‐ jerk reflex

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The Knee-Jerk Reflex

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Tapping the

 patellar tendon

Quadriceps muscle

stretch (muscle

spindle stretched)

group Ia afferent

fibers are

stimulated

synapse on and activate

α motoneurons in the

spinal cord

innervate and cause

contraction of the

quadriceps (the

muscle that originally

was stretched

Quadriceps

contract and

shortens

Knee

 jerk 

Golgi Tendon Reflex

•   a disynaptic spinal cord reflex

•   also called the inverse myotatic reflex

•   Golgi tendon organ

is a stretch receptor found in tendons

senses contraction (shortening) of  muscle and

activates group Ib afferent nerves

are arranged in series with the extrafusal muscle 

fibers (contrasting the parallel arrangement of  

muscle spindles in the stretch reflex)

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Steps in the Golgi tendon Reflex

1. When the muscle contracts, the extrafusal

muscle fibers shorten, activating the Golgi 

tendon organs attached to them. In turn, 

the group Ib afferent fibers that synapse on 

inhibitory interneurons in the spinal cord 

are activated. These inhibitory 

interneurons synapse on the α

motoneurons

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Golgi Tendon Reflex

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2. When the inhibitory interneurons are 

activated (i.e., activated to inhibit ), they 

inhibit firing of  the αmotoneurons, 

producing relaxation of  the homonymous 

muscle (the muscle that originally was 

contracted)

3. As the homonymous muscle relaxes, the 

reflex also causes synergistic muscles to relax 

and antagonistic muscles to contract.

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Flexor‐Withdrawal Reflex 

•   a polysynaptic reflex that occurs in response 

to a painful or noxious stimulus

•  Somatosensory and pain afferent fibers 

initiate a flexion reflex that causes withdrawal 

of  the affected part of  the body from the 

painful or noxious stimulus

•   The reflex produces flexion  on the ipsilateral

side (i.e., side of  the stimulus) and extension

on the contralateral side 

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Steps in the Flexor‐Withdrawal 

Reflex 

1. When a limb touches a painful stimulus, flexor 

reflex afferent fibers (groups II, III, and IV) are 

activated. These afferent fibers synapse on 

multiple interneurons in the spinal cord (i.e., 

polysynaptic reflex). 

2. On the ipsilateral side of  the pain stimulus, 

reflexes are activated that cause flexor 

muscles to contract and extensor muscles to 

relax. This portion of  the reflex produces 

flexion on the ipsilateral side 9/8/2011 School of Health Sciences

Flexor‐Withdrawal Reflex 

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3. On the contralateral side of  the pain 

stimulus, reflexes are activated that cause 

extensor muscles to contract and flexor 

muscles to relax. This portion of  the reflex 

produces extension on the contralateral side 

and is called the crossed‐extension reflex.

Thus, if  the painful stimulus occurs on the 

left side, the left arm and leg will flex or 

withdraw and the right arm and leg will 

extend to maintain balance. 

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4. A persistent neural discharge, called an 

afterdischarge,  occurs in the polysynaptic 

reflex circuits. As a result of  the 

afterdischarge, the contracted muscles 

remain contracted for a period of  time after 

the reflex is activated. 

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Type ofReflex

(Example)

Number of

Synapses

Stimulus for

Reflex

SensoryAfferent

Fibers Responses

Stretch reflex

(knee jerk)

One Stretch

(lengthening)

of the muscle

Ia Contraction

of the muscle

Golgi tendon

reflex (clasp

knife)

Two Contraction

(shortening)

of the muscle

Ib Relaxation of

the muscle

Flexor-

withdrawal

reflex

(touching a

hot stove)

Many Pain;

temperature

II, III, and IV Flexion on

ipsilateral

side;

extension on

contralateral

side9/8/2011 School of Health Sciences

CONTROL OF POSTURE AND 

MOVEMENT BY THE BRAIN 

STEM 

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•   Descending motor pathways (i.e., those 

descending from the cerebral cortex and 

brain stem) are divided among the pyramidal 

tract and the extrapyramidal tract

•   Pyramidal tracts are corticospinal and 

corticobulbar tracts that pass through the 

medullary pyramids and descend directly 

onto lower motoneurons in the spinal cord

•   All others are extrapyramidal tracts

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The extrapyramidal tracts originate in the 

following structures of  the brain stem:

The rubrospinal tract

originates in the red nucleus and projects to 

motoneurons in the lateral spinal cord

Stimulation of  the red nucleus produces 

activation of  flexor muscles and inhibition of  

extensor muscles

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The pontine reticulospinal tract

originates in nuclei of  the pons and projects 

to the ventromedial spinal cord

Stimulation has a generalized activating 

effect on both flexor and extensor muscles, 

with its predominant effect on extensors

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The medullary reticulospinal tract

originates in the medullary reticular 

formation and projects to motoneurons in 

the spinal cord

Stimulation has a generalized inhibitory 

effect on both flexor and extensor muscles, 

with the predominant effect on extensors

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CEREBELLUM 

•   "little brain," regulates movement and posture 

and plays a role in certain kinds of  motor 

learning

•   helps control the rate, range, force, and 

direction of  movements (synergy)

•   Damage results in lack of  coordination

•   located in the posterior fossa just below the 

occipital lobe

•   connected to the brain stem by three cerebellar

peduncles, which contain both afferent and 

efferent nerve fibers9/8/2011 School of Health Sciences

3 main divisions of  the cerebellum: 

the vestibulocerebellum‐‐ dominated by 

vestibular input and controls balance and eye 

movements

Spinocerebellum‐‐ dominated by spinal cord 

input and controls synergy of  movement

Pontocerebellum‐‐ dominated by cerebral 

input, via pontine nuclei, and controls the 

planning and initiation of  movements

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Layers of  the Cerebellar Cortex

The granular layer

the innermost layer

contains granule cells, Golgi II cells, and 

glomeruli

In the glomeruli, axons of  mossy fibers from 

the spinocerebellar and pontocerebellar tracts 

synapse on dendrites of  granule and Golgi 

type II cells

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The Purkinje cell layer

the middle layer

contains Purkinje cells, and its output is 

always inhibitory 

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The molecular layer

the outermost layer

contains outer stellate cells, basket cells, 

dendrites of  Purkinje and Golgi II cells, and 

axons of  granule cells

The axons of  granule cells form parallel 

fibers, which synapse on the dendrites of  

Purkinje cells, basket cells, outer stellate

cells, and Golgi type II cells. 

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Layers of  the Cerebellar Cortex 

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Input to the Cerebellar Cortex 

•   Two systems provide excitatory input to the 

cerebellar cortex:

the climbing fiber system

the mossy fiber system

•   Each system also sends collateral branches 

directly to deep cerebellar nuclei, in addition 

to their projections to the cerebellar cortex

•   Excitatory projections from the cerebellar

cortex then activate secondary circuits, 

which modulate the output of  the cerebellar

nuclei via the Purkinje cells9/8/2011 School of Health Sciences

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Climbing fibers

•   originate in the inferior olive of  the medulla 

and project directly onto Purkinje cells

•   make multiple synaptic connections along 

the dendrites of  Purkinje cells, although each 

Purkinje cell receives input from only one

climbing fiber

•   These synaptic connections are very 

powerful! 

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•   A single action potential from a climbing 

fiber can elicit multiple excitatory bursts, 

called complex spikes, in the dendrites of  the 

Purkinje cell

•   It is believed that climbing fibers "condition" 

the Purkinje cells and modulate their 

responses to mossy fiber input

•   Climbing fibers also may play a role in 

cerebellar learning.

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Mossy fibers

•   constitute the majority of  the cerebellar input

•   These fibers include vestibulocerebellar,  

spinocerebellar, and pontocerebellar afferents

•   Mossy fibers project to granule cells, which 

are excitatory interneurons located in 

collections of  synapses called glomeruli

•   Axons from these granule cells then ascend to 

the molecular layer, where they bifurcate and 

give rise to parallel fibers9/8/2011 School of Health Sciences

•   Parallel fibers  from the granule cells contact the 

dendrites of  many  Purkinje cells, producing a 

"beam" of  excitation along the row of  Purkinje cells

•   The dendritic tree of  each Purkinje cell may receive 

input from as many as 250,000 parallel fibers! 

•   In contrast to the climbing fiber input to the 

Purkinje dendrites (which produce complex spikes), 

the mossy fiber input produces single action 

potentials called simple spikes

•   These parallel fibers also synapse on cerebellar

interneurons (basket, stellate, and Golgi II). 

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Interneurons of  the Cerebellum

•   The function of  cerebellar interneurons is to 

modulate  Purkinje cell output

•   With the exception of  granule cells, all of  the 

cerebellar interneurons are inhibitory

•   Granule cells have excitatory input to basket cells, 

stellate cells, Golgi II cells, and Purkinje cells

•   Basket cells and stellate cells inhibit Purkinje cells 

(via parallel fibers)

•   Golgi II cells inhibit granule cells, thereby reducing 

their excitatory effect on Purkinje cells

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