HC18: Anatomie hersenstam en autonome zenuwstelsel

Algemene informatie

• Welke onderwerpen worden behandeld in het hoorcollege?
  • In dit college wordt de anatomie van de hersenstam het vestibulaie systeem besproken
• Welke onderwerpen worden besproken die niet worden behandeld in de literatuur?
  • Alle onderwerpen in dit college worden ook behandeld in de literatuur
• Welke recente ontwikkelingen in het vakgebied worden besproken?
  • Er zijn geen recente ontwikkelingen besproken
• Welke opmerkingen worden er tijdens het college gedaan door de docent met betrekking tot het tentamen?
  • Er zijn geen opmerkingen over het tentamen gemaakt
• Welke vragen worden behandeld die gesteld kunnen worden op het tentamen?
  • Er zijn geen mogelijke vragen behandeld

Opbouw

Onderdelen:

De hersenstam is als volgt opgebouwd:

• Mesencephalon
• Rhombencephalon
  • Metencephalon
    • Pons
    • Cerebellum
  • Myelencephalon
    • Medulla oblongata

De hersenstam is een verlenging van het ruggenmerg, die progressief meer van het ruggenmerg gaat afwijken.

Structuur:

De algemene structuur van de hersenstam ziet er als volgt uit:

• Tectum
  • Bedekt het ventriculaire systeem
• Tegmentum
  • Lijkt op het ruggenmerg
• Pes/crus cerebri
  • Een corticofugale vezelbundel

Het tegmentum ligt in het midden. De medulla oblongata bevat geen tectum.

Craniale zenuwen

De meeste craniale zenuwen komen uit de hersenstam:

1. Nervus olfactorius
2. Nervus opticus
3. Nervus oculomotorius
4. Nervus trochlearis
5. Nervus trigeminus
6. Nervus abducens
7. Nervus facialis
8. Nervus vestibulocochlearis
9. Nervus glossopharyngeus
10. Nervus vagus
11. Nervus accessorius
12. Nervus hypoglossus

Nervus olfactorius en opticus:

De nervus olfactroius en opticus zijn geen echte craniale zenuwen → de bulbus olfactorius en bulbus opticus zijn verlengingen van het CZS:

• De "optic stalk" wordt de nervus opticus en ligt dus centraal en niet perifeer
  • De echte nervus opticus zit in de retina
• De filla olfactoria verbindt de zintuigcellen met de bulbus olfactorius en vormt de echte nervus olfactorius
  • Deze ligt craniaal
  • De filla olfactoria vormen de eigenlijke nervus olfactorius

Kernen:

De axonen in de "echte" craniale zenuwen komen uit, of eindigen in, een craniale zenuwkern:

• Deze zijn gelokaliseerd in de hersenstam
• Alle craniale zenuwen en hun kernen zijn ipsilateraal gelegen
  • M.u.v. de nervus trochlearis, deze kruist en innerveert contralateraal
• Een craniale zenuw kan axonen van verschillende craniale zenuwkernen bevatten
  • Dit is het geval bij de nervus oculomotorius, trigeminus, facialis en vagus
• Axonen die ontspringen of eindigen in een craniale zenuwkern kunnen verdeeld zijn over meer dan één craniale zenuw
  • Dit is het geval bij de nucleus ambiguus en de nucleus solitarus
    • De nucleus ambiguus bevat axonen die via meerdere craniale zenuwen naar verschillende slikspieren gaan

Motorkernen:

De corticale controle van craniale motorkernen is contralateraal of bilateraal → sommige vezels kruisen in de hersenstam:

• Bilateraal
  • mV: de motorkern van de nervus trigeminus
    • Kauwen
  • dVII: dorsale nervus facialis kern
    • Gezichtsuitdrukking
  • IX: nucleus ambiguus
    • Slikken
  • X: nucleus ambiguus
    • Slikken
• Contralateraal
  • vVII: ventrale nervus facialiskern
    • Gezichtsuitdrukking
  • XI: nervus accessorius kern
    • Musculus sternocleïdomastoïdeus
    • Musculus trapezius
  • XII: nervus hypoglossus kern
    • Tong

Ontwikkeling

Het CZS begint als een simpele buis:

1. Neuroectodermaal weefsel differentieert uit het ectoderm en verdikt tot de neurale plaat
   • De neurale plaat grens scheidt het ectoderm van de neurale plaat
2. De neurale plaat buigt dorsaal om, waardoor de 2 uiteinden bij de neurale plaat grens samenkomen → de neurale lijst ontstaat
3. Doordat de neurale buis dichtgaat raakt de neurale lijst los van de epidermis
4. Neurale lijstcellen gaan differentiëren → vormen het grootste deel van het PZS
5. De notochord degenereert → blijft alleen bestaan als de nucleus pulposus van de discus intervertebralis
6. Overige mesodermale cellen differentiëren tot somieten
   • Dit zijn de voorlopers van het axiale skelet en de skeletspieren

Neurale buis:

De neurale buis differentieert in:

• Dorsale neurale buis: bestaat uit de "alar plate" → vormen sensorische neuronen
• Ventrale neurale buis: bestaat uit de "basal plate" → vormen motorische neuronen
• Vloer en dakplaat: bestaan uit morfogenen

Zo worden de voor- en achterhoorn van het ruggenmerg gevormd, die o.i.v. van de morfogenen staan.

Kolommen:

De alare en basale plates liggen in de hersenstam en differentiëren tot gespecialiseerde motorische of sensibele kolommen → de kolommen van Herrick:

• Motorisch
  • Somatomotorisch
    • Mediale motorkolom
      • Epaxiale musculatuur
        • Dit is dorsaal axiale musculatuur
      • Te vinden over het hele ruggenmerg
    • Hypaxiale motorkolom
      • Hypaxiale musculatuur
        • Dit is ventraal axiale musculatuur
      • Te vinden t.h.v. de thoracale wervels
    • Laterale motorkolom
      • Extremiteiten musculatuur
      • Te vinden t.h.v. de cervicale en lumbosacrale wervels
  • Branchiomotorisch
    • Afgeleid van de kauwspieren
  • Visceromotorisch
    • Preganglionaire motorkolom
      • Viscerale/autonome musculatuur
      • Te vinden t.h.v. de thoracale wervels
• Sensibel
  • Algemeen sensibel
    • Ook aanwezig in het ruggenmerg
  • Visceraal sensibel
    • Ook aanwezig in het ruggenmerg
  • Speciaal sensibel
    • Auditorisch
    • Vestibulair

Uiteindelijk klapt de hersenstam open: hij gaat eerst opzij liggen en migreert vervolgens naar ventraal. De hersenstam ligt dus niet meer dorsaal. Hij blijft georganiseerd in kolommen, maar de spatiale verhoudingen veranderen. Ook komen er kolommen bij → de organisatie van de hersenstam is complex:

• Het ruggenmerg bevat 4 kolommen
• De hersenstam bevat 6 kolommen van Herrick
  • De speciale sensibele en brachiomotorkolommen komen erbij
• Het intermediaire grijs gaat in de hersenstam minder geordend liggen → de reticulaire formatie

Reticulaire formatie

De reticulaire formatie bestaat dus uit een voortzetting van intermediair grijs in de hersenstam. Het vormt onderdeel van het tegmentum van de hersenstam en is niet goed met een microscoop te onderscheiden.

Verschillende gebieden van de reticulaire formatie krijgen extra functies:

• Rostrale reticulaire formatie: opwinding en aandacht
• Caudale reticulaire formatie: autonome en motorische functies

Rostrale reticulaire formatie:

De rostrale reticulaire formatie ligt in de bovenste helft van de pons en het mesencephalon.  Het wordt ook wel het ARAS (ascending reticular activating system) genoemd. De functies zijn:

• Controle over de exciteerbaarheid van het opstijgende deel van het brein
  • Dit wordt gedaan door diffuse modulatoire systemen
• Behoud van de alerte "conscious state" in het cerebrum → zorgt ervoor dat het cerebrum actief is
  • Filtreert de repetitieve en zwakke stimuli
    • Slechts 1% van de stimuli is significant
    • Bijv. het gevoel van kleding op de huid
  • "Content of consciousness" is het resultaat van de samengestelde acties van de somatomotorische, sensibele, geheugen en emotionele systemen
  • Er zijn 3 "levels of consciousness":
    • Alertness
      • Hier speelt de rostrale reticulaire formatie een enorme rol
    • Attention
      • Hier speelt de rostrale reticulaire formatie een matige rol
    • Awareness
• Werkt samen met structuren van het diencephalon

De rostrale reticulaire formatie bestaat uit diffuse modulerende systemen: klontjes neuronen die, zonder kopieën, overal heen projecteren. Ze grijpen fundamenteel in op het functioneren van het brein → moduleren de toestand van het brein.

Caudale reticulaire formatie:

De caudale reticulaire formatie ligt in de onderste helft van de pons en de medulla oblongata. De functies zijn:

• Controle over de exciteerbaarheid van het afdalende deel van het brein
  • Dit wordt gedaan door diffuse modulatoire systemen
  • Bepaalt hoe levendig reflexen zijn
• Autonome functies
  • Controle over ademhaling, bloeddruk, hartslag en mictie
  • "Descending analgesic regulation"
• Motorfuncties
  • Controle over de spiertonus
  • "Gaze control": de volgbeweging van de ogen
• Regeling van pijn

De van tevoren ingestelde mate van excitatie van de motorneuronen bepaalt hoe snel er gereageerd kan worden.

Respiratiecentra

In de reticulaire formatie bevinden zich verscheidende respiratiecentra:

• Pontine respiratoire groep (PRG): regelt de activiteit van de dorsale en ventrale respiratoire groep
  • Bestaat uit 2 centra die samen de snelheid en diepte van de ademhaling regelen
    • Pneumotaxisch centrum: ademhaling aan
    • Apneutisch centrum: ademhaling uit
• Dorsale respiratoire groep
  • Voor inspiratie
    • Altijd actief
    • Geregeld door een centrale patroon generator (CPG)
• Ventrale respiratoire groep
  • Voor expiratie
    • Meestal passief
    • Geregeld door een centrale patroon generator (CPG)

Soorten ademhaling:

Tijdens een ademhaling activeert de CPG meer en meer spieren. Er zijn verschillende soorten ademhaling:

• Normale ademhaling
  • Inademing
    • Contractie van het diafragma
    • Relaxatie van de buikwandspieren
  • Uitademing
    • Uitrekken van de thoracale wand
    • Relaxatie van het diafragma
• Actieve ademhaling
  • Inademing
    • Contractie van het diafragma
    • Relaxatie van de buikwandspieren
    • Contractie van de externe intercostaalspieren
  • Uitademing
    • Uitrekken van de thoracale wand
    • Relaxatie van het diafragma
    • Contractie van de interne intercostaalspieren
    • Actieve contractie van de abdominale spieren
• Hele harde ademhaling
  • Inademing
    • Contractie van het diafragma
    • Relaxatie van de buikwandspieren
    • Contractie van de externe intercostaalspieren
    • Accessoire inspiratoire spieren worden actief
  • Uitademing
    • Uitrekken van de thoracale wand
    • Relaxatie van het diafragma
    • Contractie van de interne intercostaalspieren
    • Actieve contractie van de abdominale spieren
    • Accessoire expiratoire spieren worden actief

Soms kost de arbeid van een ademhaling meer zuurstof dan tijdens een ademhaling geabsorbeerd wordt → er ontstaat een astma aanval:

• Gekenmerkt door benauwdheid
• Potentiaal gevaarlijk bij het gebruik van de accessoire ademhalingsspieren

Pontine respiratoire groep:

De pontine respiratoire groep beïnvloedt de centrale patroon generator. De pontine respiratoire groep wordt gecontroleerd door meerdere factoren die samen de ademhaling regelen:

• Hoge centra in het brein
  • Spraak, emoties, willekeurige controle, actiepotentialen in de motorkolommen
  • Exciterende en inhiberende invloed
• Medullaire chemoreceptoren
  • Zorgen voor een lagere pH en hoger CO2-gehalte
  • Exciterende invloed
• Aorta- en carotislichaam chemoreceptoren
  • Zorgen voor een lager O2-gehalte
  • Exciterende invloed
• Hering-Breuer reflex
  • Rek-receptoren in de longen
  • Inhiberende invloed
• Proprioceptoren in de spieren en pezen
  • Exciterende invloed
• Tecto-, thermo- en pijnreceptoren
  • Exciterende invloed

Neurotransmitter systemen

Er zijn verschillende neurotransmitter systemen, waarvan niet alle neurotransmitters evenveel gebruikt worden. Zo wordt GABA door 50% van de neuronen gebruikt en glutamaat door 30%. Neurotransmitters worden verdeeld in 3 groepen:

• Grote systemen/centrale controlerende systemen
  • Functie
    • Somatomotorische controle
    • Sensorische systemen
    • Geheugen- en leersystemen
    • Emotionele systemen
    • Executive controle
  • Werken vooral d.m.v. chemische synapsen en ionotrope receptoren
    • Snelle, kort aanwezige en simpele effecten: postsynaptische potentialen
  • Neurotransmitters
    • GABA (50%)
      • Een inhibitoire neurotransmitter
      • Groot systeem om neuronen die spontaan actief zijn te remmen
      • Voorkomt dat spontane activiteit resulteert in massale activiteit
      • Lange projecties
    • Glutamaat (30%)
      • Wordt gebruikt door bijna alle systemen
        • Corticofugale systemen
        • Thalamocorticale systemen
        • Rubrospinale systemen
        • Vestibulospinale systemen
    • Acetylcholine (20%)
• Kleine systemen/diffuse modulatoire systemen
  • Functies
    • Exciteerbaarheid van de controlesystemen
    • Een hele kleine groep neuronen met een hele essentiële invloed op de status van het zenuwstelsel
      • Slechts 2% van de neuronen gebruikt deze neurotransmitters
  • Werken vooral d.m.v. chemische synapsen en metabotrope receptoren
    • Langzame, lang aanwezige en variabele effecten: 2nd messenger systemen
  • Meestal kleine groepjes neuronen die door het hele CZS projecteren
    • Gelokaliseerd in de reticulaire formatie en het diencephalon
  • Neurotransmitters
    • Serotonine (5HT)
      • Stemming en emotie
    • Norepinephrine/noradrenaline
      • Arousal
      • Richten van aandacht
      • Flight/fight respons
    • Dopamine
      • Op beloning gebaseerde stimulatie/geruststelling
        • Kan verslaving veroorzaken
    • (Acetyl)choline
      • Algemene hersen-exciteerbaarheid
    • Histamine
• Andere systemen
  • Neuropeptides
  • Purines
  • Cannabinoides

Trigeminus systeem

Verloop:

Het trigeminus systeem voorziet de vitale en gnostische sensibiliteit van het aangezicht. Het verloopt als volgt:

1. De 1e relay neuronen liggen in het trigeminus ganglion
2. Axonen komen binnen in het 2e relay neuron in de nucleus princeps of de spinale trigeminuskern
3. De axonen kruisen en gaan met de achterstreng-systemen of spinothalame systemen naar de thalamus

Functie:

Het trigeminus systeem speelt niet alleen een belangrijke rol in de somatosensibiliteit van de huid, maar ook van de binnenkant:

• Sinussen
• Slijmvliezen van de mondholten
• Oorpijn
• Voorhoofdsholte

Takken:

Het trigeminus systeem heeft 2 belangrijke takken:

• Portio major: sensorische gnostische en vitale informatie van het gezicht
  • Spinale trigeminus
    • Vitale sensibiliteit
  • Nucleus princeps
    • Gnostische sensibiliteit
• Portio minor: verzorgt het kauwen
  • Nucleus motorius
    • 2e motorneuron voor het aansturen van de kauwspieren
    • Wordt vanuit de schors bilateraal geïnnerveerd → kauwen is een symmetrisch proces
  • Nucleus mesencephalicus
    • Pseudo-unipolaire neuronen verantwoordelijk voor de reflexen rondom de kauwspieren
      • Deze pseudo-unipolaire neuronen liggen centraal → de exciteerbaarheid wordt centraal beïnvloedt → er kunnen axonen eindigen op het pseudo-unipolaire neuron Bij de kauwspieren is het wel nodig om de pseudo-unipolaire neuronen te beïnvloeden omdat ze myotatische reflexen van kauwspieren reguleren → liggen centraal
        • 1 axonale tak gaat naar de spier
        • 1 axonale tak gaat direct naar het motorneuron
    • Sensorische nucleus
    • Bevat het 1e relay neuron van de proprioceptoren van de kauwspieren

Kenmerken van de kernen zijn:

• Altijd aan 2 kanten aanwezig → symmetrisch
• De trigeminuskern wordt vanuit de cerebrale cortex bilateraal geïnnerveerd
• Bij kauwen wordt er maximale kracht gezet totdat de kiezen elkaar raken
  • Er moet precies op het juiste moment gestopt worden
• Neuronen zijn in het CZS terechtgekomen zodat ze beïnvloed kunnen worden → regelen het myotatische en omgekeerde myotatische reflex
  • Normaal liggen deze neuronen in een perifeer ganglion → niet beïnvloedbaar

Vestibulair systeem

Het vestibulaire systeem zit in het benige labyrint van het oor en bestaat uit 3 halfcirkelvormige kanalen met elk:

• Een ampulla
• Een utriculus
• Een sacculus

Deze kanalen vormen samen het evenwichtsorgaan.

Functie:

De functie van het vestibulaire systeem is het begeleiden van compensatoire oogbewegingen voor veranderingen in de positie van het hoofd, de nek en de romp. Balans is niet de primitieve functie. Bij evenwicht zijn 3 verschillende systemen betrokken, waarvan 2 moeten functioneren om in evenwicht te blijven:

• Vestibulaire systeem
• Proprioceptieve systeem
• Visuele systeem

Vestibulospinale banen kunnen in 2 richtingen lopen:

• Naar motorneuron pools van de nekspieren
  • Bewegen het hoofd om de beweging van de romp te compenseren
• Naar mediale motorkolommen
  • Posturale reflexen om bewegingen te counteren

Ook is er een vestibulocerebellaire projectie om het cerebellum op de hoogte te houden. De mediale longitudinale fasciculus wordt door veel systemen gebruikt. Het stuurt een vestibulair signaal naar de nucleï oculomotori om de oogbewegingen met hoofdbewegingen te coördineren → zorgt ervoor dat iemand dezelfde kant op blijft kijken als het hoofd beweegt.

Stereocilia:

De utriculus en sacculus vormen samen macula (veldjes) van de cellen met stereocilia. Stereocilia leggen de statische positie van het hoofd relatief aan de zwaartekracht vast:

• Stereocilia in een gelatinelaag zijn gevoelig voor de zwaartekracht
  • Zwaartekracht trekt aan de gelatinelaag alle haartjes een bepaalde kant op → verandering in de membraanpotentiaal
    • Kalium stroomt naar binnen of buiten
• De oriëntatie varieert over de lengte van het veld → er is gevoeligheid in alle richtingen
  • Bij elke beweging is er een haartje dat optimaal reageert op de zwaartekracht
  • Er is een X, Y en Z vlak: de utriculli zijn horizontaal gericht, het vlak van de sacculi staat hier met een hoek van 90°op

De utriculli en sacculi geven informatie over het hoofd t.o.v. de zwaartekracht, de proprioceptie vanuit de nek en de rest van het lichaam geven informatie over de stand van het hoofd t.o.v. de rest van het lichaam.

Halfcirckelvormige kanalen:

Halfcirkelvormige kanalen zijn afgerande cellen met stereocilia in de ampulla. De kanalen zijn "ingebakken" in het benig labyrint en gevuld met vloeistof dat meebeweegt, waardoor de stand van de cilia verandert. De kanalen staan in een hoek onder elkaar zodat ze allemaal wat anders kunnen waarnemen. Ze hebben bepaalde eigenschappen:

• Liggen in een "klep" (capula) van gelatineuze massa in de ampulla
  • Flow van endolymfe trekt tegen de klep
• Oriënteert in 3 richtingen, maar het linker- en rechterkanaal krijgen tegenovergestelde stimuli
  • Gevoelig in alle richtingen
• Leggen dynamische veranderingen van het hoofd vast → versnelling
  • Op constante snelheid wordt niks waargenomen (de vloeistof beweegt niet), bij versnelling wel

Halfcirkelvormige kanalen zijn dus fasisch.

Alcohol:

Alcohol lost op in het endolymfe. Het zorgt ervoor dat het endolymfe zwaarder wordt dan de cupula → de cupula gaat drijven in het endolymfe → er ontstaat een continu signaal:

• Als een dronken persoon met zijn ogen open staat, zijn de 3 balanssystemen actief, maar wel gestoord → er is een anterior-posterior disbalans
• Als een dronken persoon gaat liggen, gaat het visuele en proprioceptieve systeem uit → hierdoor denkt de linkerhersenhelft dat het hoofd naar rechts draait, en denkt de rechterhersenhelft dat het naar links draait → duizeligheid
  • De kanalen geven dus tegengestelde informatie

Vestibulo-oculair reflex:

Dankzij het vestibulo-oculaire reflex blijft iemand dezelfde kant op kijken als het hoofd draait. Dit is de belangrijkste functie van het vestibulaire apparaat. Het reflex verloopt als volgt:

1. Het hoofd draait naar links
2. De linkerhersenhelft wordt geactiveerd
3. Er gebeuren een aantal dingen
   • De rechter rectus lateralis contraheert
   • De rechter rectus medialis relaxeert
   • De linker rectus medialis contraheert
   • De linker rectus lateralis relaxeert
4. Beide ogen gaan naar rechts

Het vestibulo-oculaire reflex en de rectus lateralis spieren van het oog zijn aangepast op een horizontale wereld, maar er bestaan gelijksoortige systemen voor een verticaal vlak: het oculaire tilt reflex → oogspieren hebben dubbele functies:

• Elevatie/depressie
• Intorsie/extorsie

Het pontiene blikcentrum/horizontale blikcentrum in de hersenstam zorgt voor het tegelijkertijd aansturen van twee ogen in het horizontale vlak. Dit wordt ook wel de paramediane pontiene reticulaire formatie genoemd en ligt in het intermediaire grijs.

Nystagmus:

Een normale consequentie van het vestibulo-oculaire reflex is nystagmus. Hierbij gaan de ogen, als ze hun maximum aan beweging hebben bereikt, abrupt terug naar de centrale postitie. Als het voorwerp waarnaar gekeken wordt een constante snelheid heeft, stopt de vestibulo-oculaire reflex en de nystagmus.

Meestal bestaat een nystagmus uit een snelle en langzame component en wordt hij vernoemd naar de richting van de snelle component. Een nystagmus ontstaat door disbalans tussen de linker- en rechterkanalen. Er zijn verschillende soorten nystagmus:

• Vetsibulo-oculaire nystagmus
  • Trage component: compensatie
  • Snelle component: terug naar de middenstand
    • Deze richting geeft de nystagmus de naam (naar links/naar rechts)
• Calorische nystagmus
  • Een injectie van warm/koud water in de meatus acoustica externa aan één oor zorgt voor een convectiestroom van het endolymfe van het tegenovergestelde horizontale kanaal
• Optokinetische nystagmus
  • Niet vestibulair
  • De ogen volgen het landschap (langzaam) en schieten daarna terug naar de centrale positie (snel)
  • De nystagmus gaat in de richting van de rijdende trein
• Pathologische nystagmus
  • Het evenwicht tussen de signalen van het rechter en linker labyrint is gestoord
  • Congenitaal: gerelateerd aan blindheid, slecht zich of asymmetrie in het visuele systeem
  • Later gekregen
    • Perifeer: verstoring in het labyrint, de nervus vestibularis of de nucleï vestibulari
    • Centraal: verstoring in de hersenstam of het cerebellum

Overige reflexen:

Naast het vestibulo-oculaire reflex zijn er ook andere vestibulaire reflexen:

• Vestibulo-spinale reflex: stabiliseert het lichaam door posturale bewegingen in reactie op vestibulaire signalen
  • Werkt samen met het cervico-spinale reflex
• Cervico-spinale reflex: stabiliseert het hoofd door nekbewegingen in reactie op proprioceptieve signalen van extremiteiten
• Righting reflex: een mix van bovenstaande reflexen waardoor het mogelijk is om rechtop te staan
  • Gebaseerd op:
    • Vestibulaire informatie
    • Visuele informatie
    • Propriospinale informatie
  • Heeft invloed op alle spieren in het lichaam
  • Geregeld door de centrale patroon generator