Notesale: Turn your study into money

Document Preview

Extracts from the notes are below, to see the PDF you'll receive please use the links above

---

FINAL  EXAM  NOTES  NEUROPHYSIOLOGY  
 
Week  6  Motor  Pathways  and  Muscle  Physiology  
 
*  Motor  units  and  Pathways  
 
The  motor  pathway  is  the  efferent  branch  of  the  peripheral  nervous  system
...
 Skeletal  muscle  
activity  can  be  either  involuntary  (involves  mainly  proximal  and  truncal  muscle  groups,  
critical  for  postural  stability,  involves  regulatory  centres  found  in  the  brainstem)  or  voluntary  
(distal  muscle  groups,  critical  for  movement  and  fine  motor  tasks,  regulatory  centres  found  in  
motor  cortex  of  frontal  lobe
...
   
 
The  somatic  efferent  NS  consists  of  motor  neurons  that  regulate  muscle  activity
...
 They  carry  information  to  the  
LMN  via  pyramidal  cells
...
 
LMN  are  the  final  common  pathway  by  which  CNS  exerts  control  over  skeletal  muscle  activity
...
   
 

 
 
Motor  pathways  from  the  cortex  are  pyramidal  and  pathways  from  BS  are  extra-­‐pyramidal
...
 The  
functional  areas  of  the  motor  cortex  that  control  voluntary  movement  are  
 
  Primary  motor  cortex  

  
 

  Premotor  cortex  (planning,  deliberation)  
  Supplementary  motor  area  (programming)  
 
 
  Prefrontal  cortex      
  Primary  somatosensory  cortex  
  Association  area  of  parietal  lobe
...
 Premotor  cortex  receives  input  from  parietal  lobe    2
...
 PMC  directs  inputs  to  MN
...
   

                               

 

 

Betz  cells  the  largest  neurons  in  the  entire  body  only  found  in  layer  V  of  the  primary  motor  
cortex
...
 The  corticospinal  tract  transmits  impulses  from  
brain  to  spinal  cord  and  consists  of  lateral  and  anterior  tract
...
 Controls  axial  
and  limb  motor  movements
...
 It  targets  the  LMN  in  the  
spinal  cord  It  is  part  of  the  lateral  indirect  extra0pyramidal  tract  responsible  for  large  muscle  
movement  and  fine  motor  control
...
   
 
The  corticobulbar  tract  is  a  two  neuron  white  matter  motor  pathway  connecting  the  cortex  
to  the  BS
...
 
Muscles  of  the  face,  head,  and  neck  are  controlled  with  bilateral  innovation    bilateral  
inputs  to  both  sides  of  spinal  tract  for  facial  muscles
...
 a  alpha  MN  –  control  extrafusal  muscle  fibre  contractions  which  provide  movement  

  
2
...
   
A  motor  unit  is  one  LMN  as  well  as  all  muscle  fibres  that  it  innervates
...
 Each  muscle  fibre  is  innervated  by  only  one  motor  neuron,  
but  1  motor  neuron  can  innervate  many  muscle  fibres
...
 Size  refers  to  how  many  muscle  fibres  the  MN  
innervates
...
 Small  motor  units  develop  small  increases  in  force  slowly  but  are  more  
precise  and  fatigue  resistant
...
 Firing  properties  of  motor  units  
can  be  tonic  or  phasic;  some  LMN  receive  continuous  inputs  from  UMN  that  keeps  them  
active  continuously,  important  for  maintaining  muscle  tone  and  posture  (tonic),  whilst  other  
LMN  fire  in  bursts  and  are  necessary  for  movement
...
 Extra-­‐pyramidal  motor  tract  descending  from  reticular  formation  to  
trunk  and  proximal  limb  muscles  is  relevant  for  postural  control  and  muscle  tone
...
Axon  potential  of  MN  travels  to  axon  terminal  
2
...
Ca2+  entry  causes  synaptic  vesicles  to  release  acetylcholine  via  exocytosis  
4
...
 
5
...
Na+  ions  enter  the  muscle  fibre  and  K+  ions  exit  muscle  fibre  and  membrane  potential  
depolarises  
7
...
   
 

                                           
 
 
Chemical  agents  and  disease  affect  neuromuscular  junctions:  
 
-­‐  black  widow  spider  venom  causes  excess  release  of  Ach  (rigidity)  
 
-­‐  botulinum  toxin  blocks  Ach  release  (paralysis)  
 
-­‐  curare  blocks  Ach  receptor  function  (paralysis)  

  
-­‐  organophosphates  inhibit  AChE  (rigidity)  
myasthenia  gravis  is  an  autoimmune  disease  that  destroys  Ach  receptors  (paralysis)  
 
*  Muscle  tone  and  function  
 
Muscle  tone  is  the  continuous  and  passive  partial  contraction  of  the  muscle  or  the  muscle’s  
resistance  to  passive  stretch  during  rest
...
 There  are  
three  neural  factors  affecting  muscle  tone:  
1
...
Brainstem  postural  centres  modulation  of  spinal  cord  circuitry  
3
...
   
Upper  limb  muscle  tone  can  be  clinically  checked  by  having  the  patient  stand  up  with  their  
arms  hanging  loosely  at  their  side  and  moving  shoulders  around    patient’s  arms  should  
dangly  freely,  however,  if  increased  tone  both  arms  present  as  being  held  stiffly  when  
standing  and  walking
...
 Increased  tone  results  in  abrupt  restriction  on  the  excursion  of  the  feet
...
 If  you  cut  the  LMN  the  muscle  has  no  
input  and  will  experience  flaccid  paralysis  (continuously  relaxed),  decreased  muscle  tone  
(hypotonia),  and  decreased  reflex  (hyporeflexia)  but  no  innervation  of  the  muscle  (atrophy)
...
   
 
There  are  three  types  of  muscle  categorised  according  to  structure  and  control:  
1
...
Cardiac  Muscle  –  striated,  involuntary  
3
...
 
Connective  tissue  covering  muscle  divides  muscle  internally  into  columns
...
 Tendons  attach  muscle  to  
bone
...
 This  
is  the  series-­elastic  component
...
 The  load  is  the  opposing  force  exerted  on  the  muscle  by  the  weight  of  an  object
...
 The  muscle  fibre  extends  along  the  length  of  muscle  from  tendon  to  tendon
...
 Anchored  by  tendons,  each  muscle  consists  of  
long,  cylindrical,  multinucleate  cells  called  fibres,  arranged  in  parallel
...
 Myoblasts  (individual  cells)  form  together  to  
make  myotubes
...
 Muscle  fibres  also  contain  
sarcoplasmic  reticulum  (smooth  ER),  many  mitochondria  (high  energy),  sarcoplasm  
(cytoplasm),  sarcolemma  (plasma  membrane),  and  transverse  tubules  (T-­‐tubules)
...
 Each  myofibril  is  made  of  regular  arrangements  of  thick  and  thin  
filaments  (thick  =  myosin,  thin  =  actin)  that  form  the  sarcomeres,  the  functional  unit  of  the  
muscle
...
 It  is  a  protein  consisting  of  two  identical  subunits  
where  tail  ends  are  intertwined  and  toward  the  M  line,  globular  heads  project  out  at  one  end  
and  toward  the  I  band,  and  heads  form  cross-­‐bridges  between  thick  and  tin  filaments
...
 
Cross  bridges  project  from  each  thick  filament  in  6  directions  toward  the  surrounding  thin  
filaments
...
 Actin  interacts  with  the  
myosin  cross  bridges
...
   
Tropomyosin  lies  alongside  the  groove  of  actin  spiral  and  covers  actin  sites  blocking  cross  
bridge  binding
...
   
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Titan  is  an  elastic  protein  that  supports  protein  in  muscle  and  anchors  thin  filaments  
between  M  line  and  Z  line
...
 T  tubules  run  
perpendicular  from  surface  of  muscle  cell  membrane  to  central  portions  of  the  muscle  fibre
...
 The  sarcoplasmic  reticulum    is  a  modified  ER  that  
stores  and  releases  calcium  to  promote  muscle  contraction
...
     
 
ATP  binds  to  myosin  heads  and  detaches  it  from  actin
...
   
 
Sliding  filament  theory  holds  that  thin  filaments  on  each  side  of  the  sarcomere  slide  inward  
over  stationary  thick  filaments
...
 As  the  sarcomere  shortens,  the  entire  fibre  shortens
...
 Cross  bridge  formation  leads  to  a  power  stroke
...
 and  reflex  responses
...
 A  
twitch  is  an  all-­‐or-­‐nothing  response  for  a  given  muscle  fibre  at  rest
...
Latent  period  –  time  from  AP  in  muscle  cell  to  onset  of  contraction;  typically  a  few  
msec,  involves  excitation-­‐contraction  coupling
...
   
2
...
   
3
...
 Acetylcholinesterase  breaks  down  Ach  at  
neuromuscular  junction  so  that  muscle  fibre  AP  stops
...
     
 
There  are  3  primary  types  of  contraction:  
1
...
 
Force  of  contraction  exceeds  total  load
...
   
2
...
 Rare  type  of  
movement,  eg
...
   
3
...
 Holding  an  object  without  
moving  it
...
 When  load  >  tension  
the  muscle  does  not  shorten  so  load  cannot  be  lifted
...
 Whilst  
some  purely  isometric  contractions  can  occur,  purely  isotonic  contractions  are  rare
...
 Isometric  continues  
(tension  increases)  until  tension  exceeds  load,  then  isotonic  contraction  begins
...
   

Graded  contraction  is  varying  strength  contractions  of  a  whole  muscle
...
   
 
*  Factors  Affecting  Tension  of  Individual  Muscle  Fibre  
 
1
...
 As  the  stimulation  frequency  
increases,  muscles  move  from  twitch  to  treppe,  to  summation,  and  finally  to  tetanus
...
 Twitch  summation  is  the  increase  
in  tension  accompanying  repetitive  stimulation  of  a  muscle  fibre,  resulting  from  sustained  
elevation  of  cytosolic  Ca2+  upon  repetitive  stimulation
...
 If  stimulation  lasts  long  enough,  the  
muscle  will  reach  peak  force  and  plateau,  this  is  known  as  a  tetanic  contraction
...
 Contraction  is  usually  3-­‐4x  
stronger  than  a  single  twitch
...
 The  amount  of  tension  developed  depends  on  amount  of  
Ca2+  bound  to  troponin
...
 release  exceeds  re-­‐uptake,  and  eventually  saturates  
system  (tetanus)
...
 Fibre  Diameter:  force-­‐generating  capacity  =  inherent  ability  of  muscle  to  generate  force
...
 More  cross  brides/sarcomeres  =  more  force,  and  
more  sarcomeres  in  parallel  =  more  force
...
   
 
3
...
 There  is  an  optimal  muscle  length  at  which  maximal  tension  can  be  
developed
...
 The  
attachment  of  muscles  to  bones  limits  muscle  shortening  and  lengthening
...
   
 
4
...
 Central  fatigue  occurs  when  the  CNS  no  

 

longer  adequately  activates  MN,  and  excess  post-­exercise  oxygen  consumption  (EPOC)  is  
the  need  for  elevated  oxygen  uptake  during  recovery  from  exercise  leading  to  fatigue  at  rest
...
 For  muscles  that  produce  
precise,  delicate  movements  (hand  and  eye  muscles)  a  single  MU  may  contain  as  few  as  a  
dozen  fibres
...
 There  is  an  orderly  recruitment  of  MN  by  the  CNS
...
 For  small  loads,  slow  twitch,  low  force,  fatigue  resistant  muscle  fibres  are  activated  prior  
to  the  recruitment  of  fast  twitch,  high  force  fatigue  prone  muscle  fibres
...
 Adding  more  active  MU  produces  a  stronger  
contraction
...
   
 
All  four  steps  in  the  excitation,  contraction,  and  relaxation  processes  require  ATP;  the  binding  
of  ATP  to  myosin  breaks  cross  bridges,  ATP  provides  energy  for  next  power  stroke,  active  
transport  of  Ca2+  back  into  SR,  and  the  activity  of  the  Na/K  pump  during  AP  production
...
 Muscle  fibres  must  have  alternate  pathways  for  
forming  new  ATP
...
Transfer  of  high-­‐energy  phosphates  from  creatine  phosphate  to  ADP:  the  enrgy  
released  from  hydrolysis  of  creatine  phosphate  can  be  donated  directly  to  ADP  to  
form  ATP
...
 
2
...
   
3
...
   
 
There  are  three  types  of  skeletal  muscle  fibres,  based  on  differences  in  ATP  hydrolysis  and  
synthesis:  
1
...
Type  2a  –  activate  quickly,  specialised  for  rapid  repetitive  movements  ie
...
 
3
...
   

                                                              
 
 
*  Smooth  and  Cardiac  muscle  
 
Smooth  muscle  is  found  in  walls  of  hollow  organs  and  tubes
...
 It  does  not  contain  sarcomeres  and  so  is  not  striated,  rather  
cells  are  arranged  in  sheets
...
 Phasic  SM  contracts  in  bursts,  triggered  by  AP  that  lead  to  increased  
cytosolic  Ca2+;  rapid  contraction  and  relaxation
...
 Multiunit  SM  is  
neurogenic,  so  contraction  is  initiated  in  response  to  stimulation  by  nervous  system
...
 Found  in  walls  of  blood  vessels  and  small  
airways  of  lungs
...
 Fibres  become  excited  and  contract  as  a  single  unit
...
   
 
Cardiac  muscle  is  found  only  in  the  heart
...
 It  is  self-­‐excitable  with  cells  that  can  generate  APs,  which  spread  
throughout  the  heart  through  gap  junctions
...
   
 
*  Reflexes  
 
A  reflex  is  an  automatic  patterned  response  to  a  stimulus;  an  involuntary  and  nearly  
instantaneous  movement  in  response  to  a  stimulus
...
   
There  are  two  types  of  muscle  receptors;  muscle  spindles  which  monitor  muscle  length,  and  
golgi  tendon  organs  which  detect  changes  in  tension
...
   

                                                                              
         
Muscle  Spindle  are  sensory  receptors  within  a  muscle
...
 They  contain  both  
afferent  and  efferent  nerve  fibres  and  play  key  roles  in  stretch  reflex
...
 It  provides  
automatic  regulation  of  muscle  length
...
 For  example,  if  leaning  to  one  side,  postural  muscles  will  stretch,  and  so  stretch  
receptors  in  those  muscles  contract  to  correct  posture
...
 
Tension  information  is  used  subconsciously  for  smoothly  executing  motor  activity
...
 Is  the  inverse  of  stretch  reflex  in  that  
muscles  stretch  and  relax  rather  than  contracting
...
 
Crossed  extension  reflex  is  the  contralateral  stimulation  of  motor  neurons  to  stabilise  the  
body
...
 How  you  will  execute  that  movement  needs  programming,  done  in  SMA  and  premotor  
area
...
   
 
Prefrontal  cortex  forms  a  response    premotor  area    get  information  from  parietal  
association  area  for  programming    SMA  decides  on  action/movement  and  rehearses  it      
primary  motor  cortex  (Betz  cells)    project  to  LMN    
     
*  Cerebellum  
 
Accounts  for  10%  of  weight  of  brain  and  contains  more  than  50%  of  all  neurons  in  the  brain
...
 Plays  a  major  role  
in  timing  of  motor  activities  and  in  rapid,  smooth  progression  from  one  muscle  movement  to  
the  next
...
 The  cerebellum  also  plays  a  role  in  motor  learning
...
 It  has  3  
lobes:  the  anterior  lobe  (spinocerebellum)  responsible  for  regulation  of  muscle  tone  and  
skilled  voluntary  movements,  posterior  lobe  (cerebrocerebellum)  responsible  for  planning  
and  initiation  of  voluntary  activity,  storage  of  procedural  memories,  and  flocculonodula  lobe  
(vestibulocerebellum)  responsible  for  maintenance  of  balance  and  control  of  eye  movements
...
 The  cytoarchitecture  of  the  cerebellar  cortex  is  divided  
into  3  layers;  the  molecular  layer,  the  Purkinje  cell  layer,  and  the  granular  layer

---