De uiteindelijke bestemming van de afferente paden naar de cerebellaire cortex is een onderscheidend celtype dat de Purkinje-cel wordt genoemd (figuur 19.8). De input van de cerebrale cortex naar de Purkinjecellen is echter vrij indirect. Neuronen in de pontinekernen ontvangen een projectie van de hersenschors en geven de informatie vervolgens door aan de contralaterale hersenschors. De axonen van de pontinekern en andere bronnen worden mosvezels genoemd vanwege het uiterlijk van hun synaptische terminals. Mosvezels synapteren op granule cellen in de granule cel laag van de cerebellaire cortex (zie figuren 19.8 en 19.9). De cerebellaire granule cellen worden algemeen beschouwd als de meest overvloedige klasse van neuronen in de menselijke hersenen. Zij geven aanleiding tot gespecialiseerde axonen, parallelle vezels genoemd, die opstijgen naar de moleculaire laag van de cerebellaire cortex. De parallelle vezels splitsen zich in de moleculaire laag om T-vormige takken te vormen die informatie doorgeven via excitatoire synapsen op de dendritische stekels van de Purkinje cellen.
Figuur 19.8
Neuronen en circuits van het cerebellum. (A) Neuronale typen in de cerebellaire cortex. Merk op dat de verschillende neuron klassen worden gevonden in verschillende lagen. (B) Diagram met convergente ingangen op de Purkinje cel van parallelle vezels en lokale schakeling (meer…)
Figuur 19.9
Excitatoire en inhibitoire verbindingen in de cerebellaire cortex en diepe cerebellaire kernen. De excitatoire input van mosvezels en klimvezels naar Purkinjecellen en diepe kernen is in principe hetzelfde. Extra convergente input op de (meer…)
De Purkinje cellen vormen het meest opvallende histologische kenmerk van het cerebellum. Uitgewerkte dendrieten strekken zich uit tot in de moleculaire laag vanuit een enkele onderliggende laag van deze reusachtige zenuwcellichamen (de Purkinje-laag genoemd). Eenmaal in de moleculaire laag vertakken de Purkinje celdendrieten zich uitgebreid in een vlak dat haaks staat op het traject van de parallelle vezels (Figuur 19.8A). Op deze manier is elke Purkinjecel in staat om input te ontvangen van een groot aantal parallelle vezels, en elke parallelle vezel kan contact maken met een zeer groot aantal Purkinjecellen (in de orde van tienduizenden). De Purkinjecellen ontvangen een directe modulerende input op hun dendritische schachten van de klimvezels, die alle ontstaan in het inferieure olijf (Figuur 19.8B). Elke Purkinje cel ontvangt talrijke synaptische contacten van een enkele klimmende vezel. In de meeste modellen van de werking van het cerebellum regelen de klimvezels de beweging door de effectiviteit van de mossy-parallel vezelverbinding met de Purkinje cellen te moduleren.
De Purkinje cellen projecteren op hun beurt naar de diepe kernen van het cerebellum. Zij zijn de enige uitgangscellen van de cerebellaire cortex. Aangezien de Purkinjecellen GABA-ergisch zijn, is de output van de cerebellaire cortex volledig remmend. De diepe cerebellaire kernen ontvangen echter excitatoire input van de collateralen van de mossy en klimmende vezels. De Purkinje cel inhibitie van de diepe kernen dient om het niveau van deze excitatie te moduleren (Figuur 19.9).
Inputs van lokale circuit neuronen moduleren de remmende activiteit van Purkinje cellen en komen voor op zowel de dendritische schachten als het cellichaam. De krachtigste van deze lokale inputs zijn remmende complexen van synapsen gemaakt rond de Purkinje cellichamen door korfcellen (zie figuur 19.8A,B). Een ander type lokaal circuit-neuron, de stellaatcel, ontvangt input van de parallelle vezels en levert een remmende input aan de Purkinjeceldendrieten. Tenslotte bevat de moleculaire laag de apicale dendrieten van een celtype dat Golgi-cellen wordt genoemd; deze neuronen hebben hun cellichamen in de korrelige cellaag. De Golgi cellen ontvangen input van de parallelle vezels en geven een remmende feedback aan de cellen van oorsprong van de parallelle vezels (de granule cellen).
Dit basis circuit wordt steeds herhaald in elke onderverdeling van het cerebellum bij alle zoogdieren en is de fundamentele functionele module van het cerebellum. Modulatie van de signaalstroom door deze modules vormt de basis voor zowel real-time regulatie van de beweging als de lange-termijn veranderingen in de regulatie die ten grondslag liggen aan motorisch leren. De stroom van signalen door dit weliswaar complexe intrinsieke circuit kan het best worden beschreven aan de hand van de Purkinjecellen (zie figuur 19.9). De Purkinjecellen ontvangen twee soorten excitatoire input van buiten het cerebellum, de ene direct van de klimvezels en de andere indirect via de parallelle vezels van de granule cellen. De Golgi-, stellaat- en korfcellen controleren de stroom van informatie door de cerebellaire cortex. Bijvoorbeeld, de Golgi cellen vormen een remmende feedback die de duur van de korrelcelinput naar de Purkinje cellen kan beperken, terwijl de korfcellen laterale remming bieden die de ruimtelijke distributie van Purkinje celactiviteit kan richten. De Purkinjecellen moduleren de activiteit van de diepe cerebellaire kernen, die worden aangedreven door de directe excitatoire input die zij ontvangen van de collateralen van de mossie- en klimmende vezels.
De modulatie van de cerebellaire output vindt ook plaats op het niveau van de Purkinjecellen (zie figuur 19.9). Deze laatste modulatie kan verantwoordelijk zijn voor het motorische leeraspect van de cerebellaire functie. Volgens een model voorgesteld door Masao Ito en zijn collega’s aan de Universiteit van Tokio, geven de klimvezels de boodschap van een motorische fout door aan de Purkinjecellen. Deze boodschap veroorzaakt op lange termijn verminderingen in de Purkinje cel reacties op mossy-parallel vezel inputs. Dit remmende effect op de Purkinje cel responsen desinhibeert de diepe cerebellaire kernen (voor een uiteenzetting van het waarschijnlijke cellulaire mechanisme voor deze lange-termijn vermindering van de effectiviteit van de parallelle vezel synaps op Purkinje cellen, zie hoofdstuk 25). Als gevolg daarvan wordt de output van het cerebellum naar de verschillende bronnen van de bovenste motorische neuronen versterkt, ongeveer zoals dit proces plaatsvindt in de basale ganglia (zie hoofdstuk 18).