مواضيع المحاضرة:
background image

Physiology 

Dr. Basim Mohamad Alwan                                                          Lecture (1) 

INTRODUCTION 

The  nervous  system  is  unique  in  the  vast  complexity  of  thought 

processes and control actions it  can  perform.  It  receives each minute 

literally  millions  of  bits  of  information  from  the  different  sensory 

nerves  and sensory organs and then integrates  all these to determine 

responses to be made by the body. The nervous system contains more 

than  100  billion  neurons  and  consists  of  the  central  nervous  system 

(CNS) and the peripheral nerves (fig. 1-1). 

 

Figure 1-1: General view of the brain, spinal cord and spinal nerves 


background image

The central nervous system (the neural axis or neuraxis) consists of the 

brain and the spinal cord. 

Anatomically, the brain comprises the cerebrum which consists of two 

cerebral  hemispheres,  the  cerebellum,  and  the  brain  stem.  The 

brainstem consists of the midbrain, the pons and the medulla oblongata. 

The  CNS  contains  the  nerve  centers  which  receive  and  process  the 

nervous  signals,  then  formulate  the  response  to  these  signals.  The 

peripheral nerves are divided into cranial and spinal nerves. The cranial 

nerves  are  twelve  pairs  of  nerves,  which  arise  from  the  brain  and 

emerge out through foramina in the bones of the cranium (skull). The 

spinal nerves are 31 pairs of nerves that arise from the spinal cord and 

emerge out through foramina in the  vertebral column.  Anatomically, 

the spinal nerves are sorted out into 5 groups according to their site of  

origin from the spinal cord which are 8 cervical pair, 12 dorsal pairs, 5 

lumbar pairs, 5 sacral pairs and one cooccygeal pair. 

 

 

 

DIVISIONS OF THE NERVOUS SYSTEM 

The nervous system comprises three major systems; 

I. THE AUTONOMIC NERVOUS SYSTEM

:      Is the part of the nervous 

system which is concerned with the involuntary control of the visceral 

activity.  It  includes  sympathetic,  parasympathetic  and  enteric 

divisions. 

II.  THE  SOMATIC  NERVOUS  SYSTEM:

  Is  the  part  of  the  nervous 

system  which  is  concerned  with  conscious  perception  of  different 

sensations, and voluntary control of the muscular activity.   


background image

  This system is divided into two divisions; 

(i)  SENSORY  DIVISION:

  Which  is  concerned  with  conscious 

perception  of  somatic  sensations?  It  includes  the  sensory  (afferent) 

nerves,  the  sensory  (ascending)  tracts  inside  the  CNS,  the  sensory 

reticular formation, the thalamus and the sensory cerebral cortex.  

 

(ii) MOTOR DIVISION:

 Which is concerned with voluntary  control of 

muscular  activity?  It  includes  the  motor  cerebral  cortex,  the  basal 

ganglia,  the  cerebellum,  the  motor  reticular  formation,  the  motor 

(descending) tracts inside the CNS and the motor (efferent) nerves. 

 

(iii).  THE  INTEGRATIVE  NERVOUS  SYSTEM:  Is  the  part  of  the 

nervous system which is concerned with the sophisticated functions of 

the  brain.  These  functions  include  memory,  thinking,  learning, 

language, speech, emotions and general behavior. The main parts of the 

integrative  division  are  the  cortical  association  areas  and  the  limbic 

system. 

All  these  three  systems  and  divisions  are  interconnected  and  their 

functions are integrated together and with other systems in the body.  

 

The basic functional unit in the nervous system is the reflex action. 

  A reflex action is an involuntary action in response to a stimulus e.g. a. 

painful stimulus applied to the hand leads to reflex withdrawal of the 

arm (the withdrawal reflex). 

The  basic  structural  unit  of  the  nervous  system  which  is  capable  of 


background image

conducting  a  reflex  action  is  the  reflex  arc  (fig.  1-2).  A  reflex  arc; 

consists of 5 components: 

 

Figure 1-2: The five basic components of a reflex arc 

 

1.  Receptor: A sensor which is excited by the stimulus. 

2.  Afferent  nerve:  Which  conveys  input  signals  to  the  CNS?  The 

afferent nerve is also called the sensory nerve, 

3.  Center:  A  collection  of  neurons  that  receive  the  sensory 

information and issue the order for proper response. 

4.  Efferent nerve: A nerve that conveys output signals from the CNS 

to the  effector organ.  The efferent nerve is either a motor  nerve to a 

muscle or a secretary nerve to a gland. 

5.  Effector organ:  A muscular or glandular structure which receives 

the final order and executes the reflex response. 

 


background image

NEURAL SYNAPSES 

A synapse is the junctional area between a nerve terminal and another 

cell. If the second cell is a neuron the synapse is then called a "neural 

or neuronal synapse". 

The  axon of  a neuron  conducts impulses  away from the cell body to 

relay onto another  cell at the  synapses (fig. 1.3).  The  axon  branches 

extensively near its end, giving off 1000 branches on the average. Each 

branch ends in a nerve terminal. This terminal is a disc-like expansion 

called the synaptic knob (the terminal button or the end foot). There 

is a gap between the nerve terminal and the adjacent neuron 3 0 - 50  nm 

wide  called  the  synaptic  cleft.  So,  at  the  neural  synapse  there  is 

contiguity but no continuity of the two adjacent neurons. 

The  neuron  which  conducts  impulses  to  the  synapse  is  called  the 

"presynaptic  neuron'' or "input  neuron" and that  which  conducts 

impulses away from the synapse is called the "postsynaptic neuron"   

or  "output  neuron".  The synaptic knobs of  the presynaptic neuron 

contain vesicles called synaptic or transmitter vesicles which contain 

the chemical transmitter of the neuron. A polypeptide called synapsin 

is found in the walls of the vesicles which bind the transmitter vesicles 

to the cytoskeleton keeping them in the cytoplasm away from the release 

sites on the presynaptic membrane. 


background image

 

Figure 1-3: Neural synapse 

 

THE IMPORTANCE OF SYNAPSES IN THE NERVOUS SYSTEM 

Synapses act as "unidirectional valves" in the nervous pathways, i.e. 

they  allow  the  flow  of  impulses  from  the  pre  to  the  postsynaptic 

neurons  only.  This  ensures  the  flow  of  impulses  in  the  nervous 

pathways in the forward  "orthodromic"  direction only.  Any impulse 

that  travels  along  a  neuron  in  the  opposite  "antidromic"  direction 

cannot be transmitted to the next neuron because it dies off at the first 

set of synapses it meets. 

Also,  synapses  are  the  sites  in  the  nervous  pathways  at  which 

transmission of impulses can be most easily influenced. At the synapse, 

transmission of impulses can be accelerated, slowed down, or  blocked 

by physiological, pathological or pharmacological influences.  

CLASSIFICATION OF SYNAPSES 

Synapses could be classified according to either their location between 

the pre and  postsynaptic neurons  (histological  classification), or the 


background image

mechanism  of  transmission  of  impulses  across  them  (physiological 

classification), 

HISTOLOGICAL CLASSIFICATION 

According to this classification, synapses are classified into three types 

(fig.1-4): 

1. Axodendritic  synapses:  These  are  synapses  between  the  axon 

terminals  of  the  presynaptic  neuron  and  the  dendrites  of  the 

postsynaptic neuron. 

2. Axosomatic  synapses:    These  are  synapses  between  the  axon 

terminals of the  presynaptic  neuron  and the soma of the postsynaptic 

neuron 

 

Figure 1-4: histological classification of synapses

 

 

3.  Axoaxonic  synapses:  These  are  synapses  between  the  axon 

terminals  of  the  presynaptic  neuron  and  the  axon  of  the  postsynaptic 

neuron. 

PHYSIOLOGICAL CLASSIFICATION 

According  to  this  classification,  synapses  are  classified  into  three 

types: 

1.  CHEMICAL SYNAPSES:

 In these synapses, transmission of signals 

occurs by releasing a ''chemical transmitter" from the presynaptic 


background image

terminal  into  the  synaptic  cleft.  The  transmitter  then  acts  on  specific 

receptors  on  the  postsynaptic  membrane  to  generate  postsynaptic 

potential. There are more than 40 different synaptic transmitters in the 

CNS which are either small molecule rapidly acting (acetylcholine) or 

large molecule slowly acting (substance P). 

Chemical  synapses  are  the  only  type  of  synapses  found  in  the 

human nervous system. 

2.  ELECTRICAL  SYNAPSES:

  In  these  synapses,  there  are  gap 

junctions  between the  pre and postsynaptic membranes  which allow 

the transmission of the depolarization wave directly from the pre to the 

postsynaptic membrane.

 

3. 

CONJOINT  SYNAPSES  (ELECTROCHEMICAL):

  In  these  synapses, 

transmission  of  impulses  occurs  by  both  mechanisms  electrical  and 

chemical. They are found in some fish and invertebrates. 

 

THE MECHANISM OF RELEASE OF TRANSMITTER AT THE 

CHEMICAL SYNAPSES 

When the action potential reaches the nerve terminal, it opens the calcium 

gates allowing Ca

2+

 influx from the extracellular fluid into the cytoplasm. 

Ca

2+

  induces  the  phosphorylation  of  synapsin.  This  detaches  the 

synaptic vesicles from their binding to the cytoskeleton. The vesicles get 

attached and fused to specific release sites on the presynaptic membrane. 

The release  sites then rupture  and the  chemical transmitter  is released 

into the synaptic cleft. This process is passive process.   

THE MECHANISM OF ACTION OF THE CHEMICAL TRANSMITTER 

The  transmitter  moves  in  the  fluid  in  the  synaptic  cleft  by  simple 


background image

diffusion to the receptors on the postsynaptic membrane. It activates these 

receptors to generate postsynaptic potential (PSP). There are two types 

of PSPs; excitatory and inhibitory

1.  THE EXCITATORY POSTSYNAPTIC POTENTIALS (EPSPs) 

EPSPs are produced by depolarization of the postsynaptic membrane 

due to sodium influx. The action of the chemical  transmitter is to open 

the  gated  sodium  channels  leading  to  sodium  influx.  Some transmitters 

produce EPSPs by closing K

channels (membrane depolarization). 

2.  THE INHIBITORY POSTSYNAPTIC POTENTIALS (IPSPs

)   

IPSPs are produced by hyperpolarization of the postsynaptic membrane 

due to C1

-

 influx and / or K

+

 efflux. The action of the transmitter in this 

case is to open the gated chloride and / or potassium channels. The IPSPs 

decrease  the  excitability  of  the  postsynaptic  neuron  and  resist  the 

development of any action potential in it. 

The  excitatory  and inhibitory  postsynaptic  potentials  do not obey  the 

all or none rule. They can be summated either temporally or spatially.  

 

SUMMATION OF THE POSTSYNAPTIC POTENTIALS 

There  are  two  ways  of  summation  of  the  postsynaptic  potentials; 

temporal and spatial summation. 

1. TEMPORAL SUMMATION 

This is summation of the postsynaptic potentials produced by a train of 

impulses on one presynaptic terminal, reaching the same synapse one  

shortly  after  the  other  (fig.  1-5).  Each  time  an  impulse  reaches  the 

synapse it creates a PSP which is summated with other PSPs in its 

magnitude. 


background image

 

Figure 1-5: The mechanism of temporal summation. 

 

Temporal summation is possible because the opening of a ligand-gated 

channel lasts for about one ms (millisecond) whilst the PSP produced 

by this opening lasts for about 15 ms. In this way any other opening of 

the same  channel within 15 ms would  produce another PSP that will 

potentiate the previous one. 

2. SPATIAL SUMMATION 

This is summation of postsynaptic potentials produced by multiple impulses 

in  several  presynaptic  terminals  which  reach  several  synapses  at  the  same 

moment  (fig.  1-6).  A  large  number  of  postsynaptic  spots  are  stimulated 

simultaneously.  This  increases  the  stimulated  surface  area  of  the 

postsynaptic neuron. The simultaneously generated postsynaptic potentials 

potentiate each other.  In most cases in vivo, both types of summation 

occur  at  the  same  time  (temporospatial  summation)  where  multiple 

impulses arrive one shortly after another at several presynaptic terminals. 

 

 


background image

 

Figure 1-6: The mechanism of spatial summation 

 

THE RESULT OF SUMMATION OF PSPs 

An  average  neuron  in  the  CNS  receives  about  1000  terminals  from 

different presynaptic neurons. Some of these terminals are excitatory and 

some  are  inhibitory.  Excitatory  and  inhibitory  postsynaptic  potentials 

may occur at the same time. Summation of PSPs results in  one of two 

conditions in the postsynaptic neuron:  

1. INHIBITORY  STATE 

This occurs when the inhibitory input is greater than the excitatory  input 

so IPSPs are produced and the cell membrane becomes hyperpolarized 

and its excitability decreases. 

2. EXCITATORY STATE 

This occurs when the excitatory input is greater than the inhibitory input so 

more EPSPs are produced and the cell membrane becomes depolarized. 

When depolarization reaches a critical threshold level (the firing level)  

propagated action potential (nerve impulse) is produced. 


background image

The propagated action potential starts at the initial segment of the 

neuronal axon not at the soma of the neuron because:  

i.  The  density  of  the  voltage-gated  Na

+

  channels  at  the  initial 

segment  is seven times as  much as those at the  membrane of the 

soma.  This  allows  greater  and  faster  Na

+

  influx  which  creates  more 

rapid depolarization up to the firing level.     

ii.  The  depolarization  required  to  open  the  voltage  gated  Na

+

 

channels  at  "the initial segment is only +15  mV,  whilst the required 

depolarization at the soma is +30 mV.   

This explains why the axoaxonic synapses are the  most effective in 

exciting the postsynaptic neuron. This is because they are the nearest 

to  the  initial  segment.  The  least  effective  synapses  are  the 

axodendretic synapses. 

 

THE EXCITATORY AND INHIB ITORY NEURONS 

The  presynaptic  neuron  is  either  excitatory  or  inhibitory  to  the 

postsynaptic neurons. This is because neurons can release only one type 

of transmitter which is either excitatory or inhibitory to the postsynaptic 

neuron.  A  cotransmitter  may  be  released  with  the  primary 

transmitter.  It  is,  however,  always  a  potentiator  of  the  primary 

one. 

 

PRESYNAPTIC AND POSTSYNAPTIC INHIBITION 

Transmission  of  impulses  across  the  synapse  can  be  inhibited  or 

blocked in two ways (fig. 1-6): 


background image

1.  PRESYNAPTIC INHIBITION 

Presynaptic  inhibition  is  the  inhibition  of  synaptic  transmission   by 

inhibiting  the  release  of  the  transmitter  from  the  presynaptic  nerve 

terminal.  It can  be induced  by certain  drugs  (botulinum, toxin) or by 

certain inhibitory neurons (attenuators) which synapse on presynaptic 

terminals.  The  attenuator  neuron  inhibits  the  synapsin  phosphorylase 

enzyme  of  the  excitatory  neuron  so  the  transmitter  vesicles  remain 

attached to the cytoskeleton and no release of the transmitter. 

 

Figure 1-7:  Presynaptic and postsynaptic inhibition. 

 

2.  POSTSYNAPTIC INHIBITION 

Postsynaptic  inhibition  is  inhibition  of  synaptic  transmission  by 

induction of an inhibitory state in the postsynaptic neuron. It is induced 

either by drugs or by inhibitory neurons. 


background image

Physiology 

Dr. Basim Mohamad Alwan                                                    Lecture (2) 

 

PROPERTIES OF SYNAPTIC TRANSMISSION 

 

Transmission of signals across the synapses is characterized by: 

1.  FORWARD DIRECTION 

Transmission in synapses is unidirectional, i.e. from the presynaptic to 

the postsynaptic neuron, not the reverse. This is because the postsynaptic 

neuron  cannot  release  a  chemical  transmitter  at  the  synapse.  So,  the 

synapse acts as a  unidirectional  "valve" to keep the flow of signals 

between neurons always in the right direction. 

2.  SYNAPTIC DELAY   

When  an  impulse  reaches  a  nerve  terminal,  it  takes  a  delay  time  of 

0.5-1.0 ms to pass across the synapse to the postsynaptic neuron. This 

time is taken for the release of the chemical transmitter, its diffusion in 

the synaptic  extracellular fluid,  activation of receptors, induction  and 

summation of postsynaptic potentials. 

3.  SYNAPTIC AFTERDISCHARGE 

After discharge  is the persistence of output signals after stoppage of 

the  input  signals.  Synaptic  afterdischarge  occurs  at  some  synapses 

because of the delay of inactivation of the chemical transmitter. So, an 

impulse conducted  by a  presynaptic neuron  may  produce more than, 

one impulse in the  postsynaptic  neuron.  The  duration of the synaptic 

afterdischarge  is  longer  if  the  chemical  transmitter  released  by  the 


background image

presynaptic neuron is a long acting one (substance P). 

4.  FATIGUE 

Fatigue is the  decline  in response  caused by  prolonged  activity. For a 

synapse, fatigue is the decline in the response of the postsynaptic neuron 

after a long period of high frequency stimulation of the synapse (> 60 

Hz). It is manifested by prolongation of the synaptic delay, then failure to 

transmit some or all of the impulses across the synapse. 

The synapse is an early site of fatigue in the reflex arc and the fatigue of 

the neural synapses is caused by: 

i. Exhaustion of the chemical transmitter in the  presynaptic terminals 

which is the main cause. 

ii.  Inactivation  of  some  postsynaptic  receptors  due to  accumulation  of 

metabolites. 

iii.  Marked  increase  of  the  intracellular  Ca

2+

  in  the  postsynaptic 

neuron.  This  high  Ca

2+

  level  opens  K

+

  channels  so  K

+

  efflux  and 

hyperpolarization  of  the  postsynaptic  membrane  decreasing  the 

excitability of postsynaptic neuron. 

Fatigue is a protective mechanism against excess neuronal activity;  

e.g.  fatigue  is  the  most  important  means  by  which  the  excess 

excitability of an  epileptic circuit is cut off and stopped.  This leads to 

spontaneous ending of the epileptic fit (normal protective mechanism). 

 

5. SYNAPTIC POTENTIATION (FACILITATION) 

This  is  an  increase  in  the  postsynaptic  response  caused  by  previous 

presynaptic stimulation.   

It may be a short-term or a long-term potentiation. 


background image

A. SHORT TERM (POST TETANIC) POTENTIATION 

This  occurs  after  a  short  period  of  low  frequency  stimulation  of  the 

synapse (< 60 Hz). It is caused by  an increase in the intracellular  Ca

2+

 

level  in  the  presynaptic  neuron,  which  increases  the  release  of  the 

transmitter.  Short-term  potentiation  lasts  for  few  seconds  up  to  few 

minutes.

 

B. LONG TERM POTENTIATION (LTP) 

This occurs after a short period of high frequency stimulation (>60 Hz). 

LTP is caused by the release of arachidonic acid from the  postsynaptic 

neuron  which  acts  on  the  presynaptic  neuron  to  release  more  of  the 

transmitter (Glutamate). 

Long-term potentiation occurs in several parts of the CNS, particularly 

in  the  hippocampus  and  it  plays  an  important  role  in  memory  and 

learning. 

6.  SYNAPTIC DEPRESSION (HABITUATION) 

Habituation is the gradual decrease in the postsynaptic response when 

stimulation  of  the  presynaptic  neuron  is  frequently  repeated.  With 

complete  habituation,  the  postsynaptic  response  may  disappear 

altogether. 

Habituation is due to inactivation of Ca

2+

 channels in the presynaptic 

neuron  which  decrease  in  intracellular  Ca

2+

  so  release  of  smaller 

amount  of  transmitter  from  the  presynaptic  terminals.  The  cause  of 

this, inactivation is unknown. 

Habituation could be short-term or long-term depending on how many 

times the stimulus is applied. It is an important mechanism of learning, 

as it enables the subject to ignore insignificant stimuli. 


background image

Habituation of synapses is different from  adaptation  which occurs in 

excitable tissues.  Adaptation is the  decline in response to a constant 

maintained stimulus. 

7.  SENSITIZATION 

Sensitization  of  a  synapse  is  the  potentiation  of  the  postsynaptic 

response  to  a  certain  stimulus  by  coupling  the  stimulus  to  another 

intense (usually painful) stimulus (fig.2-1). 

The terminal which conducts the intense or painful stimulus is called       

a  facilitator  terminal.  It  relays  on  the  presynaptic  sensory  terminal. 

The  facilitator  terminal  stimulates  the  presynaptic  sensory  terminal 

lead  to prolonged  action  potential  in  the  sensory  terminal  and    more 

Ca

2+

 influx into the sensory terminal so release of more transmitter and 

potentiated postsynaptic response result. 

Sensitization is an important mechanism in memory and learning.   

 

 

Figure 2-2: The mechanism of synaptic sensitization. 

 

8. EFFECT OF pH 

Alkalosis enhances synaptic transmission. A rise of arterial blood pH 

from 7.4 to 7.8 leads to increased cerebral excitability and convulsions. 

Acidosis  depresses synaptic transmission.  Breathing of  air with  high 


background image

C0

2

 level will lead to hypercapnea  and acidosis  and then depression of 

synaptic transmission in the brain resulting in drowsiness  and sleep or 

even  anesthesia.  A  drop  of  arterial  pH  down  to  7.0  produces  coma 

because of failure of synaptic transmission between various neurons in 

the brain. 

 

9. EFFECT OF HYPOXIA 

Hypoxia depresses synaptic transmission and prolongs reflex time due 

to accumulation of acidic metabolites. 

 

10. EFFECT OF DRUGS 

Caffeine, theophylline and  theobromine which are found in coffee, 

tea enhance synaptic transmission. They increase neuronal excitability 

by lowering the threshold of excitation. 

Strychnine enhances synaptic transmission by blocking the action of 

central inhibitory transmitters (e.g. glycine). 

Hypnotics  and  anesthetics  depress  synaptic  transmission  by 

decreasing neuronal excitability. They stabilize the cell membrane by 

increasing the resting membrane potential (hyperpolarization).  

 

 

 

 

 

 


background image

PROCESSING OF SIGNALS IN THE CNS 

Nerve  signals  (impulses)  enter  the  CNS  to  be  directed  to  various 

neuronal  pools

 

(collection  of  neurons).  In  the  neuronal  pools,  input 

signals  are  processed,  and  output  signals  emerge  out  to  proceed  to 

specific destinations. 

 

THE DISCHARGE ZONE AND THE FACILITATED FRINGE 

(THE LIMINAL ZONE AND THE SUBLIMINAL FRINGE) 

When an impulse in an excitatory input neuron reaches the neuronal pool, it 

stimulates a group of neurons which form the "stimulatory field'' of this 

neuron (fig.2-3). 

 

Figure 2-3: The stimulatory field of an input neuron. 

 

  At  the  middle  of  the  field,  stimulation  reaches  a  liminal  level 

(threshold) and the neurons in this zone discharge impulse. The zone 

where neurons discharge impulse is called the  discharge  zone or the 


background image

liminal zone of the input neuron. 

Around the discharge zone, there is a circular zone (a fringe) in which 

the  neurons  are  only  facilitated  without  reaching  the 

liminal

  firing 

level. This zone is called "the facilitated fringe" or "the subliminal 

fringe" of the input neuron. 

  An  impulse  in  an  inhibitory  input  neuron  produces  an  "inhibitory 

field'' with maximum inhibition at its center. 

 

FORMS OF SIGNAL PROCESSING IN THE NEURONAL POOLS 

Signal processing in the neuronal pools takes one of the following  

forms: 

[I]  Convergence. 

[II]  Divergence. 

[III] Prolongation. 

[IV] Shortening. 

[V] Sharpening.       

 

  [I]      CONVERGENCE OF SIGNALS 

Convergence is the direction of signals from several input neurons to 

excite a single output neuron. There are two main types of convergence 

in the neuronal pools. 

1. CONVERGENCE FROM A SINGLE SOURCE   

This is important because no neuron can be excited by a single input 

terminal.  So,  convergence  must  occur  on  neurons  to  excite  those  

neurons  (fig.2-4).  The  spatial  summation  of    postsynaptic  potentials 


background image

from  the  multiple  input  terminals  builds  up  a  threshold  membrane 

potential to excite the neuron. 

 

 

Figure 2-4: convergence from single

 source   

 

2. CONVERGENCE FROM .MULTIPLE SOURCES 

This is important  because it  enables neurons of the  neuronal  pool to 

receive signals from different sources (fig. 2-5). 

The  effect  produced  will  be  the  resultant  of  all  the  inputs  whether 

excitatory or inhibitory;  e.g.  motor neurons of the ventral horn of the 

spinal  gray  matter  receive  inputs  from  the  pyramidal  and  extra 

pyramidal tracts and from the afferent fibers of the  stretch reflex  and 

several  intermediate  neurons.  All  these  input  neurons  influence  the 

contraction and relaxation of the skeletal muscles. 

 


background image

 

Figure 2-5: Convergence from multiple sources. 

 

[II] DIVERGENCE OF SIGNALS 

Divergence is the spread of a signal from one input neuron into more 

than one output neuron. There are two main types of divergence in the 

neuronal pools: 

1. DIVERGENCE IN THE SAME BATHWAY 

This leads to spread of the signal into an increasing number of neurons 

as it passes from one order of neurons into another (fig. 2-6). It may be 

called  an  "amplifying  divergence".  It  occurs,  for  example,  in  the 

pyramidal tract where a single pyramidal neuron in the motor cerebral 

cortex can excite up to 10,000 muscle fibers. 

 

Figure 2 - 6: Amplifying divergence. 


background image

 

2. DIVERGENCE INTO MULTIPLE PATHWAYS 

This leads to spread of the signal into two or more separate directions 

from the pool (fig .2-7). It may be called a "diversifying divergence".

 

It  occurs,  for  example,  in  the  paleospinothalamic  tract  where 

some  signals  proceed  directly  to  the  thalamus  and  others  enter  the 

spinoreticular tract. 

 

 

Figure 2-7: Diversifying divergence. 

 

 

[III] PROLONGATION OF SIGNALS (AFTERDISCHARGE) 

Afterdischarge is the persistence of output signals after stoppage of the 

input signals. This is possible through the following mechanisms:  

1.  SYNAPTIC AFTERDISCHARGE: 

2.  OPEN-OHAIN CIRCUITS 

These are circuits in which several interneuron's are arranged to form 

an open circuit (fig.  2-7).  When interneuron  (1) is excited, it  sends a 

signal  to  the  output  neuron  and  collateral  to  excite  interneuron  (2). 


background image

Interneuron (2) then sends a signal to the output neuron  and collateral 

to excite interneuron (3) and so on. The result will be a barrage

 

(train of 

impulses  follows  each  other)

  of  impulses  in  the  output  neuron.  The 

interneurons of the open-chain circuits are called "the interneuronal 

barrages. 

 

 

Figure 2 - 8:    An open chain circuit with interneuronal barrages   

 

3. CLOSED {REVERBERATING} CIRCUITS 

These  are circuits in  which the output  neuron is repeatedly  activated 

through a closed circuit of interneurons (fig.2-8). When interneuron (1) 

is excited, it sends an impulse to the output  neuron  and collateral to 

excite interneuron (2). Interneuron (2) then re-excites interneuron (1), 

and so on.   

 

 

Figure 2 - 8: A closed chain (reverberating) circuit of neurons. 


background image

Reverberating  circuits  can  be facilitated or  inhibited  by  other input  fibers. 

When facilitated the frequency and duration of discharge in output fibers 

increase. When inhibited, the frequency and duration decrease. 

The  cycle  of  reverberation  stops  by  either  fatigue  of  synapses  or 

inhibition  by  other  input  fibers.  The  frequency  and  duration  of 

discharge  from  a  reverberating  circuit  depends  on  the  number  of 

neurons  (i.e.  the  number  of  synapses)  in  the  circuit.  The  larger  the 

number the lower is the frequency and the longer is the duration. 

 

RHYTHMIC SIGNAL OUTPUT 

Certain  centers  in  the  CNS  produce  rhythmic  signals,  e.g.  the 

respiratory  center  in  the  brainstem.  This  rhythmic  signal  output  is 

caused  by  reverberating  circuits  involving  a  large  number  of 

interneurons. The large number of synapses slows down the frequency 

of output discharge and delays fatigue of synapses.  

 

[IV] SHORTENING OF SIGNALS 

Shortening of signals means suppression of afterdischarge in the output 

neurons. This is done by either feedback or feed forward inhibition. 

1. FEEDBACK INHIBITION 

This  occurs  when  an  excitatory  neuron  stimulates  an  inhibitory  neuron 

then  the  inhibitory  neuron  turns  back  to  inhibit  the  initial  excitatory 

neuron.  In  this  case,  stimulation  of  a  neuron  results  in  feedback 

inhibition  of  the  same  neuron  to  shorten  the  duration  of  discharge  and 

prevent  any  afterdischarge.  This  occurs,  for  example,  with  the  spinal 

motor  neurons  (the  ventral  horn  cells).  Each  spinal  motor  neuron 


background image

regularly gives off a collateral branch which synapses with an inhibitory 

interneuron      called "Renshaw cell". 

Renshaw  cell sends inhibitory  signals to the cell body of the original 

spinal motor neuron (feedback inhibition). The inhibition  of the original 

motor  neuron  suppresses  any  synaptic  afterdischarge  to  prevent 

undesired prolonged activity of the motor nerve. 

2.   FEEDFORWARD INHIBITION 

This occurs when an input neuron stimulates an output neuron plus  an 

inhibitory interneuron then the inhibitory interneuron inhibits the output 

neuron (fig. 2-9). In this case, stimulation of an input neuron  results in 

stimulation then rapid inhibition of the output neuron. This prevents any 

undesired prolonged discharge from the output neuron.   

Feed forward inhibition occurs in the cerebellum where a single input 

neuron stimulates an output neuron and a Purkinje cell.       

  The Purkinje  cell  then  inhibits  the  output  neuron,  cutting  short  any 

undesired afterdischarge. 

 

Figure 2 - 9: Feedforward inhibition. 

[V] SHARPENING OF SIGNALS 

Sharpening  of  signals  means  the  limitation  of  signals  to  the  target 

neurons only. This requires the inhibition of any undesired activity in 

the  nearby  neurons.  This  is  achieved  by  either  lateral  or  reciprocal 

inhibition mechanisms. 


background image

1. LATERAL INHIBITION 

Lateral inhibition occurs when a neuron sends collaterals to inhibit the 

nearby  neurons through intermediate inhibitory  neurons.  This  helps to 

focus  the  activity  to  the  original  neuron  and  eliminate  any  undesired 

discharge  from  the  nearby  neurons.  The  function  of  Renshaw"  cell 

shows an example of  both feedback inhibition (of the original  motor 

neuron) and lateral inhibition (of the nearby neurons). 

Lateral  inhibition  occurs  also  in  sensory  neurons.  Sensory  fibers 

conducting touch (scratching) laterally inhibit itch and pain conducting 

fibers at the dorsal horn of the spinal gray matter. In this way scratching 

relieves itch and pain sensations. 

 

2. RECIPROCAL INHIBITION 

In  reciprocal  inhibition  the  activation  of  one  output  neuron  is 

accompanied by simultaneous inhibition of another output neuron. This 

form of inhibition occurs, for  example, during the  flexor withdrawal 

reflex. In this reflex, contraction of the flexor muscles is accompanied 

by concomitant reflex relaxation of the extensor  muscles. Reciprocal 

inhibition  helps  to  optimize  the  reflex  response  by  inhibiting  any 

antagonistic contraction. 

 

 

 


background image

Physiology 

          Dr. Basim Mohamad Alwan                                                          Lecture 3                                                 

SENSORY NERVES 

Sensory  nerves  (afferent  nerves)  are  the  nerves  which  convey  the 

sensory  information  from  different  parts  of  the  body  to  the  central 

nervous system.  They make  the first order of neurons in the nervous 

pathways of all sensations. 

All the spinal sensory nerves enter the spinal cord through the dorsal 

roots  (sensory  roots)  of  the  spinal  nerves.  The  cell  bodies  of  these 

nerves  are  in  the  dorsal  root  ganglia  of  the  spinal  nerves.  As  these 

nerves  carry impulses towards the cell  bodies they  are considered  as 

long dendrites of the ganglion cells. 

BELL-MAGENDI LAW:  It states that the dorsal roots of the spinal 

nerves are sensory and the ventral roots are motor". 

RECEPTIVE FIELD: the spatial region where application of a stimulus causes a 
sensory neuron to respond.   

 

receptive fields can overlap   

 

definition applies to higher order neurons, as well as to primary 

afferents   

SENSORY UNIT: a primary afferent and the receptors that define its receptive 
field. 

DERMATOME 

A dermatome is the area of skin which is supplied by a spinal dorsal 

root i.e. it is the cutaneous receptive field of a spinal dorsal root  (fig. 

4-1). The dermatomes of different roots overlap with each other. 


background image

 

Figure 3 - 1: Dermatomes of the spinal ant. and post. roots   

 

THE DORSAL HORN OF THE SPINAL GRAY MATTER   

The

 dorsal horn of the spinal gray matter is the site of relay of most of 

the afferent sensory fibers.  A cross section in the  spinal cord shows 

several  anatomical laminae of the gray  matter. Each type of sensory 

fibers relays in certain specific laminae as shown in fig. 4-2. 

 


background image

 

Fig.3-2 the dorsal and ventral horn of SC 

 

THE COURSE OF THE AFFERENT SPINAL NERVE AFTER ENTERING 

THE SPINAL CORD 

As the afferent spinal nerve fiber enters the spinal cord, it takes one of 

the following courses: 

1.  Ascends or descends for few segments at the tip of the dorsal horn 

forming the Lissaur tract before entering into the dorsal horn. 

2.  Enter the dorsal horn to relay on neurons in different laminae of the 

dorsal  horn.  These  neurons  are  either  interneurons  (intermediate 

neurons) or second order neurons of their sensory pathway. 

3.  Proceeds in the spinal gray matter to relay on motor neurons in the  

  ventral horn (the reflex arc of the stretch reflex). 

4.  Ascends without relay in the dorsal column of the spinal white  


background image

matter forming the dorsal column tracts (gracile and cuneate tracts) 

terminate in the dorsal column nuclei (graclle and cuneate    nuclei) in 

the medulla oblongata. 

 

SENSORY RECEP TORS 

A sensory receptor is a specialized nerve ending which is sensitive to a 

specific type of stimulus and produces a specific type of sensation.  

FUNCTIONS OF RECEPTORS 

1. Detectors of the type of the stimulus. Each receptor is specialized to 

detect a certain type of stimulus, e.g. touch, heat, pain etc. 

2.  Sensitizers,  which  lower  the  threshold  of  stimulation  of  nerve  

endings. 

3.  Transducers,  which  convert  the  energy  of  the  stimulus  into  an 

electric response, i.e.  a membrane potential which generates  an action 

potential in the afferent nerve. 

  4. Gauges, which measure the intensity of the stimulus. 

Accordingly,  it  can  be  concluded  that  without  receptors,  the  CNS 

becomes almost useless. 

 

PROPERTIES OF THE SENSORY RECEPTORS 

(A)   SPECIFICITY 

Each receptor is highly sensitive to a certain type of stimulus which is 

called  the  "adequate  stimulus"  for  this  receptor.    When  the  adequate 

stimulus  is  used,  the  receptor  is  stimulated  by  the  least  amount  of  

energy.  If  the  receptor  is  stimulated  by  a  stimulus  other  than  its 

adequate stimulus, it needs high energy and still gives its specific type of 


background image

sensation; e.g. light receptors in the eye could be stimulated by a strong 

mechanical blow on the eye, these results in seeing flashes and stars. 

 

(B)    EXCITABILITY 
  (THE GENERATOR OR THE RECEPTOR POTENTIAL) 

When  a  receptor  is  stimulated,  it  increases  the  permeability  of  the 

membrane  of  the  nerve  ending  to  Na

+

  so  Na

influx  and  membrane 

depolarization is produced. The depolarization of the membrane of the 

sensory  nerve  ending  on  stimulation  of  the  receptor  is  called  the 

"generator  potential"  or  the  "receptor  potential"  (fig.  3-3).  The 

generator potential is characterized by:  

 
 

   

Figure 3 - 3: The generator potentials produced by 4 increasing intensities of stimuli 

(1,2,3,4). When the generator potential reaches the firing level, a full action potential 

is produced in the afferent nerve. 

 
 


background image

The generator potential is characterized by:

 

1.  It  does  not  obey  the  all  or  none  rule.  Its  magnitude  increases 

proportionately with the intensity of the stimulus. 

2.  It is not followed by a refractory period. 

3.  It  has a long  duration  (more than 5 ms).  So, it  can be temporally 

summated. 

4.  When  it  reaches  a  threshold  value,  it  activates  the  first  node  of 

Ranvier  of  the  afferent  nerve  to  generate  an  action  potential  in  the 

afferent nerve. 

 

Figure 3 - 4: The relationship between the magnitude of the generator potential and 

the frequency of discharge of impulses in its afferent nerve. 

 

5. It is not blocked by local anesthetics. Local anesthetics prevent the 

development of the action potential at the first node of Ranvier but do 

not prevent the development of the generator potential. 

When  the  generator  potential  exceeds  the  threshold  value,  the 

frequency  of  discharge  of  impulses  in  the  sensory  nerve  becomes 

directly  proportionate  with  the  amplitude  of  the  generator  potential 

(fig. 3-3). 


background image

(C) DISCHARGE OF IMPULSE 

The response of a receptor to a change in the intensity of the stimulus is 

by  changing  the  "frequency"  of  impulses  generated  in  the  afferent 

nerve.  That is  why the response of  receptors: to a  change in stimulus 

intensity  is  called  a  "frequency  modulated  response"  or  "FM 

response". Weber-Fechner law states that "The frequency of discharge 

of  impulses  from  a  receptor  is  directly  proportionate  with  the  log 

intensity of stimulus.   

 

 

Figure 3 - 5: The compression function of receptors

.  

 

  For example, a  hundred-fold increase in the intensity of the  stimulus 

leads to only twofold increase in the frequency of discharge of impulses 

from the receptor. The modulation of large changes in the intensity of the 

stimulus to small changes in the frequency of impulses is referred to as 


background image

"the  compression  function"  of  the  receptor  (fig.3-5).  This  function 

enables the receptor to  respond to,  and discriminate, a wide range of 

stimulus  intensity,  e.g.  sound  receptors  can  inform  the  CNS  of  sound 

intensity range of one to ten billion-folds. 

 

(D)   ADAPTATION OF RECEPTORS 

Adaptation is the decline in response to a constant maintained stimulus.  

If a constant maintained stimulus is applied to a receptor, the frequency 

of discharge of impulses in its  afferent nerve  declines  with time.  The 

rate of decline depends on the type of receptor (fig. 3-6). 

The  sensory  receptors  are  classified  according  to  their  rate  of 

adaptation, into three types:   

 

 

 

Figure 3-6: Adaptation of receptors 


background image

1. Rapidly adapting receptors (phasic receptors), e.g. touch and hair touch 

receptors. 

2.  Moderately adapting  receptors  e.g.  thermoreceptors  in  the 

temperature rangebetween 20-40°C. 

3.  Slowly adapting receptors (tonic receptors), e.g. muscle spindles 

and Golgi tendon organs. 

The rate of adaptation of each type of receptors fits its function.      E.g. 

touch receptors adapt rapidly, so after putting clothes on; it would be 

irritating to feel the touch of clothes  all the time.  So, touch receptors 

adapt rapidly and stop discharging. On the other hand, muscle spindles 

send  continuous  proprioceptive  signals  to  the  CNS  which  maintain 

body  posture  and  equilibrium  which are  needed  all the time, so they 

adapt very slowly. 

 

 

Figure 3 - 7: rate of adaptation of different types of receptors. 

 

 


background image

MECHANISM OF ADAPTATION OF RECEPTORS 

The  following  factors  contribute  to  the  process  of  adaptation  of  

receptors: 

1.  Gradual  inactivation  (closure)  of  some  Na

+

  channels  in  the 

membrane of the nerve ending so membrane depolarization becomes 

difficult. 

2. Dissipation of some of the stimulus energy to the surrounding  tissues 

i.e. redistribution of the energy of the stimulus. 

3. Decreased sensitivity of the node of Ranvier. 

 

CLASSIFICATION OF RECEPTORS ACCORDING TO THEIR ADEQUATE 

STIMULUS 

According  to  the  type  of  their  adequate  stimulus,  receptors  are 

classified into 5 main categories as shown in fig. 3-8. 

 

Figure 3-8: The five types of receptors according to their adequate stimuli. 


background image

 

CODING OF SENSORY INFORMATION 

All stimuli are transduced by the sensory receptors into nerve impulses 

in the  afferent nerves.  These impulses reach the brain acting as code 

signals specific for each sensation. The brain then deciphers these code 

signals  and  identifies  the  modality  (type),  the  locality  and  the 

intensity of the stimulus. 

 

1.  CODING OF THE MODALITY OF THE STIMULUS 

Each sensory pathway from the receptor up to the final sensory neuron in 

the  brain  is  specialized  to  serve  a  specific  sensory  modality. 

Stimulation  of  any  point  along  the  course  of  any  sensory  pathway 

produces its specific sensation.  The reservation of  a specific sensory 

pathway  to  serve  a  specific  type  of  stimulus  is  referred  to  as  "the 

labeled  line  principle";  i.e.,  the  whole  line  from  the  receptor  to  the 

final sensory neuron in the brain is "labeled" for conducting impulses of 

a specific sensation. 

So,  the  coding  of  a  stimulus  modality  is  by  sending  the  impulses 

through its specific sensory pathway (i.e. its labeled line). 

 

LABELED LINE PRINCIPLE   

(MULLER'S LAW OF SPECIFIC NERVOUS ENERGY) 

 

This law states that "stimulation  of any point along the  course of a 

sensory  pathway  produces  the  specific  sensation  served  by  this 

pathway regardless of the type of the stimulus used", 


background image

2.  CODING OF THE LOCALITY OF THE STIMULUS 

Each locality sends sensory impulses to the brain via a specific sensory 

pathway.  Stimulation  of  any  point  along  the  course  of  this  pathway 

produces a sensation felt at this specific locality. So, the locality of the 

stimulus is also coded by the  specific sensory pathway which  serves 

this  locality.  This  is  called  the  "law  of  projection".  It  explains  the 

phantom limb phenomenon which occurs in amputees. 

THE  PHANTOM  LIMB  PHENOMENON 

This is the false sensation from a limb when the limb does not really exist. It 

occurs  in  amputees  who  complain  of  pain,  touch,  itching  or  pressure 

sensation felt in the absent limb. This false sensation is due to irritation of 

the  cut  ends  of  the  afferent  nerves  of  the  amputated  limb  which  send 

impulses up to the brain. The brain projects the sensation on to the absent 

limb as if it were existing. 

 

3. CODING OF THE INTENSITY OF THE STIMULUS 

The intensity of the stimulus is coded by two factors: 

a. 

The  frequency  of  discharge  from  the  sensory  receptor.  The  

frequency is proportionate with the log intensity of the stimulus   

(Weber Feschner law) 

b. 

The number of activated receptors. A stronger stimulus activates 

more receptors. The activation of more receptors by stronger stimuli is 

called "recruitment of receptors". 

 

 


background image

Physiology 

Dr. Basim Mohamad Alwan                                                      Lecture (4) 

SOMATIC SENSATIONS

 

Somatic sensations are sensations which are conducted by the somatic  nerves and 

come to conscious perception. They are classified into three categories; 

 

[I]      MECHANORECEPT1VE SENSATIONS 

These  are  sensations  produced  by  mechanical  stimuli.  They  include  senses  of 

touch  (crude  and  fine),  tickle  and  itch,  texture  of  material,  vibration,  pressure, 

stereognosis, muscle tension and proprioception. 

 

  [II] THERMORECEPTIVE SENSATIONS 

These are sensations produced by thermal stimuli. They include warmth and cold 

sensations. 

 

[III] PAIN SENSATION  

 

      MECHANORECEPT1VE SENSATIONS 

  These  sensations  produced  by  mechanical  stimuli  which  stimulate 

mechanoreceptors.  It  is  a  group  of sensations  which  comprises several  sensory 

modalities. 

MECHANORECEPTORS 

Mechanoreceptors  are  receptors  which  are  especially  sensitive  to  mechanical 

stimuli.  They  are  classified  into  cutaneous  and  deep  mechanoreceptors  as 

follows: 

1. CUTANEOUS MECHANORECEPTORS 

Cutaneous mechanoreceptors (fig- 4-1) are of three types: 

i.  Naked  nerve  endings;  e.g.  the  free  nerve  endings  and  the  basket  endings 


background image

around hair follicles. 

ii. Expanded nerve endings; e.g. Merkel discs and Ruffini corpuscles. 

iii.  Encapsulated  nerve  endings;  e.g.  Pacinian  corpuscles  and  Meissner 

corpuscles. 

 

Figure 4 - 1: Cutaneous mechanoreceptors. A: free nerve endings, B: Basket endings 

around hair follicle, C: Merkel discs, D: Ruffini ending, E: Pacinian corpuscle, E: Meissner 

corpuscle. 

These receptors differ  in their  excitability, rate of adaptation, and the ability to 

respond to repetitive stimuli. They are present  in the skin all over the body, but 

highly condensed in the finger tips and lips which are highly sensitive to touch. 

 

[II] DEEP MECHANORSCEPTORS 

These receptors are of two types: 

i. Muscle spindles: which are stretch receptors found in the fleshy part of skeletal 

muscles? 

ii. Golgi tendon organs: which are tension receptors found in the tendons of the 

skeletal muscles.   

 

MECHANORECEPTIVE SENSATIONS 

1. TOUCH (TACTILE) SENSATION 

Touch is the cutaneous sensation produced by light mechanical stimuli. There are 

two types of touch sensation; 

  Crude touch and fine touch. 


background image

(A) CRUDE TOUGH 

This  is  touch  sensation  without  accurate  identification  of  the  locality  or  the 

number of stimuli. 

TICKLE AND ITCH 

Tickle is a sensation produced by mild tactile stimulation of certain areas of skin, 

usually leading to reflex involuntary laughter. 

Itch is a sensation of skin irritation which leads to the desire for scratching of the 

skin  (the  scratch  reflex).  It  is  produced  by  either  a  moving  tactile  stimulus  a 

moving flea or by substances released in the skin as histamine. The powder of 

cowhage plant produces itch by releasing an itch-producing substance in the skin. 

The  receptors  for  tickle  and  itch  sensation  are  specialized,  highly  sensitive, 

rapidly  adapting  free  naked  nerve  endings.  They  are  found  exclusively  in  the 

superficial layers of the skin. Tickle and itch signals are transmitted by the slowly 

conducting type IV nerve fibers. 

Scratching  relieves  itch  by  removing  the  irritating  stimulus  and  by  presynaptic 

lateral  inhibition  of  the  central  terminals  of  the  primary  itch-conducting  fibers. 

Nerve  fibers  carving  scratch  signals  send  collaterals  inside  the  spinal  cord  to 

inhibit fibers of itch sensation by presynaptic inhibition mechanism. So, scratch 

conducting  fibers  inhibit  the  itch  conducting  fibers  by  lateral  presynaptic 

inhibition. 

 

(B) FINE TOUCH 

This is touch sensation with accurate identification of the locality and the number 

of stimuli.  Fine  touch  sensation  is  classified  into  senses  of  tactile  localization 

and tactile discrimination. 

(a). TACTILE    LOCALIZATION   

It is the ability to identify the point where the stimulus is  applied. It is tested by 

touching the skin of blind-folded subject by the tip of a blunt-pointed object, then 

asking the subject to open his eyes  and point out the site where he was touched. 


background image

The  acuity  of  this  sense  is  inversely  proportionate  to  the  distance  of  error  in 

localizing the stimulus. 

 

(b). TACTILE  DISCRIMINATION 

It is the ability to identify two tactile stimuli applied simultaneously as two separate 

points of contact. It is tested by the compasses test or using discriminator. The two 

blunt ends of test compasses are applied to the skin of a blind-folded subject. The 

distance between the two ends of the compasses is increased step by step until the 

subject  feels  the  two  ends  of  the  compass  as  two  separate  points.  Acuity  of  this 

sensation  is  inversely  proportionate  to  the  two-point  threshold  which  is  the 

minimal distance at which the two stimuli are felt as two separate points. 

 

 

Figure 4-2: Two-point discrimination; a: The compasses test, b: Two-point threshold of different 

parts of the skin. 

 

Tactile discrimination is not equally developed in different parts of the skin (fig. 

4-2).  It  is  highly  developed  in  the  tips  of  the  fingers  and  tongue  (two-point 


background image

threshold = 2-3 mm) but poorly developed on the back of the trunk (threshold = 

65 mm). 

For two-point discrimination to occur, impulses from the two points on the skin 

should reach two separate final sensory neurons in the sensory cerebral cortex. 

Accordingly,  there  are  three  conditions  which  favor  the  development  of  high  

degree of tactile discrimination in a skin area. These conditions are: 

i. High density of touch receptors. 

ii. Minimal convergence in the sensory pathway. 

iii. Large area of sensory cortical representation in the sensory cortex; i.e. a 

large number of final sensory neurons. 

These conditions are all found in the skin of the lips and fingertips. 

 

TEXTURE OF MATERIAL SENSATION 

This is the ability to identify the substance from which a textile is made; e.g. silk, 

wool, cotton, synthetic material ...etc., by touching and without seeing it. It is a 

special type of fine touch sensation which is conducted by the gracile and cuneaie 

pathway. 

 

VIBRATION SENSE 

This is a flickering (repetitive) tactile sensation. There are two types of vibration 

receptors;  the  high  frequency,  rapidly  adapting  Pacinian  corpuscles  which 

respond  to  vibration  frequency  up  to  800  Hz,  and  the  low  frequency,  slowly 

adapting Meissner corpuscles which respond to vibration frequency up to 80 Hz. 

Vibration sense is tested by putting the base of a vibrating tuning fork on the skin. 

A  sense  of  buzzing  or  thrill  is  felt.  The  tuning  fork  is  usually  put  on  a 

subcutaneous  bony  prominence  just  to  magnify  the  vibrations.  Bone  itself  is 

insensitive to vibrations. 

Vibration  sense  is  conducted by  the  gracile  and  cuneate  pathway  (the  dorsal 

column-lemniscal  system).  In  cases  of  uncontrolled  diabetes  mellitus  or 


background image

pernicious  anemia,  degeneration  of  the  dorsal  column  occurs.  An  early  sign  of 

this degeneration is decreased sensitivity or disappearance of the vibration sense. 

 

2. PRESSURE SENSATION 

This  is  the  sensation  produced  by  a  strong,  blunt,  static  mechanical  stimulus. 

There  are  two  types  of  pressure  receptors:  the  rapidly  adapting  Pacinian 

corpuscles, and the slowly adapting Ruffini endings. 

Pressure sensation may be divided according to the  intensity of the  mechanical 

stimulus  into  two  types;  light  pressure  (pressure  touch)  sensed  by  cutaneous 

receptors, and deep pressure sensed by receptors in deeper structures as fasciae 

and connective tissues. 

The  acuity  of  pressure  sensation  is  tested  by  applying  different  weights  on  a 

supported  hand of  a blind-folded  subject,  then,  the  subject  is  asked  to  identify 

which weight is heavier and which is lighter.  

Like touch sensation, there are two types of pressure sensation: 

A. CRUDE PRESSURE SENSATION 

This is pressure sensation with low ability to discriminate different weights. This 

sensation is conducted by the ventral spinothalamic pathway. 

B. FINE PRESSURE SENSATION 

This is pressure sensation with high ability to discriminate different weights. This 

sensation is conducted by the gracile and cuneate pathway

   

STEREOGNOSIS 

  It is the ability to identify objects by handling them without seeing them (e.g. a 

key, a coin, a nail ...etc.). This ability depends on touch and pressure sensations 

as well as the cortical sensory somatic association area of the parietal lobe 

(Brodmann  areas  5  and  7).  This  sensation  is  conducted  by  the  gracile  and 

cuneate pathway. 

 

 


background image

3.  MUSCLE TENSION SENSATION 

This is the sensation produced by traction on muscle tendons. The receptors are 

the Golgi tendon organs. It enables the person to discriminate different weights 

by lifting them. It is tested by applying different weights on an unsupported hand 

of a blind-folded subject, then, the subject is asked to identify the lighter and the 

heavier weight. 

 

4.  PROPRIOCEPTIVE SENSATIONS (PROPRIOCEPTION)  

Proprioception  is  the  sensation  of  the  position  of  different  parts  of  the  body 

relative to each other and the position of the body in space. 

  Proprioception is divided into two types: 

(A)  STATIC PROPRIOCEPTION (SENSE OF POSITION)

 

 Static proprioception  is the sense of the position of different parts of the body 

relative to each other.        The receptors are the deep mechanoreceptors  (muscle 

spindles and Golgi tendon organs.  It is tested by putting a limb in an unusual 

position  and  asking  the  blind-folded  subject  to  put  the  other  limb  in  a  similar 

position. 

(B) DYNAMIC PROPRIOCEPTION 

 (SENSE OF MOVEMENT, KINESTHETIC SENSATION OR KINESTHESIA) 

Dynamic proprioception is the sense of movement of joints. The receptors are the 

Pacinian  corpuscles  and  Golgi  tendon  organs  in  ligaments  and  synovial 

membranes of joints. This sense is tested by moving a joint and the blind-folded 

subject is asked to tell when the  movement begins and when it stops or when the 

rate of movement changes. 

 

 

 

 

 


background image

THERMORECEPTIVE SENSATIONS 

Thermoreceptive sensations are those of warmth and cold. There are two types 

of  specialized  thermoreceptors,  one  is  sensitive  to  warmth  and  the  other  is 

sensitive to cold. Thermoreceptors are found in the base of the epidermal layer of 

the  skin.  There  are  warmth  sensitive  spots  on  the  skin  where  there  are  warmth 

receptors only and cold sensitive spots where there are cold receptors only. The 

number of cold spots on the skin  is 4-10 times as many as those of the warmth 

spots. The highest density of thermoreceptors is found in the skin of the face and 

hands. 

Thermoreceptors  are  also  found  in  the  abdominal  viscera,  the  spinal  cord  and 

around great veins.      These receptors are concerned mainly with  informing the 

hypothalamic thermostat of any increase in the body core  temperature. They do 

not give rise to warmth or cold sensations. 

Cutaneous thermoreceptors monitor the  temperature of the skin, not that of the 

body. An alcoholic drink in cold weather gives a sense of warmth mainly because 

it causes cutaneous vasodilation leading to warming of the skin. In this case, the 

sense of warmth reflects an increase in the temperature of the skin, not that of the 

body. The body temperature might even decrease because of the excessive heat 

loss from the skin. 

 

THERMORECEPTORS 

There are two types of thermoreceptors: 

1. WARMTH RECEPTORS 

Warmth  receptors  are  specialized  free  nerve  endings.  They  are  stimulated  at 

temperatures  between  25-50 

o

C  with  maximum  frequency  of  discharge  at  about 

40°C  (fig.  4-3).  At  temperatures  lower  than  40

o

C  the  frequency  of  discharge 

decreases  and  the  discharged  impulses  take  the  separated  impulses  pattern 

(ungrouped  pattern). At temperatures higher  than  40°C,  the  frequency decreases 

and  the  discharged  impulses  take  a  grouped  pattern,  "volley  pattern"  (fig. 


background image

4-5). Warmth sensation is conducted by the thin, type IV fibers. 

 

 

Figure 7-3: The frequency of discharge from thermoreceptors and thermal pain receptors at 

different temperatures. 

 

2. COLD RECEPTORS 

Cold  receptors  are  the  Krause  end-bulbs  which  are  specialized,  encapsulated 

nerve endings (fig. 4-4). They are stimulated at temperatures between 10-35°C 

with maximum frequency of discharge at about 25°C (fig. 7-3). At temperatures 

lower  than  25°C,  the  frequency  of  discharge  decreases  and  the  discharged     

impulses      take the      grouped      pattern (volley pattern). 

 

Figure 4 - 4: Krause end bulb. 

At temperatures higher than 25°C, the frequency of discharge decreases and the 

discharged impulses take the ungrouped pattern. Cold sensation is transmitted 

by type III nerve fibers. 


background image

 

Figure 4-5: The change in

 

frequency and pattern of discharge from thermoreceptors with the 

change of temperature  

Thermoreceptors  adapt  at  temperatures  between  20-40°C,  giving  a  feeling  of 

thermeneutrality,  but  no  adaptation  occurs outside  this  range.  At  temperatures 

below 15

o

C or above 45°C, thermosensitive pain receptors are activated giving 

rise  to  pain  sensation  (cold  pain  and  heat  pain).  Pain  sensation  at  temperature 

ranges of 10-15 and 45-50 is very mild and masked by the senses of extreme cold 

or extreme warmth respectively. The sense of thermal pain is clearly perceived at 

temperatures below 10 or above 50 °C. 

 

STIMULATION OF THERMORECEPTORS  

The  effectiveness  of  a  stimulus  applied  to  thermoreceptors  depends  on  two 

factors: 

1. The absolute temperature: In the temperature range of 10 - 50°C, anything 

warmer than the skin is felt warm and anything colder than the skin is felt cold.


background image

2.  The  rate of change  of  temperature; i.e. the rate of warming or cooling.  A 

rapidly changing temperature (rising or falling) is much more effective stimulant 

to thermoreceptors than a slowly changing or a steady temperature.  

 

PARADOXICAL COLD SENSATION 

Rapid  warming  of  the skin  to  temperatures  between  45-50 

o

C  gives  a  transient 

false  sense  of  cold  (paradoxical  cold  sensation).  This  is  because  at  this 

temperature  range,  cold  receptors  are  transiently  stimulated  (fig.  4-3). 

Paradoxical cold, like  any cold sensation, produces reflex vasoconstriction and 

rise in arterial blood pressure (the cold pressor effect). 

Hot  water  showers  are  not  recommended  for  cardiac  patients  because they  may 

give  a  sense  of  cold  and  then  cold  pressor  effect  which  lead  to  rise  in  arterial  blood 

pressure and increase in the work load on the heart and heart failure. 

 

NONSPECIFIC THERMORECEPTORS 

Some  pressure  receptors  (Ruffini  endings)  are  stimulated  also  by  cold.  This 

explains why a colder of two otherwise identical weights placed on the hand is felt 

heavier  than  the  warmer  weight  (Weber's  illusion).  This  is  because  the  colder 

weight  is  a  stronger  stimulant  of  pressure  receptors  than  the  warmer  weight 

because  it  makes  double  stimulation  of  Ruffini  pressure  receptors,  first  by  its 

weight, and second by its coldness. 


background image

Physiology 

Dr. Basim Mohamad Alwan                                            Lecture (5) 

PAIN 

Pain  is  an  unpleasant  sensation produced  by  damage  or  impending damage  of 

tissues.  It  is  a  specific  sensation  produced  by  stimulation  of  specific  pain 

receptors  (nociceptors).  It  is  not  due  to  overstimulation  of  other  receptors  as 

mechano or thermoreceptors as was believed before. This is proved by: 

1. Pain can be dissociated from other sensations; e.g. in syringomyelia (saccular 

dilation  of  the  spinal  central  canal)  pain  and  temperature  sensations  disappear 

from the affected areas but other sensations persist.   

2. Some areas do not contain pain receptors and are insensitive to pain (e.g. the 

center  of  the  cornea,  the  inside  of  the  cheek  opposite  the  second  molar  tooth), 

these areas are sensitive to other sensations. 

3. Strong mechanical stimulation of light receptors of the eye (e.g. by a blow on 

the eye) produces light sensation from the light  receptors (flashes and stars) not 

pain. 

 

CHARACTERISTICS OF PAIN SENSATION 

Pain has the following characteristic properties 

1.  Widespread distribution: Pain receptors are present almost everywhere in the 

body. It is most abundant in the skin. 

2. High  threshold  of  stimulation:  The  stimuli  used  to produce  pain  sensation 

(noxious stimuli) are of high energy that causes damage of the tissues. 

3. It is produced by a variety of stimuli; mechanical, thermal or chemical. 

4. It is a nonadapting sensation; pain sensation persists so long as the  noxious 

stimulus is applied, the sensation of pain might even increase. 


background image

5. It produces prepotent withdrawal reflexes; a prepotent reflex is a reflex that 

takes priority over any other reflex occurring at the same time. E.g. swinging of 

the arms is an automatic reflex that occurs during  walking. If during walking  a 

noxious  stimulus  is  applied  to  the  arm,  swinging  stops  and  the  arm  is  rapidly 

withdrawn away from the stimulus. 

6. It  is  the  only  sensation  which  produces  an  unpleasant  "affect"  without 

any  previous  learning  or  experience.  The  pleasantness  or  unpleasantness  of 

other sensations are conditioned and depend on previous learning and experience. 

Only pain has a "built-in" unpleasant affect. Prefrontal lobotomy (an operation to 

cut the deep connections of the frontal lobes with the rest of the brain) abolishes 

this affect. After this operation, the patient feels the pain, but it does not bother 

him. 

7. It can be perceived at the thalamus. The cerebral cortex is not essential for 

the perception of the slow type of pain.  

 

PAIN RECEPTORS 

There are three types of pain receptors: 

1.  Mechanosensitive  pain  receptors:  Which  are  stimulated  by  strong 

mechanical stimuli? 

2. Thermosensitive  pain  receptors:  Which  are  stimulated  by  temperatures 

below 15 or above 45°C.? 

3. Chemosensitive  pain  receptors:  Which  are  stimulated  by  chemicals  like 

P-factor, bradykinin, lactic acid, potassium ions ...etc? 

All these receptors are naked free nerve endings. 

 

TYPES OF PAIN ACCORDING TO ITS SITE OF ORIGIN 

According to the site of its origin, pain is classified into three types: 

I.  CUTANEOUS  PAIN:  Which  arises  from  the  skin  and  is  transmitted  by 

cutaneous somatic nerves? 


background image

II.  DEEP  PAIN:  Which  arises  from  deep  structures  like  muscles,  tendons, 

ligaments, periosteum, and is transmitted by deep somatic nerves? 

III. VISCERAL PAIN: Which arises from viscera like the heart, the kidney and 

the  intestine, and  is transmitted by the visceral afferent fibers in the  autonomic 

nerves? 

 

TYPES OF PAIN ACCORDING TO THE SPEED OF ITS CONDUCTION 

Pain  is  conducted  by  either  type  III  or  type  IV  sensory  nerve  fibers. 

Accordingly, there are two types of pain; fast pain which is conducted by type III 

fibers, and slow pain which is conducted by type IV fibers. They differ widely in 

their properties and characteristics. 

On application of a noxious mechanical stimulus to the skin (e.g. a pinprick on 

the foot), one first feels a bright, sharp, localized pain of very short duration (less 

than one second). This is the fast pain, which is also called "pricking pain". This 

pain  is  produced  by stimulation  of  the  mechanosensitive  pain  receptors. Shortly 

after  feeling  the  pricking  pain,  one  feels  a  dull,  intense,  burning,  diffuse  pain  of 

longer duration (few sec. to few min.). This is the slow pain, which is also called 

"burning pain" or "aching pain". This pain  is produced by stimulation of the 

chemosensitive pain receptors. 

 

CHARACTERISTICS OF FAST PAIN 

1.  It is only cutaneous. 

2.  It is conducted by type-Ill fibers (speed: 6-30 m/s) 

3.  It  is  felt  immediately  after  application  of  the  stimulus  (0.1  second  after 

application of the stimulus). 

4. It is of very short duration. 

5. It is bright and sharp. 

6.  It is well localized. 

7.  It is perceived only by the sensory cerebral cortex. 


background image

8.  It is conducted by the necspinothalamic sensory pathway. 

 

CHARACTERISTICS OF SLOW PAIN 

1.  It can be cutaneous, deep or visceral. 

2.  It is transmitted by the slowly conducting type-IV fibers (speed: 0.5-2 m/s). 

3. It starts about one second after application of the stimulus. 

4.  It lasts for a long time. 

5.  It is dull, aching (or burning). 

6.  It is diffuse and poorly localized. 

7. It  can  be  perceived  at  the  level  of  the  thalamus;  the  cerebral  cortex  is  not 

essential for its perception. 

8. It is conducted by the paleospinothalamic sensory pathway. 

 

DISSOCIATION OF FAST AND SLOW PAIN 

One  type  of  pain  may  disappear  leaving  the  other  intact,  as  in  the  following 

conditions: 

1. Compression or hypoxia of a nerve abolishes the conduction of fast pain but 

leaves slow pain. This is because hypoxia affects the thick type-Ill nerve fibers first 

2. Mild local anesthesia (e.g. local low dose of cocaine) abolishes the conduction 

of slow pain but  leaves  fast pain. This  is because  mild  anesthesia  affects the  thin 

type-IV nerve fibers first 

 

I- CUTANEOUS PAIN 

Cutaneous pain  arises  from  the skin  on  application  of  a  noxious stimulus.  It  is 

conducted by somatic cutaneous nerves and is not referred to any other part. It is 

usually accompanied by sympathetic reflexes (e.g. increase in heart rate and rise in 

arterial blood pressure), but there is no reflex muscular rigidity.  

Cutaneous pain could be of the fast "pricking" type or of the slow "burning" type. 

 

 


background image

Table 8-1: Differences between, fast and slow pain. 

 

CRITERION 

FAST PAIN 

SLOW PAIN 

1. Site of origin 

only cutaneous 

cutaneous,    deep or 

visceral 

2. Time of perception 

0.1 sec. after the stimulus 

1 sec. after the stimulus 

3. Characteristics 

bright, sharp & localized 

dull, intense and diffuse 

4. Duration 

very short (less than 1 

sec.) 

longer (few sec.    - few 

min.) 

5. Conducting nerves 

type-HI fibers 

type-IV fibers 

6. Sensory pathway 

neospinothalamic 

pathway 

paieospinothalamic 

pathway 

7. Associated reflexes 

rapid,                             

protective withdrawal 

reflexes 

slower                         

autonomic reflexes (e.g. 

increase in heart rate & 

ABP) 

8. Abolished by 

hypoxia    or pressure on 

the nerve 

mild          local         

anesthesia (low        dose         

of        local cocaine) 

9. Center of perception 

cerebral cortex 

thalamus 

10. Relay in dorsal horn 

laminae II & V 

laminae II & III 

11.Relay    nuclei in the 

thalamus 

VPLN 

ELN 

12.Relay        in       

reticular 

formation 

no relay 

relay 

13.Final      destination in 

CNS 

sensory cerebral cortex 

all areas of the cerebral 

cortex. 

 

11 - DEEP PAIN 

Deep pain is a slow type of pain which arises from deep structures; i.e. muscles, 

tendons, ligaments and periosteum. 

CHARACTERISTICS OF DEEP PAIN 

1.  It is dull, aching, diffuse and poorly localized. 

2. Usually associated with nausea, sweating and hypotension. 

3. Pain  from  tendons,      ligaments      and  periosteum  initiates  reflex  muscular 

spasm in the nearby muscles. 


background image

4. It is conducted by the slowly conducting type-IV fibers. 

5.  It may be referred to the skin of the same dermatome.  

 

CAUSES OF DEEP PAIN 

1. Ischemia of skeletal muscles: This leads to the release and accumulation of 

P-factor  (Lewis  pain-producing  factor). The  nature  of  this  factor  is  not  exactly 

known, but it could be bradykinin, histamine, proteolytic enzymes, lactic acid or 

potassium ions or a collection of all these substances. 

P-factor  directly  stimulates  the  chemosensitive  pain  receptors,  but  it  also 

facilitates the mechanosensitive and thermosensitive pain receptors. 

Prostaglandins are released from damaged and inflamed tissues. They facilitate 

but do not stimulate pain receptors. So they produce tenderness of the affected 

area. 

INTERMITTENT CLAUDICATIONS (LAMENESS OR LIMPING): 

This disease is an example where there is severe ischemic pain in the muscles of the 

lower limb. In this condition, there is  narrowing of blood vessels of the lower limbs 

(following  vascular  inflammation  or  severe  atherosclerosis). The slightest exercise 

leads to accumulation of the P-factor and pain sensation then limping. . During rest", there 

is no. pain as there is no accumulation of the P-factor. 

 

2. Muscular spasm (cramp): In tetany or when one loses a lot of salt in sweating 

(e.g.  with  muscular  exercise  in  hot  weather  or  miner's  disease)  muscle  spasm 

(cramp)  occurs  and  stimulation  of  mechanosensitive  pain  receptors  then  pain 

sensation. Ischemia also contributes to the production of pain in this condition. 

 

3. Bone  injury: It is painful because of the chemical and mechanical  irritation of 

the overlying periosteum. Bone itself is insensitive to pain. 

 

4. Inflammation of joints: It is painful due to chemical and mechanical irritation 


background image

of the surrounding tendons and ligaments. 

 

III - VISCERAL PAIN 

Visceral  pain  is  a slow  type of pain  that  arises  from  the  viscera  (abdominal  and 

thoracic contents). It is carried by the visceral afferent type-IV slow conducting nerve 

fibers.  Some  regions  are  insensitive  to  pain  as  the  liver  parenchyma  and  lung 

alveoli. 

CHARACTERISTICS OF VISCERAL PAIN 

1.  It is diffuse, dull or colicky. 

2. It is a slow pain, carried by the slowly conducting type-IV fibers. 

3.  It is poorly localized. 

4. It may be referred to the skin or other deep structures. 

5. It is associated with: 

(a)  Autonomic  reflexes:  Nausea;  vomiting,  sweating,  bradycardia.  That  is  why 

visceral pain is said to be "sickening". 

(b) Somatic reflexes: Rigidity of the overlying skeletal muscles; e.g. the rigidity 

of muscles over the inflamed appendix (guarding rigidity).  

(c)  Cutaneous  hyperalgesia:  Increased pain  sensibility  in  the  skin  of  the  same 

dermatome. 

(d)  Strong emotional affect: With depression, malaise and bad mood. 

 

NERVES CONDUCTING VISCERAL PAIN 

Visceral pain is conducted via afferent visceral fibers in the autonomic  nerves (fig. 

8-1). Somatic nerves conduct pain from some parts of the viscera. 

 

VISCERAL PAIN CONDUCTED BY SYMPATHETIC NERVES 

Afferent fibers that run with sympathetic nerves conduct pain from the thoracic and 

abdominal viscera, the urinary bladder, uterus and uterine tubes. 


background image

VISCERAL PAIN CONDUCTED BY PARASYMPATHETIC NERVES 

•  With glossopharyngeal and vagus nerves (Cr. IX and X nerves): 

Pain from pharynx, trachea and upper part of the esophagus 

•  With the pelvic nerve (S 2, 3 & 4): Pain from sigmoid colon, 

rectum, the trigone of the bladder and the genital organs. 

 

Figure 8 -1: The areas from which pain is conducted by somatic and by autonomic  nerves. 

 

VISCERAL PAIN CONDUCTED BY SOMATIC NERVES 

Thoracic  intercostal  nerves  carry  pain  sensations  from  parietal  pleura,  parietal 

pericardium  and  parietal  peritoneum.  This  pain  is  called  "parietal  pain".  It  is 

well localized. 

 

CAUSES OF VISCERAL PAIN 

1.  Ischemia:  Ischemic  pain  is  due  to  accumulation  of  the  P-factor  which 

stimulates  the  chemosensitive  pain  receptors.  E.g.  anginal  pain  of  myocardial 

ischemia. 


background image

2. Spasm of a hollow viscus: Spasmodic pain  is colicky pain caused mainly by 

stimulation of the mechanosensitive pain receptors. Ischemia due to squeezing of 

blood vessels may contribute to pain production. E.g. intestinal, renal or biliary 

colic. 

3. Overdistention  of  a  hollow  viscus:  Overstretch  of  the  tissues  stimulates 

mechanosensitive pain receptors. Ischemia may contribute. E.g. overdistention of 

the intestine by large volumes of gases. 

4. Chemical  irritation:  Chemical  irritants  produce  pain  by  stimulating 

chemosensitive pain receptors. E.g. Rupture of a peptic ulcer could lead to leak of 

the  highly  acidic  gastric  juice  into  the  peritoneum  leading  to  severe  abdominal 

pain.  Inflammations  produce  pain  by  producing  chemical  irritants  (pain 

producing substances). 

5. Traction on  the  mesentery: E.g. by an abdominal tumor. This cause is rare 

and of little clinical significance. 

 

REFERRED PAIN 

Referred pain is pain felt away from its site of origin.  

 

Examples: 

1. Ischemia  of  the  heart  causes  pain  that  may  be  referred  and  felt  in  the  left 

shoulder and the inside of the left arm. 

2. Pain from the gall bladder may be referred and felt in the right shoulder. 

3. Pain of appendicitis may be referred to the umbilical area.  

4. Pain from the ureter may be referred to the testis. 

 

MECHANISM  OF  REFERRED  PAIN  (convergence  projection  mechanism): 

Afferent  pain-conducting  fibers  from  the  viscera  converge  with  afferent 

pain-conducting  afferent  pain-conducting  fibers  from  the  skin  on  one  central 

neuron of the paleospinothalamic tract.       


background image

 

Figure 5-2: An example of the convergence projection mechanism of referred pain. 

 

In this way, pain impulses from the viscera travel in the same central pathway as 

pain  impulses from the skin to reach the same final sensory neuron in the brain. 

The final sensory neuron projects pain sensation to the skin as the skin is the place 

from which it usually receives pain signals (fig. 5-2). 

This  means  that  the  pain  signals  from  the  viscera  converge  to  the  same  final 

sensory neuron as the signals from the skin, the brain projects any pain sensation 

from  the  viscera  to  the  skin.  This  mechanism  is  known  as  "the  convergence 

projection mechanism". 

Accordingly, if pain arises from a certain viscera from which impulses converge 

with  impulses coming from a certain area of skin, one would feel pain as if it  is 

coming from the skin not from the viscera. 

Reference  of  pain  occurs  from  viscera  to deep structures or  the  skin  and  from 

deep structures to the skin, but not the opposite way.  


background image

DERMATOMAL RULE OF REFERRED PAIN 

Visceral  or  deep  pain  is  referred  to  the  dermatome  which  has  the  same  nerve 

supply as the site of pain. E,g. the heart, the left shoulder and the inside of the left 

arm  have  the  same  nerve  supply. So, pain  from  the  heart  is  referred  to  the  left 

shoulder and the inside of the left arm (fig. 5-2). 

 

THE GATE THEORY OF PAIN TRANSMISSION 

The dorsal hom of the spinal gray matter  is the site of first relay  in the sensory 

pathway  of  pain.  At  this  level,  there  is  a  group  of  inhibitory,  enkephalinergic 

intemeurons  which  form  the  "Pain.  Inhibitory  Complex,  PIC.  When 

stimulated,  these  interneuron's  block  the  transmission  of  pain  sensation  by 

presynaptic inhibition of the primary pain-conducting fibers. At the dorsal horn 

also,  transmission  of  pain  sensation  could  be  facilitated  in  cases of  secondary 

hyperalgesia. In this way, the dorsal horn acts as a "gate" that may pass, facilitate 

or block pain transmission. Accordingly, the dorsal horn of the spinal gray matter 

is sometimes referred to as the "gate" for pain transmission. 

The same "gating" mechanism for pain is found also at the thalamus where pain 

signals  could  be  blocked  by  corticofugal  fibers  or  facilitated  by  intralaminar 

thalamic  nuclei.  In  this  way,  the  thalamus  acts  as  a  secondary  gate  for  pain 

transmission. 

 

 

 


background image

Physiology 

Dr. Basim Mohamad Alwan                                                        Lecture (6) 

INTERINSIC MODIFICATION 

O

F PAIN SENSIBILITY

 

Intrinsic  mechanisms  can  modify  pain  sensation  leading  to  exaggerated  or 

suppressed pain sensibility. 

 

I. EXAGGERATED PAIN SENSIBILITY 

1. CUTANEOUS   HYPERALGESIA 

This is a pathological condition where pain sensibility from the skin is exaggerated. 

It usually follows a skin injury or inflammation. There are two types of cutaneous 

hyperalgesia: 

A.   PRIMARY   HYPERALGESIA 

In  this  case,  the  threshold  of  pain  sensation  from  the  affected  area  is  lowered.  A 

stimulus which normally produces mild pain causes severe, prolonged pain. 

Primary  hyperalgesia  occurs  in  conditions  like  sunburns.  It  is  restricted  to  the 

affected area of skin and the area of hyperemia around it (the area of the spreading 

flare).  This  type  of  hyperalgesia  is  caused  by  facilitation  of  pain  receptors  by 

substances  released  from  the  damaged  or  inflamed  tissues,  e.g.  histamine, 

bradykinins, substance-P, Prostaglandins ...etc. 

ALLODYNIA 

is a severe type of primary hyperalgesia in which a gentle stimulus like 

a breeze or the touch of clothes produces severe pain. 

 

B.  SECONDARY   HYPERALGESIA  (HYPERPATHIA) 

In this case,  the  threshold of pain  is  increased, but  when  the threshold  is  reached  it 

produces severe burning pain. It occurs in a normal skin  area that extends beyond the 

spreading  flare  of  the  injured  skin.  Secondary  hyperalgesia  is  produced  by 

convergence-facilitation mechanism (fig. 6-1).     


background image

 

 

Figure 6-1: The convergence facilitation mechanism of secondary hyperalgesia. 

 

Impulses  from  the  injured  area  facilitate  a  central  neuron.  Impulses  from  the 

hyperpathic  area  converge  on  the  same  central  neuron.  The  convergence  on  a 

central  facilitated  neuron  explains  the  exaggerated  pain  sensibility.  The 

facilitator  neuron  which  arises  from  the  area  of  primary  hyperalgesia  exerts 

lateral  inhibition  on  the  stimulator  neuron  which  arises  from  the  hyperpathic 

area. This explains why the threshold of pain is increased in the hyperpathic area. 

 

2. CAUSALGIA 

Causalgia  is  a  pathological  condition  in  which  there  is  hyperalgesia,  allodynia 

and spontaneous burning pain sensation long after a seemingly trivial skin injury. 

It  occurs  if  the  skin  injury  was  associated  with  nerve  injury.  The  skin  in  the 

affected area becomes thin and shiny with  increased hair growth. 

THE MECHANISM OF 

CAUSALGIA:

 

  Nerve injury leads to sprouting of noradrenergic sympathetic nerve fibers into the 

sensory  nerve  track  up  to  the  dorsal  root  ganglia  of  the  sensory  nerves  of  the 

affected  area.  The  dorsal  root  ganglia  cells  can  be  stimulated  by  sympathetic 


background image

activity. This stimulation may facilitate the sensory neuron leading to hyperalgesia 

or  allodynia,  or  it  may  excite  it  to  discharge pain  signals  to  the CNS  leading  to 

spontaneous pain sensation. 

 

3. THE    THALAMIC    SYNDROME 

Thalamic  syndrome  is  caused by  thrombosis of  the  thalamogeniculate  artery,  a 

branch  of  the  posterior  cerebral  artery.  At  first,  all  sensations  are  lost  on  the 

opposite  side.  Few  weeks  later,  pain  sensibility  is  regained.  A  noxious  stimulus 

produces  very severe, stabbing  and  extremely  unpleasant pain.  This  is due  to  the 

facilitation of the medial and laminar nuclei of the thalamus which do not degenerate 

in this syndrome. They potentiate pain conducted by the reticular activating system of 

the brainstem. 

 

II. SUPPRESSED    PAIN    SENSIBILITY 

ANALGESIA 

Analgesia means suppression of pain sensation. There is an analgesia system in 

the  body  which  can  suppress  pain  sensibility  by  activating  the  spinal  pain 

inhibitory complex. The analgesia system of the body is divided into peripheral 

and central analgesia systems. 

 

THE PERIPHERAL  ANALGESIA  SYSTEM 

The peripheral anesthesia system consists of the type-II sensory nerve fibers which 

conduct mechanoreceptive sensations. 

Immediately after they enter into the spinal cord, type-H fibers divide into medial 

and lateral branches. The medial branch ascends to form the gracile and cuneate 

tracts, and the lateral branch stimulates the PIC to inhibit pain transmission. In 

this way, pain sensation can be suppressed by scratching or rubbing of the skin.  

Counterirritants which are applied to the skin to suppress pain (mustard plaster 

or  liniments)  work  on  this  principle.  They  stimulate  the  cutaneous  receptors 


background image

which send impulses through type-II fibers that stimulate the PIC. This is also the 

basis for acupuncture. 

On the same principle, electrodes surgically implanted in the dorsal column 

activate  the PIC and  suppress  pain sensibility. They are sometimes used for 

treatment of intractable pain. 

 

THE CENTRAL ANALGESIA SYSTEM 

This system consists of five components (fig. 6-2) 

1.  THE CEREBRAL CORTEX 

Many areas of the cerebral cortex, especially the limbic association area, project 

corticofugal fibers to: 

a. The thalamus; these fibers block pain signals at the  level of the thalamus (the 

second gate for pain transmission). 

b. The periaquiductal gray matter of the mesencephalon. 

The corticofugal fibers are B-endorphinergic. 

 

2.  THE HYPOTHALAMUS 

B-endorphinergic  fibers  project  from  the  periventricular  nuclei  and  the  medial 

forebrain  bundle  of  the  hypothalamus  to  the  periaquiductal  gray  matter  of  the 

mesencephalon. 

 

  3. 

THE PERIAQUEDUCTAL GRAY MATTER OF THE MIDBRAIN 

Neurons from this area project enkephalinergic fibers to the reticular formation of the 

brainstem and fee raphe magnus nucleus. 

 

4.  THE RETICULAR FORMATION OF THE BRAINSTEM 

This  structure  sends  serotonergic  descending  fibers  in  the  lateral  reticulospinal 

tract to activate the spinal PIC. It also projects fibers to the raphe magnus nucleus. 

 


background image

 

 

Fig.6-2 the central analgesia system 

5.  THE RAPHE MAGNUS NUCLEUS 

The  raphe  magnus  nucleus  is  found  in  the  lower  pons  and  upper  medulla. 

Serotonergic nerve fibers descend from this nucleus down in the lateral reticulospinal 

tract to activate the spinal PIC. 

 

STRESS ANALGESIA 

Stress analgesia is the suppression of pain sensation during stressful during stressful 

conditions (fight or flight). In these conditions, pain impulses are blocked at two 

levels: 

A. At the first gate of pain transmission (the dorsal horn of the spinal gray 

matter).  The  hypothalamus  and  other  parts  of  the  central  analgesia  system 

activate  the  spinal  PIC  which  blocks  the  transmission  of  pain  signals  at  the 


background image

dorsal horn. 

B. At the second gate of pain transmission (the thalamus). Corticofugal fibers 

to the thalamus block by presynaptic inhibition the transmission of pain signals in 

the thalamus before they reach the cerebral cortex. 

 

THE NERVOUS PATHWAYS OF SOMATIC SENSATIONS 

A tract is a bundle of nerve fibers in the spinal cord with common origin, common 

destination  and  a  common  function.  An  ascending  tract  is  a  sensory  tract  which 

conducts  sensory  signals  up  to  the  higher  brain  centers.  A  descending  tract  is  a 

motor tract which conducts motor signals from the higher brain centers down to the 

motor neurons in the motor neuron pool. 

The  nervous pathway  of  a sensation  starts  from  its  sensory  receptors  up  to  the 

final sensory neurons in the brain. It  involves 2  - 4 orders of neurons. The first 

order neurons of all sensory pathways are the afferent sensory nerves which have 

their  cell  bodies  in  the  dorsal  root  ganglia  or  equivalent  ganglia  of  the  cranial 

nerves. An ascending tract is the part of the sensory pathway which  is found in 

the spinal cord. 

 

THE VENTRAL SPINOTHALAMIC PATHWAY 

The  ventral  spinothalamic  pathway  (fig.  6-3)  is  the  sensory  pathway  for  crude 

touch, tickle and itch sensations. It has three orders of neurons: 

FIRST ORDER NEURONS:

 are the dorsal root neurons. Their afferent fibers (type III and 

IV) enter the spinal cord in the dorsal root of the spinal nerve then go up or down for 

a few segments in the Lissaur s tract and terminate in laminae II, III and IV of 

the dorsal horn of the spinal gray matter. 


background image

 

Fig. 6-3 ventral spinothalamic tract 

 

SECOND ORDER NEURONS:

 are neurons in laminae II, III and IV of the dorsal horn. 

Their fibers cross to the opposite side in front of the central canal then ascend in 

the ventral column of the spinal white matter as the ventral spinothalamic tract up 

to the brainstem and in the brainstem, they join the lateral spinothalamic tract to 

form  the  spinal  lemniscus  (nervous  tract  made  by  union  of  more  than  one 

tract) which ascend up to terminate  in  the  ventral posterolateral nucleus of the 

thalamus (VPLNT). 

 

THIRD ORDER NEURONS

: are neurons of the VPLNT. Their fibers project through 

the central thalamic radiations to the final sensory neurons in the sensory cerebral 

cortex. 

 


background image

THE LATERAL SPINOTHALAMIC PATHWAYS 

There  are  two  lateral  spinothalamic  pathways;  the  paleospinothalamic  and  the 

neospinothalamic pathways. 

1. THE PALEOSPINOTHALAMIC PATHWAY   

 

 

Fig. 6-4 the paleospinothalamic pathway 

The paleospinothalamic pathway  (fig.  6-4  is  the sensory pathway  for slow  pain, 

and temperature sensations. 

FIRST ORDER NEURONS:

 are the dorsal  root  neurons.  Their  afferent  fibers  (type  IV) 

enter the spinal cord in the dorsal root of the spinal nerve then go up or down for a 

few  segments  in  the  Lissaur  tract  and  terminate  in  the  substantia  gelatinosa  of 

Rolandi (laminae II, III) of the dorsal horn of the spinal gray matter. 

SECOND ORDER  NEURONS:

  are  neurons  in  the  substantia  gelatenosa  of  Rolandi. 


background image

Their fibers cross in front of the central canal to the opposite side. Fibers ascend in 

the  anterolateral  column  of  the  spinal  white  matter  as  the  lateral  spinothalamic 

tract.  In  the  brainstem,  the  lateral  spinothalamic  tract.  In  the  brainstem  the 

lateral spinothalamic tract joins the ventral spinothalamic tract to form the spinal 

lemniscus.  Fibers  terminate  in  the  nonspecific  intralaminar  nuclei  of  the 

thalamus (ILNT). 

During their course in the brainstem, some fibers deviate  and make a separate tract 

called "the spinoreticular tract". The fibers of this tract terminate in the reticular 

formation of the brainstem. Multiple, short fiber neurons conduct the signals from 

the reticular formation onto the intralaminar nuclei of the thalamus (ILNT). 

THIRD ORDER NEURONS

are neurons of the ILNT. Their fibers project  through the 

anterior, central and posterior thalamic radiations to the final sensory neurons in all 

parts of the cerebral cortex. 

 

2. THE NEOSPINOTHALAMlC PATHWAY 

The neospinothalamic pathway (fig. 6-5) is the sensory pathway for fast pain. 

FIRST ORDER NEURONS:

 are the dorsal root neurons. Their afferent fibers (type 

III) enter the spinal cord in the dorsal root of the spinal nerve and go up or down for 

a few segments in the Lissaur tract then terminate in laminae II and V of the dorsal 

horn of the spinal gray matter. 

SECOND ORDER NEURONS:

 are neurons in laminae, II and V. Their fibers cross in 

front of the central canal to the opposite side, and then ascend in the anterolateral 

column  of  the  spinal  white  matter  as  the  lateral  spinothalamic  tract.  In  the 

brainstem, the lateral spinothalamic tract joins the ventral spinothalamic tract to 

form the spinal  lemniscus. The fibers of the neospinothalamic tract terminate  in 

the ventral posterolateral nuclei of the thalamus (VPLNT). 


background image

 

Fig. 6-5 the neospinothalamic pathway 

 

THIRD ORDER NEURONS:

 are the neurons of the VPLNT. Their fibers project through 

the  central  thalamic  radiations  to  the  final  sensory  neurons  in  the  sensory  cerebral 

cortex. 

 

THE DORSAL COLUMN PATHWAY 

The dorsal column pathway (also called the graeile and cuneate pathway) (fig. 6-6) is 

the sensory pathway for  fine  touch,  fine  pressure,  vibration, stereognosis,  muscle 

tension and proprioceptive sensations. 

FIRST ORDER NEURONS:

  are the dorsal  root  neurons. Their  afferent  fibers  (type  II) 

enter the spinal cord in the dorsal root of the spinal nerve then branch into medial 


background image

and lateral branches. The medial branches ascend without relay up in the ipsilateral 

dorsal column of the spinal white matter where they are called "the dorsal column 

tracts"  or  "the  gracile  and  cuneate  tracts".  They  terminate  in  the  dorsal 

column nuclei (the gracile and cuneate nuclei) in the medulla.     

 

Fig. 6-6 the dorsal column pathway 

 

SECOND  ORDER  NEURONS: 

are  the  neurons  of  the  dorsal  column  nuclei  in  the 

medulla.  Their  fibers  cross  to  the opposite  side  in  the  sensory decussation  and 

ascend in the brainstem as the medial lemniscus. They terminate in the ventral 

posterolateral nucleus of the thalamus (VPLNT). .

 

THIRD ORDER NEURONS: 

are those of the VPLNT. Their fibers project through the 

central thalamic radiations to the final sensory neurons in the sensory cortex.

 

* The gracile is the medial tract. It is formed in the lower part of the spinal cord and carries 

sensations from the lower part of the body. The cuneate is the lateral  tract. It is formed in 


background image

the upper part of the spinal cord at the level of the 6th thoracic spinal segment, and carries 

sensations from the upper part of the body. 

 

THE SPINOCERVICAL PATHWAY   

The spinocervical pathway (fig. 6-7) is an accessory pathway for the dorsal column 

pathway. It conducts impulses at a faster rate. So, impulses in this pathway reach the 

cerebral cortex before those conducted by the dorsal column pathway. 

 

FIRST ORDER NEURONS:

 are the dorsal root neurons. Their afferent fibers (type I and 

II)  enter  the  spinal  cord  in  the  dorsal  root  of  the  spinal  nerve  and  terminate  in 

lamina IV" of the dorsal horn of the spinal gray matter. 

 

 

SECOND  ORDER  NEURONS:

  are  neurons  in  lamina  IV.  Their  fibers  ascend  in  the 

ipsilateral  posterolateral  column  of  the spinal  white  matter as  the  spinocervical 

tract. The fibers terminate in the lateral cervical nucleus 

(a longitudinal cell column 

lateral to the tip of the dorsal horn of the upper 2-3 cervical segments)

 

of the same side. 

 

THIRD ORDER NEURONS:

 are those of the lateral cervical nucleus. Their fibers 

cross  to  the  opposite  side  and  ascend  in  the  brainstem  as  part  of  the  medial 

lemniscus to terminate in the VPLNT. 

 

FOURTH  ORDER  NEURONS

:  are  neurons  of  the  VPLNT.  Their  fibers  project 

through the central thalamic radiations to the final sensory neurons in the sensory 

cerebral cortex. 

 

 

 


background image

 

 

Fig. 6-7 the spinocervical pathway

 

 


background image

Physiology 

Dr. Basim Mohamad Alwan                                                    Lecture (7) 

THE SOMATOSENSORY CONDUCTING SYSTEMS OF THE 

SPINAL CORD 

The ascending somatosensory tracts in the spinal cord are classified into 

two  conducting  systems,  i.e.  the  anterolateral  and  the  dorsal 

column-lemniscal  systems.  Each  system  has  its  own  features  and 

characteristics. 

 

THE ANTEROLATERAL SYSTEM 

The anterolateral system has two components; the ventral and the lateral 

spinothalamic tracts. The fibers of the first order neurons  which serve 

this  system  are  the  slow,  thin,  myelinated  type-III  and  the 

nonmyelinated type-IV fibers.

 

 

CHARACTERISTICS OF THE ANTEROLATERAL SYSTEM 

1.  It is a slowly  conducting  system  made up of thin type-III  and  IV 

fibers. 

2. It  has  moderate  degree  of  somatotopic  lamination.  This  allows  only 

moderate degree of localization and discrimination of its sensations. 

3. The intensity discrimination of its sensations is poor. Sensations of this 

system can be identified in only 10-20 grades of intensity. 

4. It cannot transmit rapidly repetitive signals. 

5. It conducts sensations from the contralateral side of the body. 


background image

THE DORSAL COLUMN-LEMNISCAL SYSTEM 

The  dorsal  column-lemniscal  system  has  three  components;  the  dorsal 

column tracts (gracile and cuneate), the spinocervical tract, and the medial 

lemniscus. The fibers of the first order neurons which serve this system are 

the rapidly conducting, thick, myelinated, type-I and II fibers. 

 

CHARACTERISTICS OF THE DORSAL COLUMN LEMNlSCAL SYSTEM             

1. It is a rapidly conducting system made up of the thick type-I and II 

fibers.   

2. It has a high degree of somatotopic lamination; i.e. it is  arranged in 

many  laminae,  each  lamina  serves  a  specific  topic  on  the   body       

surface. This allows a high degree of localization and discrimination of 

its sensations. 

3. The intensity discrimination of its sensations is high. Most sensations 

in  this  system  can  be  identified  in  up  to  100  grades  (100  separate 

degrees of intensities). 

4. It can conduct rapidly repetitive signals. This enables this system to 

conduct vibration sense. 

5. It conducts sensations from the ipsilateral side of the body.  

 

 

 

 

 

 


background image

THE THALAMUS 

 

The  two  thalami  are  large  ovoid  masses  of  gray  matter  situated  at  the 

lateral  walls  of  the  third  ventricle,  one  on  each  side.  They  are 

interconnected  by  a  short  communicating  bar  of  white  matter  (massa 

intermedia) which traverses the third ventricle. 

All  the  nervous  signals  which  go  to  the  cerebral  cortex  pass  first 

through  and  relay  in  the  thalamus.  That  is  why  the  thalamus  is 

sometimes called the "secretary of the cerebral cortex ". 

 

ANATOMICAL DIVISIONS OF THE THALAMUS 

In each thalamus there are 5 groups of nuclei: 

 

1. Anterior  group:      This  is  connected  to  the  cingulate  gyrus  and 

forms part of the limbic circuit concerned with recent memory. 

2. Medial  group:    This  includes  the  dorsomedial  nucleus,  the 

intralaminar and middle nuclei. 

3. Lateral group:    This includes the dorsolateral and posterolateral  

nuclei. 


background image

4. Ventral group: Which includes? 

(a) The ventroanterior (VA) nucleus. 

(b) The ventrolateral (VL) nucleus. 

(c) The  ventroposterior  (VP)  complex  (ventrobasal  complex),  which 

includes: 

(i)    Ventral posterolateral (VPL) nucleus. 

(ii) Ventral posteromedial (VPM) nucleus. 

5. Posterior group (metathalamus): Which includes the medial and 

lateral geniculate bodies. 

Various  nuclear  groups of the thalamus  are freely interconnected  by 

short intermediary neurons. 

 

FUNCTIONAL DIVISIONS OF THE THALAMUS 

Functionally,  the  thalamic  nuclei  could  be  classified  into  four 

categories: 

[I] Specific projection nuclei (cortical relay nuclei):  

a. Ventral posterolateral nucleus (VPL) nucleus, which is the site of 

relay of the somatic sensory pathways from the trunk and limbs 

b. Ventral posteromedial nucleus (VPM) nucleus, which is the site 

of relay of the trigeminal sensory pathway from the head

c. Medial geniculate body (MGB); site of relay of the auditory 

pathway. 

d. Lateral geniculate body (LGB): site of relay of the visual pathway. 

e. Dorsomedial nucleus; site of relay for the olfactory pathway

 


background image

AFFERENT  CONNECTIONS:

  From  the  medial,  spinal  and  trigeminal 

lemnisci, optic tract, hearing and olfactory pathways. 

EFFERENT  CONNECTIONS:

  Specific  thalamic  projection  system  to 

specific  points  in  the  somatic  audio  and  visual  sensory  areas  of  the 

cerebral cortex. 

[II] Nonspecific projection nuclei: 

a.  Intralaminar and midline nuclei. 

b.  Ventroanterior nucleus. 

c.  Anterior nuclei. 

AFFERENT  CONNECTIONS:

  From  the  ascending  reticular  activating 

system (ARAS), and the paleospinothalamic tracts. 

EFFERENT CONNECTIONS:

 Nonspecific thalamic projection fibers to 

all parts of the cerebral cortex. The anterior nuclei are connected to the 

hypothalamus and limbic system. 

  [III] Association nuclei: 

a.  Dorsolateral nucleus. 

b.  Posterolateral nucleus. 

AFFERENT CONNECTIONS:

 From other thalamic nuclei 

EFFERENT  CONNECTIONS:

  To  prefrontal,  parietal  and  occipital 

cortical association areas. No subcortical connections. 

[IV] Motor nuclei: 

The most important of these is the ventrolateral (VL) nucleus. 

AFFERENT

 CONNECTIONS: From the basal ganglia and cerebellum. 

EFFERENT CONNECTIONS:

 The motor cortex. 

 


background image

FUNCTIONS OF THE THALAMUS 

1. It is a relay station for all the sensory pathways in their way to the 

cerebral cortex.  Sensory signals  are  processed in the thalamus before 

reaching the cortex (thalamus is the secretary of the cortex). 

2. It acts as a final sensory center for conscious perception of some 

sensations: i.e. slow pain, high or low grades of temperature and crude 

touch. 

3. Facilitation of the cerebral cortex, raising its excitability up to the 

level necessary to do all cerebral functions. Without the thalamus, the  

cerebral cortical functions are markedly depressed. The cerebral cortex 

and  thalamus  are  sometimes  considered  as  one  unit  called  "the 

thalamocortical system". 

4. Identification of the stimulus affect (pleasant or unpleasant),  and 

controlling  the  emotional  and  motor  reactions  to  it.  This  is  done  in 

collaboration  with  the  cerebral  cortex,  the  limbic  system  and 

hypothalamus 

5. It is part of the limbic circuit which is concerned with recent memory 

and memory search. 

6. It  is  part of the caudate and  putamen circuits  which control the 

motor activity 

 

THE THALAMIC SYNDROME (The thalamic hypersthetic anesthesia) 

The  most  common  cause  of  this  syndrome  is  thrombosis  of  the 

thalamogeniculate  artery  which  is  a  branch  of  the  posterior  cerebral 

artery. This leads to degeneration of the posterior and ventral parts of the 


background image

thalamus. The manifestations which appear on the contralateral side  of 

the lesion include: 

 

SENSORY EFFECTS 

First, there is complete hemi anesthesia at the onset of the disease.  Few 

weeks  later  protopathic  sensation  (primitive  sensations  which 

include  crude  touch,  pain  and  high  or  low  temperatures)  are 

recovered.  The  threshold of pain is elevated but gives very unpleasant, 

exaggerated central effect. Epicritic sensations (fine sensations, which 

include  fine  touch,  proprioceptive  sensations  and  intermediate 

grades of temperature) are permanently and irreversibly lost. 

 

MOTOR EFFECTS 

There  is  hemiparesis  (weakness  of  the  muscles),  hemiataxia  and 

choreoathetoid movements. 

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 


background image

SENSORY FUNCTIONS OF THE CEREBRAL CORTEX 

The cerebral  cortex is the highest center for conscious perception of 

fine  sensations. Crude sensations  such as pain, temperature and  crude 

touch  can  be  perceived  at  a  lower  level  in  the  thalamus.  Somatic 

sensations  are  perceived  in  the  parietal  lobe,  visual  sensations  are 

perceived in the occipital lobe and auditory sensations in the temporal 

lobe.         

There  are  three  somatic  sensory  areas  in  the  cerebral  cortex;  the 

primary somatic sensory area (SI), the secondary somatic sensory 

area (SII) and the somatic sensory association area. 

 

THE PRIMARY SOMATIC SENSORY AREA (SI):   

LOCATION;

  In the  postcentral  gyrus of the  parietal lobe (Bro dmann 

areas  3,  1  and  2)  (fig.  7-1).  It  receives  projection  fibers  from  the 

ventrobasal complex of the thalamus (VPLNT and VPMNT). In this 

area,  there  are  the  final  sensory  neurons  of  the  somatic  sensory 

pathways of fine sensations. 

BODY  REPRESENTATION

:  It  is  crossed  and  inverted  representation 

(fig. 7-2). The upper half of the face is bilaterally represented. 

 Crossed representation means that each half of the body is represented on 

the contralateral cerebral hemisphere. 

  Inverted representation means that upper parts of the body are represented 

in the lower part of the cortex and lower parts of the body in upper part of the 

cortex. 


background image

 

Figure 7-1: Map of Brodmann areas of the cerebral cortex. It is based on 

histological typing of cortical cells (first published in 1909). 

 

The area of representation of each part is proportional to the number of 

receptors  in  this  part,  not  to  its  size,  e.g.  the  lips  and  thumb  are 

represented by relatively large areas, whilst the trunk is represented by 

relatively small area. 

 

Figure 7 - 2: Body representation in the postcentral sensory gyrus   

 

 


background image

Cells in the sensory cortex  are arranged in columns  projecting inwards 

from the surface. Points in the cortex that represent a certain area of the 

body contain several columns each column is specialized in perception 

of  a  specific  sensory  modality.  So,  modality      representation  is 

included within the topographic representation. 

Topographic  areas  of  representation  are  not  permanent  or  unchan-

geable, but can be changed and modified. E.g., if a finger is amputated, 

the cortical representation of the neighboring fingers creep into the area 

of the amputated finger. 

FUNCTIONS:

  The  primary  somatic  sensory  area  is  essential  for  the 

perception of: 

1. Fine touch sensation, i.e. tactile localization and discrirnination. 

2. Localization of pain and temperature sensations, SI is not essential 

for the perception of pain and temperature sensations, it is only needed for 

their accurate localization. 

3. Intensity discrimination of different stimuli. 

4. Texture of material. 

5. Proprioception; static and dynamic.   

SI area project connection fibers to the secondary somatic sensory area (SII) 

and the somatic sensory association area for interpreting the meaning and 

significance of the sensory information; E.g. stereognosis. 

 

THE SECONDARY SOMATIC SENSORY AREA (SII) 

LOCATION:

  In  the  supramarginal  gyrus  (Brodmann  area  40),  behind 

mellower part of SI. 


background image

BODY 

REPRESENTATION:

  Bilateral  representation  with  poor 

topographic representation. The head area is generally in the anterior part 

and the leg area in the posterior part. 

SII  receives  connection  fibers  which  convey  input  signals  from  SI,  the 

visual and auditory cortical sensory areas, and the thalamic nuclei on both 

sides of the body. 

FUNCTIONS:

 SII is a potentiator of SI. It cannot work independent of  SI. 

SI, however, can carry out its functions without SII.  So, SI  can  work 

without SII, but the opposite is not true. 

 

SOMATIC SENSORY ASSOCIATION AREA 

(SOMATIC INTERPRETATIVE AREA) 

LOCATION:

  In  the  posterior  parietal  cortex  (Brodmann  areas 5  and  7), 

behind SI and above SII. 

CONNECTIONS:

 It receives sensory signals from SI, SII, and the thalamus. 

FUNCTIONS: 

1.  It  combines  all  sensory  signals  to  give  meaning  to  the  complex 

sensory input. 

2. Stereognosis. This area is the center of stereognosis. 

3. Spatial orientation of the body with its surroundings. The person 

recognizes the position of each part of the body relative to other  

parts and to the surrounding objects. 

4.  Memory.  This  area  is  the  memory  store  of  previous  sensory 

experience. Stimulation of this area produces sensory hallucinations. 

EFFECT  OF 

LESION

: A lesion in the somatic sensory  association area 


background image

results in: 

1.  Astereognosis,  i.e. inability  to  identify  objects  by  their touch,  shape, 

weight and texture. 

L  .Autotopagnosia,  i.e.  loss  of  recognition  of  part  or  whole 

contralateral side of the  body.  The  patient does  not  acknowledge  the 

existence  of  the  affected  part  and  fails  to  include  it  in  planning  of 

voluntary movement. E.g. he does not swing the arm of the affected side 

during walking, he puts clothes on one side of the body and ignores the 

other or he shaves only one side of his beard.   

3. Impaired memory and decreased intelligence. 


background image

CELLS AND LAMINAE OF THE CEREBRAL CORTEX 

The cerebral cortex is arranged in six distinct laminae according to the 

histological architecture of each laminae (fig. 7-3). These laminae are 

labeled  from  outside  inwards  as  lamina  I  to  lamina  VI.  There  are 

generally two types of cells in the cerebral cortex (fig. 7-4). 

1. The pyramidal cells; which have a pyramidal shape and are found 

in layers II, III, V and VI. The special feature of these cells is that their 

axons leave the cortex. These axons terminate in one of the following 

destinations: 

a. Association      fiberswhich originate from lamina II and terminate 

in other cortical areas on the sat 

b.  Commissural  fibers;      which  originate  from  lamina  III  and 

terminate in cortical areas on the opposite side. 

c.  Pyramidal tractswhich originate from lamina V and terminate in 

motor nuclei in the brainstem and spinal cord. 

d.  Cortical projection fibers; which originate from lamina VI and 

terminate in subcortical structures; e.g. corticothalamic projections. 

2. The stellate cells: which have a star-like shape and are found mainly 

in layer IV? Their axons terminate within the cortex. They are the final 

cortical  sensory  neurons  which  are  responsible  for  conscious 

perception of different sensations. 

 

 

 


background image

 

Figure 7-3: The types of cells in different layers of the cerebral cortex and 

their connection. 

 

FUNCTIONS OF THE DIFFERENT CORTICAL LAMINAE 

 

Lamina  I:  It  consists of interconnecting nerve fibers which connect 

different areas of the cortex. These fibers arise from all other laminae in 

the  cortex.      It  also  contains  fibers  from  the  nonspecific  thalamic 

nuclei. 

Lamina  II:  Contains  pyramidal  cells  which  send  association  fibers  to 

other areas of the cortex on the same side. 


background image

Lamina III: Contains pyramidal cells which send commissural fibers to 

the cortex on the opposite side. 

Lamina IV: Consists of stellate cells which receive input fibers from the 

specific sensory nuclei of the thalamus. These cells are the final sensory 

neurons which are responsible for the conscious perception  of different 

sensations. 

Lamina  V:  Consists  of  pyramidal  cells  whose  axons  descend  as  the 

motor pyramidal tracts. 

Lamina  VI:  Consists  of  pyramidal  cells  whose  axons  form 

corticofugal  fibers  that  project  to  subcortical  structures  (e.g. 

corticothalamic projections).


background image

90 

PHYSIOLOGY 

Dr. Basim Mohamad Awan                                                          Lecture 8  

MOTOR FUNCTIONS OF THE CEREBRAL CORTEX 

All voluntary movements involve the conscious activity of the "motor cerebral 

cortex  of  the  brain.  The  motor  cortex  lies  in  front  of  the  central  sulcus  and 

occupies most of the frontal lobe (fig. 13-1). It is divided into 4 separate areas: 

[I]  THE PRIMARY MOTOR AREA 

[II]  THE PREMOTOR AREA 

[III] THE SUPPLEMENTARY MOTOR AREA 

[IV] THE MOTOR ASSOCIATION AREA 

 

[I] THE PRIMARY MOTOR AREA (Area 4) 

The primary motor area of the cerebral cortex (area 4 in Brodmann classification) 

occupies  the  precentral  gyrus  in  the  frontal  lobe.  The  body  is  topographically 

represented in an inverted and crossed manner (fig. 8-1). The upper part of the 

face  is  bilaterally  represented  and  the  area  of  representation  of  each  part  is 

proportionate to the degree of fine movements in this part, e.g. hands and muscles 

of speech are represented by large areas, whilst the trunk is represented by a small 

area. The primary motor area contains two types of neurons: 

1. Dynamic neurons: Which discharge at high frequency for a short time at the 

beginning of contraction causing the initial development of force? 

2. Static neurons: Which discharge at a much slower frequency but for much 

longer time to maintain contraction for as long as required. 

FUNCTIONS OF THE PRIMARY MOTOR AREA   

1. Initiation of voluntary, fine, discrete (separate) movements of the distal parts of 

the body e.g. hands and fingers. 

2. Facilitation of stretch reflex; i.e. facilitation of skeletal muscle tone and tendon 

jerks. 


background image

91 

 

Figure 8 - 1: The lateral and medial surfaces of the left cerebral hemisphere showing the 

primary motor cortex (M), the pre motor cortex (PM), the motor association area (MA) 

and the supplementary motor area (SM). 

[II] THE PREMOTOR AREA (Areas 6, 8 and 44) 

The  premotor  area  of  the  cerebral  cortex  (mainly  area  6  of  Brodmann 

classification, but it also includes areas 8 and 44) lies immediately anterior to the 

primary  motor  area.  The  topographic  representation  of  the  body  is  nearly  the 

same  as  in  area  4.  The  premotor  area  includes  some  specialized  areas  with 

specific functions (fig. 8-1): 

1.  Broca's area of speech (Word 44): 

  This  area  lies  at  the  upper  border  of  the  lateral  sulcus  in  front  of  the primary 

motor cortex. It stores the motor programs for verbalization. Its damage leads to 

inability to speak whole words except simple ones as "yes" or "no".             

2.  Eye field area (area 8): 

  It  lies  above  Broca's  area.  It  directs  the  eyes  voluntarily  towards  any  desired 

object. It also controls the blinking  movements of the eye  lids. Damage of this 

area leads to locking (fixation) of the eye on objects. 


background image

92 

 

Figure 8-2: Body representation in the primary motor cortex   

 

3.  Head rotation area (part of area 6): 

Lies immediately above area 8 and works in close association with  it. It directs 

the head towards different objects. 

4. Hand skills area (part of area 6): 

Lies  immediately  anterior  to  the  primary  motor  area  for  hands  and  fingers.  It 

stores the motor programs for skilled hand movements; e.g. sharpening a pencil 

or peeling a potato. Damage of this area leads to "motor apraxia"; i.e. inability 

to do skilled hand movements. This area includes the "Exner center" for writing 

skill. 

 

 


background image

93 

FUNCTIONS OF THE PREMOTOR AREA 

1.  Initiation of gross movements that  involve groups of muscles to support and' 

facilitate fine movement, e.g. fix the shoulders and arms at a certain position so 

that the hands and fingers can do skilled movements (e.g. threading a needle). 

2.  Weak inhibition of the stretch reflex. It tends to decrease the skeletal muscle 

tone. 

3. A center for rotation of the head towards objects. 

4.  A center for skilled hand movements. 

5.  A center for verbalization of words (area 44). 

6.  A center for voluntary eye and lid movements (area 8),  

7.  Inhibition of the grasp reflex. 

 
THE MECHANISM OF ACTION OF THE PREMOTOR AREA 
 

The premotor area acts by activating the corresponding nearby motor calls in me 

primary motor area. This occurs in two ways: 

First directly through direct projection fibers to area 4. 

Second indirectly circuits starting from the premotor area to the corpus striatum 

of  the  basal  ganglia,  to  the  thalamus,  then  back  to  terminate  in  area  4  of  the 

cerebral cortex. 

 

[III] THE SUPPLEMENTARY MOTOR AREA 

The supplementary motor area (fig. 8-1) is an extension of area 6  in the medial 

surface  of  the  cerebral  hemisphere.  Accordingly,  it  is  also  called  "the  medial 

area 6". Topographic representation of the body is bilateral and in a horizontal 

position;  head  anteriorly  and  legs  posteriorly.  This  area  is  connected  by 

projection fibers to the premotor and the primary motor areas. 

The supplementary motor area supplements the functions of the premotor area in 

producing  positioning  and  fixation  of  the  different  parts  of  the  body  as  a 


background image

94 

background for finer hand or feet movements; e.g. the coordinated movement of 

the trunk with the hand and feet during boxing. 

This  area  is  involved  in  preparation  for  movements  before  they start.  It  s hows 

electrical  potentials  shortly  before  the  start  of  the  movement  (readiness 

potential) and increase in metabolism and local blood flow on the mere intention 

to move a muscle, 

 

[IV] THE MOTOR ASSOCIATION AREA 

This  area  occupies  the  frontal  lobe  in  front  of  the  premotor  area  (fig.  8-1).  It 

receives  input  signals  from  the  parieto-tempqro-occipital  association  area  and 

projects output' signals to the motor and premotor areas through the caudate and 

putamen circuits. 

 

FUNCTIONS OF THE MOTOR ASSOCIATION AREA 

1.  Setting off goals and aims of movement and then taking the decision to 

start  the  movement.  Once  the  decision  is  taken,  signals  are  sent  to  the  basal 

ganglia (the motor consultant of the cerebral cortex) to activate programs or set 

plans for the movement. The motor plans and programs are then fed to the motor 

and premotor areas. 

2.  Elaboration  of  thoughts;  i.e.  carrying  out  prolonged  thought  processes 

which involve setting of plans and developing new constructive ideas. This is the 

area  of  the  brain  which  is  concerned  with  deep  quiet  thinking  during  rest.    A 

lesion in this area abolishes creativity and planning for the future. 

 

CONNECTIONS OF THE MOTOR CORTEX 

AFFERENT CONNECTIONS 

A.    FROM OTHER CORTICAL AREAS 

• Of the same side: from somatic sensory areas, visual and auditory areas. 

• Of the opposite side: from the contralateral motor cortex to connect 


background image

95 

corresponding points on both sides. 

B. FROM THE THALAMUS 

• The ventrobasal complex (VPL and VPM nuclei); it receives specific sensory 

signals. 

• The intralaminar nuclei; it receives nonspecific signals to arouse the cortex. 

• The ventral and medial nuclei; it receives impulses coming from the 

cerebellum and basal ganglia. 

 

EFFERENT CONNECTIONS 

A. Pyramidal tract fibers to motor nuclei in the brainstem and spinal 

cord. 

B. To the basal ganglia (the caudate and putamen circuits).  

C. To the red nucleus of the midbrain.  

D. To the cerebellum through the middle cerebellar peduncle 

(cortico-ponto-cerebellar fibers). 

E.  To  adjacent  cortical  areas  to  inhibit  any  unwanted  discharge  (lateral 

inhibition).  These  inhibitory  fibers  are  collaterals  from  the  axons  of  the  gi

ant 

Betz cells. This helps to sharpen the outgoing signals.

 

 

 

 


background image

96 

THE MOTER TRACTS 

Dr. Basim Mohamad

 

Alwan 

                                                        Lecture 9 

The motor tracts (also called the descending tracts) are divided into two groups of 

tracts; the pyramidal and the extrapyramidal. 

 

THE PYRAMIDAL TRACTS 

The pyramidal tracts are three tracts of common origin but separate  destinations 

(fig. 9-1). These tracts are: 

1.  The corticonuclear tract; which originates in the cerebral cortex and terminates 

on motor nuclei in the midbrain and pons. 

2.  The corticobulbar tract; which originates in the cerebral cortex and terminates 

on motor nuclei in the pons and medulla. 

3.  The corticospinal tract; which originates in the cerebral cortex  and terminates 

on the motor neurons of the spinal cord. 

 

THE ORIGIN OF THE PYRAMIDAL TRACTS 

The pyramidal tracts originate from: 

1.  The primary motor area: 30% of the fibers. 

2.  The premotor and supplementary motor areas: 30% of the fibers. 

3. The somatic sensory areas: 40% of the fibers. 

The pyramidal tracts arise from lamina V of the cerebral cortex which contains 

the pyramidal cells. There are two types of fibers in the pyramidal tracts: 

a. Thick fibers (16 um in diameter). These arise from the giant  pyramidal cells 

(Betz cells)  found only  in  the primary  motor  area.  They constitute only  3% of the 

total number of fibers. 

b.  Thin  fibers (less than 4  um  in diameter). These arise from small pyramidal 

cells found in different parts of the cortex. They constitute the remaining 97% of 

the fibers. 


background image

97 

 

THE CORTICONUCLEAR TRACT   

ORIGIN: From the eye field area in the frontal lobe (area 8) and the related areas in 

the motor and the somatosensory areas. 

COURSE AND DESTINATION:

 

Fibers descend down through the genu of  the 

internal capsule to the brainstem. They terminate on the nuclei of cranial nerves III, 

IV in the midbrain and VI in the pons on both sides. 

FUNCTIONS 

1.  Voluntary conjugate movements of the eye to look at different objects. 

2.  Facilitate the stretch reflex of the external ocular muscles. 

 

THE CORT1COBULBAR TRACT 

ORIGIN

:

 

From the lower part of the motor and sensory" areas of the cerebral cortex. 

COURSE AND DESTINATION:

 

Fibers descend down through the genu of  the 

internal capsule to the pons and medulla oblongata. They cross to the opposite side 

to terminate on the nuclei of the cranial nerves V, VII, IX, XI and XII. 

FUNCTIONS 

1. Voluntary movement of muscles in the head and neck. 

2. Facilitation of stretch reflex of these muscles 


background image

98 

 

Figure 9 -1: The origin, course, and destinations of the pyramidal tracts. 

 

 


background image

99 

THE CORTICOSPINAL TRACT 

ORIGIN:

 

From the motor, premotor, supplementary motor and somatic sensory 

areas of the cerebral cortex. 

COURSE  AND DESTINATIONS:  Fibers descend in the corona radiata, then 

through the anterior two-thirds of the posterior limb of the internal capsule down 

to  the  brainstem.  In  the  medulla,  fibers  collect  together  to  form  the  medullary 

"pyramid". In the lower medulla, pyramidal fibers take one of three courses: 

 

1.  90%  of  the  fibers  cross  to  the  opposite  side  in  the  motor  decussation  and 

descend  in  the  posterolateral  column  of  the spinal  white  matter  as  the  "lateral 

corticospinal  tract". They  terminate  on  the  ventral  horn  cells  mainly  through 

intemeurons, but some fibers terminate directly on ventral horn cells. 

 

2.  8%  of  the  fibers  descend  directly  in  the  ventral  column  of  the  spinal  white 

matter  of  the  same  side  as  the  "ventral  corticospinal  tract".  They  cross 

gradually  as  they  descend  in  the  cervical  and  upper  thoracic  segments  of  the 

spinal cord to terminate on the ventral horn cells of the opposite side. 

 

3.  2%  of  the  fibers  descend directly  in  the  posterolateral  column  of  the  spinal 

white  matter  as  the  "uncrossed  corticospinal  tract".  They  terminate  on  the 

ventral horn cells of the same side. 

 

FUNCTIONS 

The  crossed  (lateral  and  ventral)  corticospinal  tracts  have  the  following 

functions: 

1.  Production  of  fine  voluntary  movements  of  the  distal  parts  of  the body  e.g. 

fingers and hands. 

2.  Facilitation of lower motor neurons and stretch reflex. 


background image

100 

The uncrossed corticospinal tract has the following functions: 

1.  Provide  bilateral  innervation  of  some  muscles  as  the  respiratory  and  abdominal 

muscles. 

2. Gross positioning movements controlled by the supplementary motor area. 

3.  Help partial recovery of movements after injury of the crossed 

corticospinal tracts. 

 

THE EXTRA PYRAMIDAL SYSTEM 

The extrapyramidal system (fig. 9-2) includes all parts of the nervous system other 

than the pyramidal tracts that contribute to the control of skeletal muscle activity. 

These parts include the basal ganglia, the red nucleus, the reticular formation of the 

brainstem, the vestibular nuclei, and the tectum of the midbrain and the inferior olive 

of the medulla. All these parts send signals down to the spinal motor nuclei in the 

descending extrapyramidal tracts. 

 

THE BASAL GANGLIA 

It receives projection fibers from the motor cortex to corpus striatum and then to globus 

pallidus then to several  nuclei  in  the brainstem. These nuclei  include  the subthalamus, 

substantia nigra, red nucleus,  tectum of  the  midbrain,  reticular  formation,  vestibular 

nucleus and inferior olive. 

 

THE RED NUCLEUS 

It is located in the midbrain and receives projection fibers from the motor cortex (the 

corticorubral tract) and collaterals from the corticospinal tract as it passes through 

the midbrain. It also receives projection fibers from the  globus pallidus of the basal 

ganglia.  All  these  fibers  synapse  in  the  lower  part  of  the  red  nucleus  which 

contains  giant  pyramidal  neurons  similar  to  Betz  cells.  Rubrospinal  tract 

originates from these neurons, cross to the opposite side and descend in the spinal 


background image

101 

cord very closely anterior to the  lateral corticospinal tract. Fibers terminate on the 

ventral horn cells either directly or through interneurons. 

 

FUNCTIONS OF THE RED NUCLEUS 

1. It is a relay station in the corticorubrospinal pathway which acts as an accessory 

pathway for the corticospinal tracts. This pathway can initiate gross movements. 

2. It is inhibitory to the motor neurons and stretch reflex through stimulation  of 

the inhibitory reticular formation of the brainstem.  

 

Lesions of the pyramidal tracts usually involve the corticorubrospinal pathway. If the 

latter  is  spared,  a  good  deal  of  gross  movements  is  retained.  Only  the  fine 

movements of the fingers and hands are considerably impaired. 

 

 


background image

102 

 

Figure 9 - 2: A schematic diagram of the extrapyramidal system.


background image

103 

THE TECTUM OF THE MIDBRAIN 

It  receives  projection  fibers  from  the  globus pallidus  of  the  basal  ganglia,  and 

gives origin to two descending extrapyramidal tracts: 

*  The  lateral  tectospinal  tract:  Originates  from  the  superior  colliculus  (the 

center of visual reflexes), crosses to the opposite side and terminates in the cervical 

segments of the spinal cord. It is concerned with directing the eye and turning the 

head towards a light source (visuospinal reflexes). 

*  The  ventral  tectospinal  tract:  Originates  from  the  inferior  colliculus  (the 

center  of  auditory  reflexes),  crosses  to  the  opposite  side  and  terminates  in  the 

cervical segments of the spinal cord. It is concerned with turning the head to direct 

the ears towards a sound source (audiospinal reflexes). 

 

THE RETICULAR FORMATION OF THE BRAINSTEM 

It  receives  projection  fibers  from  the  globus  pallidus  of  the  basal  ganglia,  and 

gives origin to two descending extrapyramidal tracts: 

*  The  lateral  reticulospinal  tract:      Originates  from  the  inhibitory  reticular 

formation of the medulla. Some fibers cross to the  opposite side, but most fibers 

descend in the same side of the spinal  cord. It inhibits the gamma motor neurons, 

thus inhibiting the stretch reflex and skeletal muscle tone.  

•  The-ventral  reticulospinal  tract:      Originates  from  the  facilitatory  reticular 

formation of the pons. Fibers descend without crossing to terminate on the gamma 

motor neurons of the ipsilateral side of the spinal cord. It facilitates the gamma motor 

neurons, thus facilitating the stretch reflex and the skeletal muscle tone. 

 

THE VESTIBULAR NUCLEUS OF THE MEDULLA 

It  receives  projection  fibers  from  the  globus  pallidus  of  the  basal  ganglia,  and 

gives origin to two descending extrapyramidal tracts; 

• The lateral vestibulospinal tract: Originates from the vestibular 


background image

104 

'nucleus, descends uncrossed to terminate on the alpha and gamma motor neurons.  

 The ventral vestibulospinal tract: Originates from the vestibular 

nucleus, descends on both sides of the spinal cord to terminate on 

the alpha and gamma motor neurons. 

The  vestibulospinal  tracts  facilitate  the  stretch  reflex  and  skeletal  muscle  tone. 

They mediate some postural reflexes 

 

THE INFERIOR OLIVE OF THE MEDULLA 

The inferior olive receives input fibers from the motor cortex, the globus pallidus 

of the basal ganglia and the spinal cord. It sends output fibers to the cerebellum. It 

projects  the  fibers  of  the  olivospinal  tract  which  descend  in  the  spinal  cord  to 

terminate  on  the  ventral  horn  cells  of  the  same  side.  The  olivospinal  tract  is 

facilitatory to the stretch reflex and the skeletal muscle tone.  

The inferior olive works in close association with the cerebellum to correct any 

deviation  of  the  muscle  contraction  from  the  preset  plan  of  movement  (the 

servocomparator function of the cerebellum). 

 

GENERAL FUNCTIONS OF THE EXTRAPYRAMIDAL SYSTEM 

1.  Mediation of gross movements which involve a group of large muscles. 

2.  Provides  a  weaker  alternative  to  the  pyramidal  system  for  mediation  of  some 

discrete movements. 

3.  Mediation  of  fixation  and  positioning  movements  which  accompany  other  fine 

movements. 

4.  Adjustment of the skeletal muscle tone through facilitation or inhibition. 

5.  Adjustment of muscle movements to match preset plans to reach a certain target. 

 

 

 


background image

105 

THE UPPER AND LOWER MOTOR NEURONS 

To  do  a  voluntary  movement,  signals  start  in  the  motor  neurons  of  the  cerebral 

cortex and reach the skeletal muscles through two orders of neurons: 

1.  Upper motor neurons:   

These are the neurons of the pyramidal and extrapyramidal tracts in the CNS. They 

extend  from  the  cerebral  cortex  and  the  extrapyramidal  nuclei  down  to  the  motor 

neuron  pool  of  the  brainstem  and  spinal  cord.  Neurons  of  the  motor  neuron  pool 

themselves are not included in the upper motor neurons. 

 

2.  Lower motor neurons: 

These  are  the  neurons of  the  motor  neuron  pool and their axons which  form  the 

motor nerves to the skeletal muscles. 

 

 


background image

106 

THE BASAL GANGLIA 

Dr. Basim Mohamad Alwan                                                                    Lecture 10 

 

The basal ganglia (fig. 10-1) are sub cortical masses of gray matter found in the cerebral 

hemispheres lateral to the thalamus that includes: 

1. The caudate nucleus. 

2. The lentiform (lenticular) nucleus. This consists of 2 parts: 

      a. An outer part called the putamen.  

      b. An inner part called the globus pallidus , which further divided into external 

and internal segments. 

Both caudate nucleus and putamen are called the corpus striatum (striate body or 

striatum). 

3. The subthalamic nucleus (subthalamus or body of LUYS). 

4. The substantia nigra in the midbrain.   

The  afferent  connections  to  the  basal  ganglia  terminate  mainly  in  the  corpus 

striatum, whilst the efferent connections originate mainly from the globus pallidas. 

 

 

 

Figure 10-1 Transverse section in the cerebrum showing the basal ganglia 


background image

107 

NEURAL  CONNECTIONS  OF  THE BASAL  GANGLIA 

There  are  numerous  free  interconnections  between  various  nuclei  of  the  basal 

ganglia. This is in addition to the connections with the cerebral cortex, thalamus 

and brainstem. 

 

CONNECTIONS WITH THE CEREBRAL CORTEX 

The basal ganglia are connected to the cerebral cortex through two main circuits, 

the caudate and putamen circuits. 

 

THE CAUDATE CIRCUIT 

The  caudate  circuit  (fig.10-2)  starts  at  the  motor  association  and  sensory 

association areas of the cerebral cortex → to the caudate nucleus →  the globus 

pallidas → ventrolateral (VL) nucleus of the thalamus  → premotor and primary 

motor areas of the cortex. 

 

Figure 10-2: The caudate circuit 

 


background image

108 

THE PUTAMEN CIRCUlT 

The  putamen  circuit  (fig.10-3)  starts  at  the  motor  association  and  sensory 

association  areas  →  to  the  putamen  →  the  globus pallidus  →  the  ventrolateral 

(VL) nucleus of the thalamus → premotor and primary motor areas of the cortex. 

There  are  other  circuits  which  are  closely  associated  with  the  putamen  circuit. 

They connect the basal to the subthalamus, substantia nigra: 

  (a) Putamen → globus pallidus → subthalamus → thalamus → motor cortex. 

  (b) Putamen → globus pallidus → substantia nigra→thalamus→ motor cortex 

 

Figure 10- 3: The putamen circuit. 

 

Through  these  circuits  the  basal  ganglia  receive  thoughts  and  ideas  from  the 

cerebral cortex and feedback plans and programs for motor actions to the  motor 

and premotor areas. 

CONNECTIONS WITH THE BRAINSTEM 

The basal ganglia are connected with some centers in the brainstem, from which 


background image

109 

fibers descend in the extrapyramidal tracts down to the spinal cord. Fibers project 

from the globus pallidas to: 

1. The reticular formation, from which the reticulospinal tracts originate. 

2.    The red nucleus, from which the rubrospinal tract originates. 

3. The vestibular nucleus, from which the vestibulospinal tracts originate. 

4.    The inferior olive, from which the olivospinal tract originates. 

This is in addition to fibers to the subthalamic, substantia nigra, and tectum.  

 

 

NEUROTRANSMITTERS IN THE BASAL GANGLIA 

•  Fibers from the cerebral cortex to the corpus striatum release 

glutamate, Intrastriatal intemeurons release acetylcholine when 

stimulated by glutamate. 

• Fibers from the substantia nigra to the corpus striatum release dopamine. 

•  Fibers  from  the  corpus  striatum  to  the  globus  pallidus  and  substantia  nigra 

release gamma-aminobutyric acid (GABA). 

•  Fibers  from  the  brainstem  to  the  basal  ganglia  release  noradrenaline, 

serotonin and enkephalin. 

Glutamate,  acetylcholine  and  noradrenaline  are  excitatory  transmitters  to  the 

basal ganglia, whilst dopamine, GABA, serotonin and enkephalin are inhibitory. 

A delicate balance between the excitatory  and inhibitory transmitters is essential 

for proper functioning of the basal ganglia.  

 

METABOLIC CHARACTERISTICS OF THE BASAL GANGLIA 

The basal ganglia are characterized metabolically by the following: 

1. High metabolic rate, with high rate of O

2

 consumption. They suffer rapidly 

from hypoxia or ischemia. 

2. High ability to concentrate copper. Excess copper in the plasma is bound to a 


background image

110 

protein made in the liver called ceruloplasmin until it is excreted in bile. 

  In  Wilson  disease, there is failure, of ceraloplasmin formation and  inability to 

excrete  copper  in  bile.  Serum  copper  level  rises  which  leads  to  copper 

intoxication. Large amounts of copper accumulate in the cells of the liver and the 

lentiform  nucleus  of  the  basal  ganglia  which  lead  finally  to  hepatolenticular 

degeneration. 

 

FUNCTIONS OF THE BASAL GANGLIA 

The functions of basal ganglia are purely  motor. In lower animals and birds in 

which the cerebral cortex is poorly developed, the basal ganglia act as the primary 

motor cortex. In humans, they play an  important role  in controlling  the  muscle 

tone and voluntary movements'. 

 

[A] ROLE IN CONTROLLING THE MUSCLE TONE 

The caudate nucleus stimulates muscle tone through stimulation of the vestibular 

nucleus and inferior olive. 

The lentiform nucleus inhibits the muscle tone through inhibition of the primary 

motor cortex and stimulation of the inhibitory reticular formation and red nucleus 

of the brainstem. 

The inhibitory influence of the basal ganglia on the muscle tone is stronger than 

the stimulatory influence. 

 

[B] ROLE IN CONTROLLING VOLUNTARY MOVEMENT 

Planning and programming of movements start in the basal ganglia. Neurons of 

the basal ganglia discharge before the movement begins. The basal ganglia works 

in collaboration with the cerebral cortex through the caudate and putamen circuits 

to produce a coordinated, organized and purposeful movement. 

 


background image

111 

ROLE OF THE CAUDATE CIRCUIT 

1.  Design of plans which convert thoughts and ideas into motor actions: The 

caudate circuit directs the motor activity according to the thoughts of mind;  i.e. 

converts  thoughts  into  motor plans.  It  determines  what  patterns  of  movements 

will be used and in what sequence to achieve a complex goal; e.g. when dressing, 

one puts on the shirt then the necktie before the jacket.  

2.  Determining  the  timing  and  scale  of  movement;  The  basal  ganglia 

determine: 

(a)  To what extent the movement will be fast. 

(b)  For how long the movement will last. 

 

Damage of the caudate circuit leads to: 

• Inability to organize movements to achieve a complex goal; e.g. one wears the 

necktie before the shirt. 

•  Inability to write or draw figures with a fixed scale; e.g. if a patient 

with a lesion in the left caudate circuit draws a face of a human 

being, he draws the left side of the face (which is in the right field of 

vision) to a much smaller scale than the right side (fig. 10-4). 

•  Excluding the contralateral side of the body from any motor plans. 

The patient avoids using the contralateral side of his body and ignores it as if it 

does not exist. 

E.g. when the patient walks he swings the arm of the healthy side 

but not that of the ignored side. 


background image

112 

 

Figure 10 - 4: A typical drawing made' by patient with a lesion in the left 

basal ganglia or the left parietal lobe of the cerebral cortex.

 

 

  ROLE OF THE FUTAMEN CIRCUIT 

Storage of motor programs of familiar motor actions:  e.g. writing 

one's name or signature, lighting a candle or a kerosene lamp. 

 

Damage of this circuit leads to motor apraxia ; i.e. loss of ability to 

carry out familiar movements in the absence, of muscle paralysis. E.g., 

one finds difficulty to write as if he is learning to write for the first time. 

 

MANIFESTATIONS OF LESIONS IN THE BASAL GANGLIA 

Lesions in the basal ganglia produce two characteristic features which appear on 

the contralateral side of the lesion: 

1.  Involuntary  movements  during  rest.  These  movements  are  in  the  form of 

chorea, athetosis, hcmiballismus or static tremor. The movements disappear during 


background image

113 

sleep but increase with nervous excitement. 

2. Change in muscle tone; either hyper or hypotonia. 

 

(A) CHOREA     (Gr.: choreia means dance) 

  CAUSE: Lesion in the caudate nucleus. 

FEATURES: 

• Involuntary, rapid, purposeless "dancing" movements during rest. They might 

be superimposed on voluntary movements leading to their disruption. 

•  Hypotonia (caudate nucleus is normally facilitatory to the stretch reflex).  

•  Chorea is accompanied by loss of the caudate circuit functions (see above). 

TYPES OF CHOREA 

1.  Sydenham  chorea:  Which  occurs  in  young  children  (5-15  years)  as  a 

complication of rheumatic fever? It is more common in females than in males. 

2.  Huntington chorea: Which is a hereditary disease that appears usually at the 

fourth decade of life? It is accompanied with, dementia and block of much of the 

thinking processes. 

3,  Chorea  gravidarum:  which  occurs  during  pregnancy  and  chorea  of  the 

contraceptive pills? 

 

(B) ATHETOSIS (Gr.: athetos means not fixed)   

CAUSE: Lesion in the putamen. 

FEATURES: 

  Involuntary, spasmodic, slow, writhing (snake-like) movements of one or 

more  limbs,  particularly  the  hands.  It  is  also  called  "mobile  spasm" 

because the limbs cannot be kept at a fixed position. 

      •  Hypertonia (putamen is normally inhibitory to the stretch reflex).  

      • Athetosis is associated with loss of putamen circuit functions. 

 


background image

114 

(C) HEMIBALL1SMUS (Gr.: ballismus means jumping) 

CAUSE: Lesion in the subthalamus. 

FEATURES: 

• 

Sudden, involuntary, strong, spasmodic movements that involve 

one limb or a whole one side of the body. It might occur in one 

leg during walking leading to stumbling of the body. 

 

(D) PARKINSONISM (Parkinson disease, or Paralysis agitans)   

 

CAUSE:  Lesion  in  the  substantia  nigra  leading  to  degeneration  of  the 

dopaminergic neurons that project to the corpus striatum. 

Normally, there is a steady loss of dopaminergic neurons and receptors with age. 

This process is accelerated by atherosclerosis  or  phenothiazine  tranquilizers 

which  block  dopamine  receptors.  In  this  case,  an  imbalance  occurs  between 

dopamine (from the nigral projection fibers) and acetylcholine (from the cortical 

projection fibers) in the corpus striatum.  

 

FEATURES: 

Three features characterize parkinsonism; tremor, rigidity and akinesia. 

1. TREMOR 

Tremor is an involuntary, rhythmic, oscillating movement due to rhythmic short 

contractions of muscles. The tremor of Parkinsonism occurs at a frequency of 4-8 

Hz. At the hands, it usually takes the form of pill-rolling movement. The tremor 

might occur in the muscles of mastication leading to an up and down movement 

of  the  mandible  (mandibular  tremor).  The  tremor  occurs  in  the  waking  time 

during  rest.  It  markedly  diminishes  or  disappears during  voluntary  movement. 

That is why it is called a "static tremor". It disappears also during sleep. 

The  parkinsonian  tremor  is  caused by  activation  of  negative  feedback  circuits 


background image

115 

between the basal ganglia and the motor cortex  → rapid on-off inhibition of the 

motor cortex → alternating activation inactivation of the muscles → tremor. 

 

2. RIGIDITY 

Parkinsonian rigidity occurs in both flexor and extensor muscles but is more in the 

flexors leading to a flexor attitude of the patient (fig. 10-5). When bending a limb 

of  a  parkinsonian  patient,  the  muscle  rigidity  resists  the  bending  all  the  way 

during bending, making the limb appearing as a pipe of lead (lead pipe rigidity), 

or  it  may  give  a  series  of  "catches" or  "clicks' during  the  bending  (cog-wheel 

rigidity). 

Parkinsonian rigidity is caused by: 

(a)  Facilitation  of  the  gamma  motor  neurons  due  to  lo

SS 

of  the  supraspinal 

inhibitory effect of the lentiform nucleus. 

(b)  Facilitation of the alpha motor neurons due to lack of dopamine. The caudate 

nucleus  becomes  hyperactive.  It  sends  facilitatory  discharge  via  the 

extrapyramidal tracts down to the alpha motor neurons of the motor neuron pool. 

 

Figure 10-5: The change in posture in case of Parkinsonism. 

 


background image

116 

3. AKINESIA 

Akinesia means lack of movement. Each movement is carried out as a "sequence" 

of phases of excitation and inhibition. Due to lack of dopamine, the basal ganglia 

is "locked" at a state of excitation. So, it cannot make a plan or activate a program 

of a movement. The patient avoids voluntary movements because he finds great 

difficulty  in  initiating  this  movement  due  to  the  absence  of  the  planning  and 

programming function of the basal ganglia.  

Parkinsonian akinesia is manifested by: 

(a)  Lack of  voluntary  movement  due  to difficulty to initiate this movement.  

The  patient  appears  as  if  he  is  paralyzed  although  he  is  not.  That  is  why 

Parkinson disease is also called "paralysis agitans". 

(b)  Refraining  from  habitual  movements,  e.g.  rolling  of  beads,  or 

manipulating one's hairs during reading. 

(c)  Absence of associating habitual movements, e.g. swinging of arms during 

walking. 

(d)  Mask face;    due to lack of movement of facial muscles of expression, 

(e)  Slow, monotonous, low-volume speech. 

(f) The gait (the way of walking) is shuffling; the patient walks in short steps 

without lifting his feet off the ground. 

 

TREATMENT OF PARKINSONISM 

Medical:  As  Parkinsonism  is  caused  by  an  imbalance  between  dopamine  and 

acetylcholine  in  the basal ganglia,  it  is treated by either reducing acetylcholine 

activity  or  increasing  dopaminergic  activity.  Reducing  Ach  activity  is  done  by 

giving  atropine  (a  muscarinic  cholinergic  blocker).  Increasing  dopaminergic 

activity  is  done  by  giving  L-dopa.  L-dopa  is  preferred  over dopamine  because 

L-dopa crosses the blood-brain barrier much easier. 

 


background image

117 

Surgical:  Destruction  of  the  ventrolateral  nuclei  of  the  thalamus  by 

electrocoagulation  disrupts  the  feedback  circuits  between  the  basal  ganglia  and 

the motor cortex. This abolishes the tremor. 

 

 

 


background image

118 

Dr. Basim Mohamad Alwan                                                  Lecture 11 

THE CEREBELLUM 

The  cerebellum  receives  direct  or  indirect  input  signals  from  all  the 

sensory pathways. This sensory information does not reach conscious 

perception.  The  cerebellum  functions  as  a  special  kind  of  computer 

which  automatically  integrates  the  sensory  inputs  to  provide  rapid  

responses of smooth coordinated motor actions. 

 

FUNCTIONAL ANATOMY 

 

Cerebellum  (fig.  11-1,  11-2)  consists  of  a  midline  structure  called  the  vermis

two  cerebellar  hemispheres  on  both  sides,  and  a  separate  lobe  called  the 

flocculonodular lobe on the inferior surface. 

Three pairs of cerebellar peduncles connect the cerebellum with the brainstem. 

The  superior  cerebellar  peduncle  (SCP)  connects  the  cerebellum  with  "the 

midbrain,  the  middle  peduncle  (MCP)  with  the  pons  and  the  inferior  peduncle 

(ICP) with the medulla. 

 

PHYSIOLOGICAL DIVISIONS OF THE CEREBELLUM 

 

Physiologically,  the  cerebellum  is  divided  into  three  functional  divisions  (fig. 

16-1): 

1. THE ARCHICEREBELLUM (vestibulocerebellum); is the oldest part of the 

cerebellum.  It  consists  of  the  flocculonodular  lobe.  It  is  connected  to  the 

vestibular apparatus through the vestibular nuclei in the medulla. It is concerned 

with maintenance of equilibrium.  


background image

119 

 

Figure 11 - 1: The anatomical (right) and functional (left) divisions of the 

cerebellum. 

 

2. THE PALEOCEREBELLUM (spinocerebellum); which consists of the vermis and 

the  medial paravermal parts of  the cerebellar  hemispheres.  It  receives signals  from 

the peripheral proprioceptors. It is concerned with the control of muscle tone and 

gross movement

 

3.  THE  NEOCEREBELLUM  (cerebrocerebellum  or  the  pontocerebelium);  which 

consists of  the  lateral  parts  of  the  cerebellar  hemispheres.  It  is connected  to  the 

cerebral cortex. It is concerned with the control of skilled voluntary  movements 

initiated by the cerebral cortex. 

All these three divisions are interconnected by interneurons. 


background image

120 

 

Fig. 11-2 Functional parts of the cerebellum 

 

THE STRUCTURE OF THE CEREBELLUM 

A section  in  the cerebellum  shows an outer  layer of  gray  matter  which  forms  the 

cerebellar cortex and an inner core of cerebellar white matter. The cerebellar cortex 

is made up of three layers (fig. 11-3): 

1.  An outer molecular layer containing mainly interconnecting fibers. 

2.  An intermediate Purkinje cell layer containing mainly the giant Purkinje 

cells. 

3.  An inner granule cell layer containing mainly granule cells. 

The cortices of the various parts of the cerebellum are freely  interconnected by 

interneurons. 

The deep white matter contains four cerebellar nuclei (fig. 11-6). 


background image

121 

 

Figure 16-3:        Cellular layers of the cerebellum. The climbing and Mossy 

fibers 

 

AFFERENT FIBERS TO THE CEREBELLUM 

 

All the afferent fibers to the cerebellum are one of two types (fig. 11-3): 

(A)  CLIMBING  FIBERS:  Which originate  from  the  inferior  olive.  They  enter 

the cerebellum, give off collaterals to the nuclear  cells and proceed to terminate 

on the dendritic branches of the Purkinje cells in the molecular layer of the cortex. 

 

(B)  MOSSY FIBERS: Which originate from all parts of the CNS including me 

inferior olive. They give off collaterals to the nuclear cells and terminate on the 

granule cells of the cerebellar cortex. The granule cells then relay on the dendritic 

branches of the Purkinje cells in the molecular layer of the cortex. 


background image

122 

 

All the afferent fibers to the cerebellum terminate  in the cortex. All parts of the 

cerebellar cortex send inhibitory projection fibers from the Purkinje cells to the 

deep  nuclear  cells.  These  fibers  are  the  only  projection  fibers  from  the  cortex. 

Some parts of the cortex of the flocculonodular lobe send direct projection fibers 

to the vestibular nucleus in the medulla oblongata. In this respect, the vestibular 

nucleus functions as a cerebellar nucleus. 

The efferent  fibers from the cerebellum are the axons of the nuclear cells. The 

nuclear  cells  receive  continuous  excitatory  input  from  the  mossy  fibers  and 

inhibitory  input  from  the  Purkinje  cells.  The  net  effect  is  moderate  continuous 

facilitation  leading to continuous tonic facilitatory discharge from deep nuclear 

cells  during  rest.  Stimulation  of  nuclear  cells 

  excitatory  output  signal  (i.e. 

increase in the frequency of discharge in the efferent fibers). Inhibition of nuclear 

cells 

 inhibitory output signal 

 (i.e. decrease in the frequency of discharge in 

the efferent fibers). 

 

CEREBELLAR CONNECTIONS 

AFFERENT CONNECTIONS (fig. 11 - 3) 

[I] FROM THE BRAIN 

 

1.  TECTO-CEREBELLAR  FIBERS:  They  originate  from  the  superior  and  inferior 

colliculi  in  the  tectum of  the  midbrain 

 Sup. cer. ped. 

 different parts of the 

ipsilateral cerebellum. 

 

2.  CORTICO PONTO CEREBELLAR FIBERS: They originate from the premotor area 

of  the  cerebral  cortex 

  pontine  relay  nuclei 

  Mid.  cer.  ped. 

  contralateral 

cerebrocerebellum.  They  transmit  signals  from  the  cortex  giving  an  "efference 

copy" of the plan of the intended movement.  


background image

123 

3.  OLIVO CEREBELLAR FIBERS: They originate in the inferior olive 

 inf. cer. 

ped. 

  all  parts  of  the  ipsilateral  cerebellum.  Inferior  olive  receives  fibers  from  the 

motor  cortex,  basal  ganglia,  reticular  formation  and  spinal  cord.  The  inferior  olive 

compares the signals from the brain with those from the spinal cord and feed the result to 

the cerebellum. 

 

4.  VESTIRULO CEREBELLAR FIBERS: They originate from the vestibular nucleus 

 

inf. cer. ped. 

 the ipsilateral vestibule cerebellum. They 

transmit signals about body posture and equilibrium. 

 

5. RETICULO CEREBELLAR FIBERS: They originate from the 

reticular formation 

 mid. and inf. cer. ped. 

 the ipsilateral 

spinocerebellum. They transmit signals of various sensations. 


background image

124 

 

Figure 11-4: The afferent cerebellar connections. 

 

[II]FROM THE PERIPHERY 

The  cerebellum  receives  input  signals  from  all  sensations.  Most  of  the sensory 

input  comes  through  collaterals  from  the  sensory  pathways  to  the  sensory 

reticular formation and from there on to the cerebellum via the reticulocerebellar 

fibers. 

Proprioceptive  informations  are  continuously  carried  to  the  cerebellum  via  the 

dorsal and ventral spinocerebellar pathways. 

 

1. THE DORSAL SPINOCEREBELLAR PATHWAY 

This pathway (fig. 11-5) consists of two orders of neurons. 


background image

125 

FIRST ORDER NEURONS: are the dorsal root neurons. Their afferent type-II 

fibers enter the spinal cord in the dorsal root 

 terminate in the Clarke nucleus 

(lamina VI of the spinal gray matter). 

SECOND ORDER NEURONS:

 

are those of Clarke nucleus at the base of the 

dorsal horn. Their fibers ascend in the same side up in the posterolateral column 

of the spinal white matter as the dorsal spinocerebellar tract up to the medulla 

oblongata.    In the medulla fibers pass through the inferior cerebellar peduncle to 

terminate in the cortex of the spinocerebellum.  

 

Figure 11 - 5: The dorsal spinocerebellar pathway. 

 

FUNCTIONS: It transmits static and dynamic proprioceptive signals from the 

muscles, tendons and ligaments to the cerebellum. 

 


background image

126 

2. THE VENTRAL SPINOCEREBELLAR PATHWAY 

The ventral spinocerebellar pathway (fig. 11-5) consists of two orders of neurons.   

FIRST ORDER NEURONS: are the dorsal root neurons. Their afferent type-II 

fibers enter the spinal cord in the dorsal root and then terminate in lamina VII of 

the spinal gray matter. 

SECOND  ORDER NEURONS:  are  neurons of  lamina  VII  of  the spinal  gray 

matter. Some of the fibers cross to the opposite side, the others ascend in the same 

side  up  in  the  anterolateral  column  of  the  spinal  white  matter  as  the  ventral 

spinocerebellar  tracts  up  to  the  midbrain.  In  the  midbrain,  fibers of  the  ventral 

spinocerebellar  tracts of both  sides  turn  to pass  through  the superior  cerebellar 

peduncle to terminate in the cortex of the spinocerebellum. 

 

Figure 11- 6: The ventral spinocerebellar pathway. 

 

 

 


background image

127 

FUNCTIONS

:

 

Neurons  of  the  ventral  spinocerebellar  tract  are  stimulated  by 

signals  reaching  the  ventral  horn  cells of  the spinal  cord  in  the  motor  tracts.  It 

informs the cerebellum about the motor signals reaching the  ventral horn cells. 

So, it gives the cerebellum an "afference copy" of the final motor orders which 

will  be  executed.  The pathway  also  conducts  some  proprioceptive  information 

from the periphery to the cerebellum. But in that respect it is less important than 

the dorsal pathway. 

 

EFFERENT CONNECTIONS (fig. 11-6) 

All the efferent (output) fibers from the cerebellum arise from the deep cerebellar 

nuclei. They are axons of the deep nuclear cells. 

 

[I] FROM THE ARCHICEREBELLUM 

Fibers originate  in  the  fastigial  nucleus  in  the  flocculonodular  lobe 

  inf.  cer. 

ped. 

  vestibular  nucleus.  Some  fibers  arise  from  the  cortex  of  the 

flocculonodular  lobe  and  project  directly  to  the  vestibular  nucleus.  Others 

originate  in  the  fastigial  nucleus  and  descend  to  the  spinal  cord  (fastigiospinal 

tract). 

 

[II] FROM THE PALEOCEREBELLUM 

  Fibers originate in two nuclei: 

1.  Fastigial nucleus in "the vermis.

 inf. cer. ped. 

 reticular formation. 

2.  Nucleus interpositus in the paravermal portion: 

• 

 Sup. Cer. Ped. 

    ventral thalamic nuclei -» motor cortex 

• 

    Sup. Cer. Ped. 

    medial thalamic nuclei -» basal ganglia. 

• 

 - Sup. Cer. Ped. 

    red nucleus. 

•   

    Sup. Cer. ped. 

    culomotor nucleus 

•   

    Inf. Cer. Ped. 

    vestibular nucleus. 


background image

128 

 

 

Figure 11 - 7: The efferent cerebellar connections 

 

[II] FROM THE NEOCEREBELLUM   

 

Fibers originate in the dentate nucleus in the cerebellar hemisphere 

 sup. cer. ped. 

then  cross  to  the  opposite  side  in  the  brainstem 

  ventrolateral  nucleus  of  the 

thalamus 

 cerebral sensorimotor cortex. 

The cerebellum  is connected to the cerebral cortex by afferent and  efferent fibers. 

These form a neuronal circuit that start and end in the cerebral cortex. This circuit is 

called the cortieo ponto cerebello dentate thalamo cortical circuit. 

 

 


background image

129 

Physiology 

FUNCTIONS OF THE CEREBELLUM 

Dr. Basim Mohamad Alwan                                           Lecture 12 

 

[1] CONTROL OF POSTURE AND EQUILIBRIUM 

This  is  mainly  the  function  of  the  archicerebellum  and  some  portions  of  the 

vermis.  The  cerebellum  plays  a  minor  role  in  maintaining  posture  through  a 

servocomparator function. It compares signals from the vestibular apparatus (i.e. 

the nonauditory labyrinth) with proprioceptive signals from different parts of the 

body then sends corrective signals to adjust muscle tone to maintain posture. The 

same mechanism occurs to maintain equilibrium during slow movement.  

The  cerebellum  plays  a  major  role  in  maintaining  equilibrium  during  rapid 

motions  and  motions  with  rapidly  changing  direction  through  a  predictive 

function. In this case the cerebellum doesn't wait for proprioceptive signals from 

the  body  as  they  might  be  too  late.    Instead,  it  uses  the proprioceptive  signals 

from  the  vestibular  apparatus  and  the  periphery  to  compute  the  speed  and 

direction of the present movement, then, it predicts the direction and speed of the 

coming movement and responds to correct any disturbance in equilibrium during 

this movement. 

 

[II]CONTROL OF MUSCLE TONE 

The  neocerebellum  and  paleocerebellum  facilitate  the  muscle  tone,  whilst  the 

archicerebellum  inhibits it. During rest, the fac ilitatory  influence predominates. 

Although  the  facilitatory  output  originate  from  the  cerebrocerebllum  and 

spinocerebellum,  the  spinocerebeilum  is  the  main  part  of  the  cerebellum 

concerned with controlling the muscle    tone through increasing or decreasing the 

facilitatory output. 


background image

130 

THE CEREBELLAR  STRETCH  REFLEX: This reflex operates when a contracting 

muscle meets an unexpected load. Signals from muscle  spindles are transmitted 

to  the  spinocerehellum  via  the  spinocerebellar  tracts.  The  spinocerebellum 

responds by output signals to the alpha and gamma motor neurons of the spinal 

cord  to  increase  the  muscle  tone  to  the  appropriate  required  level  (the  load 

reflex)

 

  [III] CONTROL OF VOLUNTARY MOVEMENT 

The  cerebrocerebellum  influences  voluntary  movement  through  the 

following functions: 

1.  PLANNING: The cerebrocerebellum receives input signals from the premotor 

cortex and inferior olive before the start of movement to  give the cerebellum an 

"efferenee  copy"  of  the  motor  plan.  This  informs  the  cerebellum  about  the 

"intention

"

 to do a movement. 

Through connections with the motor cortex the cerebellum "monitors" the flow 

of  signals  from  the  motor  cortex  and  corrects  any  deviation  from  the  planned 

sequential order. 

2.  TIMING  OF  MOVEMENT:  The;  cerebellum  determines  the  start  and 

termination of each of the sequential movement which form a complex movement. 

Without  this  function,  the  person  becomes  unable  to  determine  when  the  next 

movement  should  begin.  The  succeeding  movement  begins  too  early  or,  more 

likely, too late leading to decomposition of movement. 

3. JOINING OF MOVEMENT:    The dentate nucleus shows the "activity pattern 

of the next movement at the same time the present movement is occurring.    The 

cerebrocerebellum  is not concerned  with  what  is happening at a  given moment 

but  with  what  will  happen  at  the  next.  This  leads  to  rapid  succession  of  the 

sequential movements' one after the other to produce a smooth, joined complex 

movement. 


background image

131 

4. SERVOCOMPARATOR (force regulator):  

The cerebellum (fig. 12-1) receives input signals from: 

(i)The  premotor cortex  and  inferior olive,  before  the start  of  movement.  An 

"efference  copy"  of  the  plan  of  movement  informs  the.  cerebellum  of  the 

"intention" to make a movement.   

 

Figure 12-1: The servocomparator function of the cerebellum 

 

  (ii) The spinocerebellar tracts, during the movement. An "afference copy" of 

the  signals  reaching  the  ventral  horn  cells  and  proprioceptive  signals  from  the 

moving muscles and joints  inform the cerebellum about the  "performance" of 

the movement. 

The spinocerebellum then compares the  afference with the efference copy; i.e. 

the performance with the  intention. If there  is any error in the performance, the 

cerebellum sends correction signals via the descending motor tracts to adjust the 

movement to match the intention. 

5. DAMPING OF MOVEMENT: 

Damping of  movement  means  ending of  movement  abruptly  without  oscillation. 

The cerebellum acts as a "break" which terminates the movements exactly at the 

right time when the desired movement is completed. This is achieved through the 

inhibitory output signals  from  the  nuclear cells  which occurs  in  response  to  input 


background image

132 

signals in the climbing and mossy fibers. 

The absence of this function leads to overshooting of movements and when the 

motor  cortex  corrects  the  overshooting,  the  correction  overshoots  again.  This 

process of "correction of the overshooting and overshooting of the correction" is 

repeated several times before the  movement reaches its target.      In this way, a 

hand or a finger oscillates back and forth past its target before it finally settles on 

it. This feature is called "intention tremor" or "kinetic tremor". 

 

6. PREDICTTVE FUNCTION: 

  As  the cerebellum  receives sensory  input  from all sensory organs, it  is  informed 

about the rate and direction of movement. The cerebellum uses this information 

to  compute  and  change  the  rate  and  direction  of  movement  to  reach  a  certain 

target at a certain time; e.g. the thrust of a goal-keeper to catch a kicked football, 

or  the  thrust  of  a  tennis  player  to  meet  a  coming  ball  with  his  racket.  In  these 

cases, visual signals inform the cerebellum about the speed and direction of the 

ball movement. Proprioceptive signals inform the cerebellum about the speed and 

direction of body movement. The cerebellum adjusts the movement of the body 

to meet the ball at a certain time in a certain location. 

When a person runs towards a wall, this function enables him to stop just before   

the wall without hitting it. 

 

7. 

INITIATION AND TERMINATION OF BALLISTIC MOVEMENT: 

A  ballistic  movement  is  a  short  movement  whose  direction  and  speed  is 

determined by the initial thrust; e.g. movements of the finger of a typist during typing. 

After  starting  a  ballistic  movement,  its direction  and speed  cannot  be changed. 

The rapidity and shortness of movement do not allow the cerebellum to carry out 

its  servocomparator  adjustive  function.  The  role  of  the  cerebellum  here  is  to 

potentiate the starting of the movement to allow a rapid onset and to terminate the 


background image

133 

movement abruptly without overshooting. 

Potentiation of the starting is achieved by the initial excitatory output signals of 

the  mossy  fiber  circuit.  The  abrupt  termination  is  achieved  by  the  inhibitory 

output signals which follow the excitatory signals. 

 

THE CEREBELLAR SYNDROME 

The cerebellar syndrome results from  lesions that  involve the cerebellar nuclei. 

Removal of large parts of the cerebellar cortex without  injuring the deep nuclei 

leaves  little long term effects. That is why neurosurgeons take great care not to 

injure the cerebellar nuclei during operations on the cerebellum.  

The  effects  of  the  cerebellar  syndrome  appear  on  the  same  side  of  the  lesion. 

They include three main features; i.e. asthenia, atonia, ataxia (AAA).  

1.  ASTHENIA:  Asthenia  means  lack  of  strength.  The  patient  feels  muscle 

weakness cue to me difficulty  in  initiating and maintaining muscle contraction. 

Asthenia  appears  because  the  function  of  the  cerebellum  in  potentiating  motor 

signals is lost.   

2. ATONIA (or hypotonia): Atonia means lack of muscle tone. This occurs due 

to loss of the facilitatory effect of the dentate and interpositus nuclei. Atonia  is 

manifested by the flaccid feel of the muscles and pendular knee jerk. 

 

3. ATAXIA:    Ataxia means in coordination of voluntary movements. Cerebellar 

ataxia is manifested by: 

(a) 

Dysmetria: It means inability to adjust a motor act for a certain distance. The 

movement  usually  overshoots  the  target  (past  pointing  or  hypermetria),  or 

sometimes stops short of the target (hypometria). Dysmetria is caused by failure 

of the timing and damping functions of the cerebellum

(b)  Kinetic tremor (intention tremor): This is an oscillatory movement which 

occurs on doing a voluntary movement. The tremor is absent during rest. 


background image

134 

The cerebellar kinetic tremor results from a series of "correction of overshooting 

and overshooting of the correction". This disability is tested by  the finger to-nose 

test (fig. 12-3). 

 

Figure 12 - 3:    Finger to nose test in a normal person (A) and in a person with 

cerebellar syndrome (B). 

 

(c)    Adiadokokinesia:  This  means  the  inability  to  do  rapid  alternating 

movements; e.g. pronation and. supination of the hand (fig. 12-4).      This is due to 

failure of the predictive and joining functions of the cerebellum. 

 

 

Figure 1 2 -4 : Adiadokokinesia. 

 

(d)  Decomposition of  movement:  Movements which  involve more than one 

joint are broken up to their component simple movements. 

(e) Dysarthria: this means difficulty in producing clear, normal speech. The lack 

of predictive and joining functions leads to in coordination of the buccal, laryngeal and 


background image

135 

respiratory movements. This results in jumbled speech in which some syllables are too 

long,  others are  too short. The  volume  of sound  is poorly controlled;  it  oscillates 

between loud and faint. Sometimes, speech becomes scanning or staccato speech, 

where  speech  is cut off  into short syllables  separated by  regular  intervals,  e.g.  I 

re-cei-ved an in-vi-ta-tion. 

(f) Rebounding: This is manifested by an overshooting of a limb when 

a  resistance  to  its  movement  is  suddenly  withdrawn.  This  disability  is 

tested by the "arm flexion test" (fig 12-5) 

 

Figure 12 - 5: The arm flexion test

.

 

 

(g)  Nystagmus:  T h is   is  an  oscillatory  movement  of  the  eye.  Cerebellar 

nystagmus  appears  on  lateral  gazing.  It  results  from  lesions  in  the 

archicerebellum. 

(h) Staggering gait: The patient walks on a wide base in a drunken, swaying or 

zigzag manner and tends to fall on the diseased side. This is a manifestation of a 

lesion in the archicerebellum. 


background image

136 

PHYSIOLOGY 

Dr. Basim Mohamad Alwan                                                          Lecture 13 

 

REFLEXES 

 
REFLEX ARC 
 

  It is the  basic unit  of the  integrated neural  activity. 

  It  consists  of  sense  organ,  an  afferent  neuron,  one  or  more  synapses,  and  an 

efferent  neuron. 

  The  simplest  reflex  arc  is  the  one  with  a  single  synapse  between  the  afferent 

and the  efferent  neurons  such  as the  "monosynaptic".  

  Those more than  one  interneuron  are the "polysynaptic".  

  The number  of the synapses  in the  arcs varying  from 2 to many  thousands. 

  

 

 

 

Fig. 13-1 Spinal cord segment and vertebral canal 


background image

137 

 
 
ORGANIZATION  OF THE SPINAL CORD FOR MOTOR FUNCTIONS (fig. 14-2) 

  Each  segment  of  the  spinal  cord  between  one  spinal  nerve  and  the  next  has 

several million  neurons  in the  gray matter. 

  These neurons  are: 

Anterior Motor Neurons 

  Several  thousand  neurons  are  located  in  each  segment  of  the  anterior  horn  of 

spinal cord. 

  They  are 50-100% larger  than  most of others. 

  They  give  rise  to  the  nerve  fibers  that  leaves  the  spinal  cord  by  way  of  the 

ventral  roots  and innervates  the  skeletal muscle  fibers. 

  They  are of 2 types: 

Alpha Motor Neurons 

  They  give  rise  to  type  A  alpha  nerve  fibers  that  innervate  the  large  skeletal 

muscle fibers. 

  Stimulation  of  a  single  nerve  fiber  excites  from  as  few  as  3  to  as  many  as 

hundred  skeletal  muscle  fibers. 

Gamma Motor Neurons 

  These neurons  transmit  impulse through  type  A gamma fibers. 

  They  are  much  smaller  and  reach  special  skeletal  fibers  called  "intrafusal 

fibers", which  is part of the  muscle  spindle. 

Interneuron 

  These present  in all areas of the  gray  matter. 

  They  are numerous  about  30 times as the  anterior motor  neurons. 

  They  are  small,  highly  excitable,  and  capable  of  firing  as  rapidly  as  1,500 

times / second.  

  They  have  many  interconnections  one  with  the  other  and  many  of  them 

directly innervate  the  anterior  motor neurons.   

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

 
 
 
 


background image

138 

 
 
 
     
 
 
 
 

 

Fig. 13-2 Spinal cord organization for sensory, motor and autonomic functions  

 


background image

139 

 
MUSCLE SENSORY RECEPTORS (fig.13-3, 13-4)
 
 

  Proper  control  of  muscle  function  requires  not  only  excitation  of  the  muscle  by 

the  anterior  motor  neurons  but  also  continuous  sensory  feedback  information 
from  each  muscle  to  the  spinal  cord  giving  the  status  of  the  muscle  at  each 
instant,  that  is: 

 

I. 

What is the  length  of the  muscle? 

II. 

What is its tension? 

III.  

How rapidly  is its length  or tension  changing? 

 

  To  provide  this  information,  the  muscle  and  its  tendon  are  supplied 

abundantly  with  2  special  types  of  sensory  receptors  "muscle  spindles  and 
Golgi tendon organs". 

 
 
LENGTH-MONITORING SYSTEM AND THE STRETCH REFLEX 
 

  Absolute  muscle  length  and  changes  in  muscle  length  are  monitored  by 

stretch receptors  embedded within  the  muscle. 

  There are 2 kinds of stretch  receptors: 

 

I. 

One respond best to how much  the  muscle  has been stretched. 

II. 

Other  responds  to  both  the  magnitude  of  the  stretch  and  the  speed  with 
which it occurs. 

 

  These  receptors  consist  of  afferent  nerve  fiber  endings  that  are  wrapped 

around  modified  muscle  fibers.  Several  of  which  are  enclosed  in  a  connective 
tissue capsule.  The  entire  structure  is called "muscle spindle". 

  Each spindle is 3-10 mm long. 

  It  is  build  around  3-12  very  small  modified  intrafusal  fibers  that  are  pointed  at 

their  ends  and  attached  to  glycocalyx  of  the  surrounding  large  "extrafusal 
fiber
". 

 
Intrafusal skeletal  muscle fibers 
 

  They  are small muscle  fiber 

  The  central  region  of  which  has  either  no  or  few  actin  and  myosin  filaments. 

Therefore,  this  central  portion  does  not  contract  when  the  ends  do.  Instead 
they  function  as sensory  receptors. 

  The end portions  that  do contract  are excited by small  gamma motor neurons. 

  They  are of 2 types: 

 
Nuclear-bag fibers 

a.  They  are 1-3 in each spindle. 
b.  There  is  large  number  of  nuclei  congregated  in  an  expanded  bag  in  the 

central portion  of the receptors. 

c.  They  are innervated  by primary  nerve  endings 


background image

140 

 
Nuclear-chain fibers 

a.  They  are 3-9 in each spindle. 
b.  They  are about 1/2 in diameter and  1/2 as long as the nuclear-bag  fibers. 
c.  Their nuclei  aligned in a chain throughout  the  receptor area. 
d.  They  are innervated  by primary  and secondary  nerve  endings. 
e.  Their ends are connected  to the nuclear-bag  fibers. 

  The  sensory  fibers  which  originate  in  the  central  portion  and  stimulated  by 

stretching  of this mid portion  of the  spindle are of 2 types: 

 
The Primary Endings (Annulospiral)  Fibers 

i. 

They  are large sensory  fibers encircles the  very  center  of the  receptor area. 

ii. 

They  are termination  of type  Ia  afferent  fibers. 

iii. 

They  have  17 µm diameters. 

iv. 

They  transmit  signals  to the  spinal cord at a velocity  of 70-120 m/second. 

v. 

They discharge  most  rapidly  while  the muscle  being  stretched  and  less  rapidly 
during  sustained  stretch.  Thus,  respond  to  changes  in  length  and  change  in 
the rate of stretch. 

 
The Secondary (Flowerspray) Fibers 

i. 

They  are  the  termination  of  usually  one  and  some  times  two  smaller  type  II 
sensory nerve  fibers. 

ii. 

Their diameter is 8 µm. 

iii. 

They  innervate  the  receptor region on one  side of the  primary  ending. 

iv. 

They  discharge  at  increasing  rate  through  out  period  when  the  muscle  is 
stretched. 

v. 

They  respond to change  in the  length  alone. 

Note:  Both  primary  and  secondary  nerve  endings  are  stimulated  when  the  spindle  is 
stretched but  the  pattern  of response is different. 

 

Fig. 13-3 muscle spindle 


background image

141 

 

Fig. 13-4 muscle spindle 

 
 
 

  The  muscle  spindles  are  parallel  to  the  extrafusal  fibers,  such  that  stretch  of 

the  muscle  by  external  force  pulls  on  the  intrafusal  fibers,  stretching  them  and 
activating  their  receptor  endings  with  reflex  contraction  of  the  extrafusal  fibers 
of the muscle. 

  The  more  the  muscle  is  stretched  or  the  faster  it  stretched,  the  greater  the 

rate of the  receptor firing. 

  In  contrast,  contraction  of  the  extrafusal  fibers  and  the  resultant  shortening  of 

the  muscle  remove  tension  on  the  spindle  and  slow  the  rate  of  firing  of  the 
stretch receptor. 

  When  the  afferent  fibers  form  the  muscle  spindle  enter  the  CNS,  they  divide 

into branches  that  take several  different  paths: 

 
First Path: 

  Directly  stimulates  motor  neuron  going  back  to  the  muscle  that  was  stretched, 

thereby  completing  a reflex  arc known  as the  "stretch reflex". 

  This reflex  is probably  the  most familiar in the  form of the  knee jerk. 

 

1.  The  examiner  taps  the  pattelar  tendon  which  passes  over  the  knee  and 

connects  extensor  muscles  in the  thigh  to the  tibia in the lower  leg. 

2.  As the tendon  is pushed  in,  and thereby  stretched  by tapping. 
3.  The  thigh  muscles  to  which  it  attached  are  stretched  and  all  the  stretched 

receptors within  these muscles  are activated. 

4.  More  action  potentials  are  generated  in  the  afferent  nerve  fibers  from  the 

stretched receptors. 

5.  They  are transmitted  to the  motor neurons  that  control  these  muscles. 
6.  The motor units  are stimulated 
7.  The thigh  muscles  are shortens 
8.  The patient's  lower leg is extended  to give the  knee jerk. 

 


background image

142 

Note:  In  contrast  to  the  knee  jerk,  during  normal  movement,  stretch  receptors  are 

rarely  all  activated  at  the  same  time,  nor  are  they  activated  so  strongly. 
Moreover,  movement  occurs  in  response  to  the  integration  of  many  types  of 
local descending  controls. 

 
Second Path 

1.  The afferent  nerve  fibers from stretch  receptors end on interneuron. 
2.  When  activated,  inhibit  the  motor  neuron  controlling  the  antagonistic  muscles 

(in the  knee jerk,  the flexor  muscles  of the  knee are inhibited). 

 
Reciprocal  Innervations:  The  activation  of  one  muscle  with  simultaneous  inhibition 

of its antagonistic  muscle. 

 
Third Path 

1.  Afferent  nerve  fibers  activate  motor  neurons  of  synergistic  muscles,  that  is, 

muscles  whose  contraction  assists  the  intended  motion  (in  the  knee  jerk, 
other extensor  muscles). 

2.  The muscles  activated  are on  the  same  side of  the  body as  the  receptors  and 

the response therefore  is ipsilateral. 

 
Fourth  Path 

1.  Afferent  nerve  fibers continue  to the  brain stem. 
2.  They  synapse  there  with  interneuron  which  forms  the  next  link  in  the  pathway 

that  conveys  information  about  the  muscle  length  to  areas  of  the  brain  dealing 
with motor control. 

 
 

ALPHA-GAMMA COACTIVATION  
 
When  the  muscle  shortens,  stretch  of  the  intrafusal  fibers  decreased,  and  at  this 
time, the  spindle  stretch  receptors  go  completely slack,  and  they  no  stop  firing  action 
potentials. 
But: 
In  this  situation,  there  can  be  no  indication  of  any  further  changes  in  the  muscle 
length. 
Physiologically: 
To  prevent  this  loss  of  information,  the  two  ends  of  each  intrafusal  muscle  fiber  are 
also  stimulated  to  contract  during  the  shortening  of  the  extrafusal  muscle  fibers. 
Thus,  maintaining  tension  in  the  central  region  of  the  intrafusal  fibers,  where  the 
stretch receptors  are located. 
 
Note:  The  intrafusal  muscle  fibers  are  not  large  enough  or  strong  enough  to  shorten 

a  whole  muscle  and  move  joints;  their  sole  job  is  to  maintain  tension  on  the 
spindle stretch  receptors. 

 
Note:  Both  alpha  and  gamma  motor  neurons  are  activated  by  interneurons  in  their 

immediate  vicinity  and  by  neurons  of  the  descending  pathways.  In  other 
words,  they  are  coactivated,  that  is,  excited  at  almost  the  same  time  during 
many  voluntary  and involuntary  movements. 


background image

143 

TENSION-MONITORING SYSTEM AND GOLGI  TENDON REFLEX 
 

  Any  given  set  of  inputs  to  a  given  set  of  motor  neurons  can  lead  to  various 

degrees of tension  in the  muscles  they  innervate  depending on: 

 

a.  Muscle length 
b.  Load on the  muscle 
c.  Degree of muscle  fatigue 

 

  Therefore,  feedback  is  necessary  to  inform  the  motor  control  systems  of  the 

tension actually  achieved. 

  Such  feedback  is  provided  by  vision  and  by  Golgi  tendon  organs  which 

monitors how  much  tension  is being exerted  by the  contracting  motor units. 

 

 

 

 

Fig. (13-5) Golgi tendon organ 

 
 

i. 

They  are  encapsulated  sensory  receptors  through  which  a  small  bundle  of 
muscle tendon  fibers pass. 

ii. 

They  are located in the tendons  near their  junction  with  the  muscle. 

iii. 

About  10-15  muscle  fibers  are  usually  connected  in  series  with  each  Golgi 
tendon organ. 

iv. 

Endings  of  the  afferent  nerve  fibers  are  wrapped  around  collagen  bundles 
in the  tendon. 

v. 

When  he  attached  extrafusal  muscle  fibers  contract,  they  pull  on  the 
tendon,  which  straightens  the  collagen  bundles  and  distorts  the  receptor 
endings, and activating  them. 

vi. 

Thus,  the  Golgi  tendon  organs  discharge  in  response  to  the  tension 
generated  by  the  contraction  and  initiates  action  potentials  that  are 
transmitted  to the  CNS via large rapidly  conducting  type  IIb  nerve  fibers. 


background image

144 

vii. 

Branches  of  the  afferent  neurons  cause  widespread  inhibition  via 
interneurons,  of  the  motor  neurons  to  the  contracting  muscle  and  its 
synergists.   

viii. 

They  also stimulate  the  motor neurons  of the antagonistic  muscles. 

 
 
Importance 

1.  Prevent  tearing  of  the  muscle  or  avulsion  of  the  tendon  from  its  attachments 

to the bone. 

2.  Equalize  the  contractile  forces  of  the  separate  muscle  fibers  (that  is  fibers 

which  exert  excess  tension  become  inhibited  by  the  reflex  and  the  reverse  is 
true.  This  will  spread  the  muscle  load  over  all  fibers  and  would  prevent 
damage in  isolated areas  of a  muscle where  small numbers  of fibers  might  be 
overloaded. 

 
 

 

Fig. 13-6 Withdrawal reflex 

 

WITHDRAWAL REFLEX (fig.14-6) 
 
Cutaneous sensory  stimuli on  a  limb are  likely to  cause  the flexor  muscles of  the  limb 
to  contract,  thereby  stimulating  withdrawing  the  limb  from  the  stimulating  object.  This 
is called "flexor reflex" or the "nociceptive reflex" or simply  "pain reflex". 
 

  It is polysynaptic  reflex 

  The  response  includes  flexor  muscles  contraction  and  inhibition  of  the 

extensor  muscles,  so  that  the  part  stimulated  is  flexed  and  withdrawn  from  the 
stimulus.   

  When  a  strong  stimulus  is  applied  to  a  limb,  the  response  includes  not  only 

flexion  and  withdrawal  of  that  limb  but  also  extension  of  the  opposite  limb. 
This is called "crossed extensor reflex". 

 

 


background image

145 

 

PHYSIOLOGY 

 

Dr. Basim Mohamad Alwan                                                            Lecture 14 

 

SPINAL CORD 

 
 

Transection of Spinal Cord  

 

(1) Hemi-section (Brown-Séquard Syndrome) 

 

  This occurs in only  1/2 of the spinal cord. 

  The following  effects occur: 

 

a)  All motor  functions  are blocked in all  segments  below the  level  of transaction. 
b)  Only  some  of  sensory  modalities  are  lost  on  the  transected  side  and  others 

are lost on the  other  side. 

c)  Pain, heat,  and  cold  sensations  (served  by spinothalamic  tract)  are  lost  on  the 

opposite  side  of  the  body  in  all  dermatomes  2-6  segments  below  the  level  of 
transaction. 

d)  Kinesthetic  position,  vibration,  discrete  localization  and  the  two-point 

discrimination  sensations  (served  by  dorsal  and  dorsolateral  columns)  are  lost 
on side of transaction  in all dermatomes below  the level  of transaction. 

e)  Discrete light touch  sensation  is impaired on the side of transaction. 
f)  Crude  touch  sensation  which  is  poorly  localized  still  persist  because  of 

transmission in the  opposite spinothalamic  tract. 

 
 
 


background image

146 

 

 
 

Fig. 14-1 Brown sequard syndrom 

 

 

(2) Complete Transverse Section 
 
When  the  spinal  cord  is  transected  in  the  upper  neck,  all  cord  functions  including 
cord reflexes  become depressed and lost.  This reaction  is called "spinal shock". 
 
Mechanism: 
   

  The  normal  activity  of  spinal  cord  neurons  depends  to  a  great  extent  on  the 

continual  tonic  excitation  by  discharges  of  nerve  fibers  entering  the  cord  from 
higher  centers  (particularly  discharges  transmitted  through  reticulospinal, 
vestibulospinal,  and corticospinal tracts). 

  After  few  hours  to  few  weeks,  the  spinal  neurons  gradually  regain  their 

excitability  (this  is  a  natural  characteristic  of  the  neurons  anywhere  in  the 
CNS). 

  In  most  non-primates,  excitability  of  cord  centers  returns  essentially  to  normal 

within a few hours  to day  or so. 

  In  human  being,  return  is  delayed  fro  several  weeks  and  occasionally  never 

complete.  Sometimes,  recovery  is  excessive  with  resultant  hyper  excitability 
of some or all  cord functions. 

  The  following  are  some  of  spinal  functions  specifically  affected  during  or  after 

spinal shock: 

 

(1)  Arterial  blood  pressure  falls  to  as  low  as  40  mmHg  (blocking  of  the 

sympathetic  activity).  This  returns  to normal  within  a few days. 


background image

147 

(2)  All skeletal  muscle  reflexes  integrated  in  spinal  cord  are  blocked  during  initial 

stage  of  shock.  Two  weeks  to  several  months  are  needed  by  those  reflexes 
to return  to normal. 

Note:  Sometimes,  the  reflexes  become  hyper  excitable  (especially  if  few  facilitatory 

pathways  remain  intact  between  the  brain  and  the  cord  whiles  the  remainder 
of the spinal  cord is transected. 

 
Note:  The  first  reflex  to  return  normal  are  stretch  reflexes  and  remnants  of  steeping 

reflexes.  In  some  patients,  the  knee  jerk  is  returned  first  and  in  other  patients, 
slight contraction  of leg reflexes  and adductors  in response  to noxious  stimuli. 

 

(3)  Sacral  reflexes  for  control  of  UB  and  colon  evaluation  are  suppressed  for  the 

first few  weeks after  cord transaction  but  then  eventually  return. 

 
 
Complication of Cord Transection 
 

I. 

They  develop  negative  nitrogen  balance  and  catabolize  large  amounts  of 
body proteins. 

II. 

Decubitus  ulcers  due  to  compression  of  skin  circulation  by  the  body 
weight. 

III.  

Hypercalcemia that  lead to hypercalciuria  and calcium  stones. 

IV. 

The  stones  in  combination  with  UB  paralysis  cause  urine  stasis  which 
predispose to urinary  infection. 

V. 

Death from  septicemia and uremia. 

 
 
 
Responses in Chronic Spinal Humans 
 
In  chronically  quadriplegic humans,  there  is: 
 

A.  Threshold  of  withdrawal  reflex  is  low  (minor  noxious  stimuli  may  cause  not 

only  prolonged  withdrawal  of  one  extremity  but  marked  flexion-extension 
patterns in the  other  3 limbs). 

B.  Repeated  flexion  movements  occur  for  prolonged  periods  and  contractures  of 

flexor  muscles  develop. 

C.  Stretch reflexes  are hyperactive. 
D.  Reflex  contractions  of  the  full  UB  and  rectum  occur.  The  hyperactive  UB 

reflexes  keep  it  in  a  shrunken  state  leading  to  hypertrophy  and  fibrosis  of  its 
wall. 

E.  Blood  pressure  is  generally  normal  at  rest,  but  wide  swings  in  the  pressure 

are common as the feedback regulation  by baroreceptor reflexes  is absent. 

F.  Bouts of sweating  and blanching  of the skin. 
G.  Genital manipulation  in males produces  erection and even  ejaculation. 
H.  The  Mass  reflex  (strong  nociceptive  stimulus  to  skin  or  excessive  filling  of  a 

viscous  (over  distention  of  the  UB  or  gut)  can  cause  massive  discharge  of 
large portions of the  cord. The  effects  are: 

 

  Major part of the body goes into strong flexor spasm 


background image

148 

  The colon and UB are likely to evacuate 
  The blood pressure rises to a systolic pressure of > 200 mmHg 
  Profuse sweating of large areas of the body. 

 
 
DECEREBRATE RIGIDITY 
 

  Sectioning  brainstem  below  the  midlevel  of  mesencephalon  (leaving  both 

pontine  and  medullary  reticular  system  as  well  as  vestibular  system  intact) 
leads the animal  to develop "decerebrate rigidity". 

  The  rigidity  occurs  in  antigravity  muscles  (the  muscles  of  the  neck,  trunk  and 

extensors  of the leg). 

 
Mechanism 
 
Blocking  of  normal  strong  excitatory  input  to  medullary  reticular  nuclei  from  cerebral 
cortex,  red  nucleus  and  basal  ganglia  →  causing  the  medullary  reticular  inhibitory 
system  become  nonfunctional  →  allowing  full  activity  of  the  pontine  excitatory 
system and development  of rigidity. 
 
The  antigravity  muscles  exhibit  phenomenon  called  spaticity  as  well  as  rigidity  (this 
means any  attempt to  change  position of  a limb  or  other parts  of the  body,  especially 
attempts to stretch  the  muscles  suddenly,  is resisted by  powerful  stretch  reflex). 
 
This is because: 
The  pontine  and  vestibular  antigravity  signals  to  the  cord  selectively  excite  gamma 
moor neurons in the spinal cord much more than they excite α motor neurons. This is 
tightens  the  intrafusal  muscle  fibers  if  the  muscle  spindles  which  in  turn  strongly 
sensitizes the stretch  reflex  feedback loop. 
 
Tonic labyrinthine Reflexes 
 

  The  decerebrate  animal  stays  in  the  position  in  which  it  put;  no  righting 

responses are present,  like: 

 

1.  Placing the  animal on  its back causes maximal  extension  of the  four  limbs. 
2.  Turning  the animal  to one side causes the  rigidity to decreases 
3.  Putting the  animal  in prone  position causes minimal rigidity 

 

  These changes  in rigidity  are  initiated by  the action  of  gravity on  otolith  organs 

and affected  via vestibulospinal  tracts. 

 
Tonic Neck Reflexes 
 

  Moving the  head of  decerebrate  animal relative  to  the body  produces  changes 

in the  pattern  of gravity. 

 

1.  Turning  the  head  to  one  side  causes  the  limbs  on  that  side  become  rigidly 

extended while  contralateral  limbs become less so. 


background image

149 

2.  Flexion of  the  head  causes  flexion  of  the  forelimbs  and  continued  extension  of 

hindlimbs. 

3.  Extension  of  the  head  causes  flexion  of  the  hindlimbs  and  extension  of  the 

forelimbs. 

 

  These  reflexes  are  initiated  by  stretch  of  proprioceptors  in  the  upper  part  of 

the neck and they  can be sustained  for long  periods of time. 

 
Upper and Lower Motor Neurons 
 

(1)  Lesions  of  the  lower  motor  neurons  (spinal  and  cranial  motor  neurons  that 

directly  innervate  the  muscles)  are  associated  with  flaccid  paralysis  muscular 
atrophy  and absence of the reflex  responses. 

(2)  Upper  motor  neuron  lesions  (the  neurons  in  the  brain  and  spinal  cord  that 

activate  the  motor  neurons  are  destroyed)  are  associated  with  spastic 
paralysis  and  hyperactive  stretch  reflexes  in  the  absence  of  the  muscle 
atrophy.  It  is of 3 types: 

 

a.  Lesions  in  the  extrapyramidal  posture  regulating  pathway  cause  spastic 

paralysis. 

b.  Lesions  limited  to  the  pyramidal  tracts  causes  weakness  (paresis  rather  than 

paralysis) and the  affected musculature  is generally  hypotonic. 

c.  Cerebellar lesions  cause incoordination. 

 

 

 


background image

150 

Physiology 

Dr. Basim Mohamad Alwan                                                            Lecture 15 

THE HYPOTHALAMUS 

The  hypothalamus  (fig.  15-1)  is  the  part  of  the  diencephalon  which  forms  the 

floor and part of the lateral wall of the third ventricle. It is a small structure that 

weighs  about  5  gm,  but  is  the  most  important  part  of  the  brain  in  controlling 

homeostasis.  It  is  connected  to  the  pituitary  gland  by  the  pituitary  stalk 

(hypophysial  stalk).  The  hypothalamus  is  a  major  central  component  of  the 

limbic system.   

 

 

Figure 15 - 1: The medial surface of the right hypothalamus 


background image

151 

 

THE HYPOTHALAMIC NUCLEI 

The hypothalamic nuclei (fig. 15-l & 15-2) are classified into five groups; anterior, 

middle, posterior, lateral and periventricular. 

1.  The anterior group: Which includes the anterior, the preoptic, the supraoptic, 

the paraventricular, and the suprachiasmaric nuclei? 

2.  The  middle group:  Which  includes  the  arcuate,  the  ventromedial  and  dorsal 

nuclei. 

3. The posterior group: Which includes the posterior nucleus, the premamillary 

nucleus, and medial and lateral mamillary nuclei? 

4.  The lateral nucleus: Which forms one large nuclear mass? 

5.  The periventricular nucleus: Which is a thin sheet of gray matter adjacent to the 

third ventricle? 

 

 

 

Figure 15-2: Coronal (frontal plane) section in the hypothalamus showing the 

lateral, periventricular, and paraventricular nuclei. 

 

 


background image

152 

NERVOUS CONNECTIONS OF THE HYPOTHALAMUS 

The hypothalamus receives input signals from: 

1. The limbic system;  the  limbic  lobe of  the cerebral cortex  (through  the  medial 

forebrain bundle), the amygdala and the hippocampus. 

2.  The  reticular  formation of  the  brainstem;  the  sensory  reticular  formation, 

the nucleus ceruleus, the raphe nuclei, and the nucleus of the tractus solitarius. 

3. The  retina,  through  fibers  in  the  optic  nerve  which  terminate  in  the 

suprachiasmatic nucleus. 

4. The thalamus. 

 

The hypothalamus sends output fibers in three directions: 

1. Upwards: To the thalamus and limbic system (the limbic lobe, the amygdala and 

the hippocampus). 

2. Downwards: To  the  reticular  formation of  the brainstem. Through  the reticular 

formation, the hypothalamus is connected to the vital centers in the brainstem and 

spinal cord which control the autonomic functions. 

3. To the posterior pituitary gland: through the hypothalamo hypophysial tract.   

 

FUNCTIONS OF THE HYPOTHALAMUS   

 

[I] AUTONOMIC FUNCTION 

The lateral, dorsomedial; and posterior nuclei of the hypothalamus are considered as 

"Sympathetic center" which responds to emotions by generalized sympathetic 

activation (the alarm response). 

'The sympathetic  center  includes  adrenaline  and  noradrenalin  secretion  centers 

which selectively control the secretion of these catecholamine's from the  adrenal 

medulla in different conditions. 

Stimulation  of  certain  parts  of  the  hypothalamus  produces  parasympathetic 


background image

153 

effects;  e.g.  micturition.  But  the  control  of  the  parasympathetic  functions  by  the 

hypothalamus is very limited and there is "no parasympathetic center' as such in 

the hypothalamus. 

 

[II] ENDOCRINAL FUNCTION 

The  hypothalamus  controls  the  secretion  of  hormones  from  the  anterior  and 

posterior pituitary glands. 

CONTROL OF SECRETION OF THE ANTERIOR PITUITARY GLAND 

Some  nuclei  in  the  hypothalamus  contain  neurosecretory  cells  which  produce 

releasing or inhibiting hormones. These hormones stimulate or inhibit the release of 

hormones  from  the  anterior  pituitary  gland.  The  secretory  hypothalamic  cells  are 

grouped together in an area called "the hypophysiotropic area". This area includes 

several nuclei; i.e. the paraventricular, the arcuate, and the ventromedial nuclei. The 

axons  of  the  neurosecretory  hypophysiotropic  cells  terminate  in  the  median 

eminence, which is the basal part of the hypothalamus, just behind the optic chiasma. 

The  releasing  and  inhibiting  hormones  move  inside  the  hypothalamic  neurons  by 

axoplasmic flow to their terminals in the median eminence where they are released. 

From  the  median  eminence,  they  reach  the  anterior  pituitary  via  the  blood  in  the 

hypothalamo-hypophysial portal circulation.  

 

 

 

 

 

 

 

 


background image

154 

Table 15 -1: The hypothalamic releasing and inhibiting hormones. 

 

Hypothalamic hormone 

 

Main site of formation 

 

The affected ant. Pit. hormone 

l.TRH 

(Thyrotropin-Releasing Hormone) 

Paraventricular area 

TSH (Thyrotropin, also called 

Thyroid    Stimulating 

Hormone) 

2.CRH 

  (Corticotropin-Releasing Hormone) 

Paraventricular area 

ACTH 

(Adrenocorticotrophic Hormone) 

3.GnRH 

(Gonadotropin-Releasmg Hormone) 

Arcuate nucleus 

FSH and LH 

Follicle-Stimulating Hormone 

and Leutinizing Hormone (both are 

called pituitary Gonadotropins) 

4.PIHand PRH 

(Prolactm-Inhibiting; Hormone and 

Prolactin-Releasing Hormone) 

Arcuate nucleus 

Prolactin 

5. GRH and GIH 

Growth hormone-Releasing Hormone and 

Growth hormone- Inhibiting Hormone. 

Ventromedial          

nucleus and nearby areas 

GH 

Growth    Hormone     (also called     

somatotropin      or somatotrophic 

hormone -STH) 

 

CONTROL OF SECRETION OF THE POSTERIOR PITUITARY GLAND 

 

The supraoptic and paraventricular nuclei of the -hypothalamus are connected to the 

posterior  pituitary  through  the  hypothalamo-hypophysial  tract.  Two  types  of 

specific neurosecretory cells in these nuclei synthesize the hormones oxytocin and 

antidiuretic hormone (ADH). These hormones flow down in the axoplasm of the 

neurosecretory  cells  to  the  axon  terminals  in  the  posterior  pituitary  where  they 

remain stored in secretary vesicles inside the nerve terminals. The hormones are 

released  on  the  arrival  of  the  proper  nerve  signals  from  the  supraoptic  and 

paraventricular  nuclei.  The  hormones  then  diffuse  through  the  walls  of  the 

capillaries of the posterior pituitary into the blood stream. 

 

 


background image

155 

[III] THERMOREGULATION 

The  hypothalamic  thermostat  consists  of  a  "heat  loss  center"  in  the  anterior 

"hypothalamus  and  a  "heat  gain  center"  in  the  posterior  hypothalamus.  Both 

centers are interconnected and work in a reciprocal manner. 

Stimulation  of  the  heat  loss  center  leads  to  cutaneous  vasodilation  and  profuse 

sweating. Its damage leads to high liability to hyperthermia. Stimulation of the heat 

gain  center  leads  to cutaneous  vasoconstriction,  increased  muscle  tone, shivering 

and stimulation of catecholamine secretion. Its damage  leads to high  liability to 

hypothermia. 

The heat loss center contains thermosensitive cells. These cells are sensitive to any 

change  in  blood  temperature  (±  0.02°C)  which  is  an  indicator of  the  body  core 

temperature.  It  responds  mainly  to  any  increase  in core  temperature  to prevent 

hyperthermia. 

The  heat  gain  center  contains  "thermoresponsive"  cells  which  are  not 

thermosensitive.      These cells respond to input signals coming from 

cutaneous  thermoreceptors  which  monitor  the  surface  temperature.    It  responds 

mainly to cooling of the skin to prevent hypothermia. 

 

[IV] CONTROL OF FOOD INTAKE 

The  hypothalamus  contains  a  food  intake  controlling  system  "hypothalamic 

appestat"  which  controls  the  appetite  for  food.  It  consists  of  two  centers;  a 

"feeding center" in the lateral hypothalamus which stimulates the appetite, and a 

"satiety center" in the medial hypothalamus (ventromedial nucleus) which inhibits 

the appetite. The satiety center acts by inhibiting the inherent tonic activity of the 

feeding center. The damage of the satiety center leads to hyperphagia. The animal 

eats  large  amount  of  any  available  edible  food,  thus  leading  to  obesity 

(hypothalamic obesity)  (fig.  15-3).  Damage of  the  feeding center  leads  to severe 

anorexia which could be fatal 

The hypothalamic appestat is adjusted to a "set point" to maintain a specific body 


background image

156 

weight for each individual. If a person is starved for some time, then left free to eat 

afterwards,  he  eats  only  enough  to  restore  his  prestarvation  weight.  Also  if  a 

person is overfed for some time and left free to eat afterwards, he eats too little until 

he regains his previous weight. 

The  amygdaloid  nucleus  is  closely  associated  with  feeding.  It  is  concerned  with 

"sorting out" of food into edible or inedible. Lesion in the amygdaloid nuclei leads 

to hyperphagia, but unlike animals with lesions in the hypothalamic satiety center, 

the  animals  with  amygdaloid  lesions  try  to  eat  any  available  object 

(omniphagia). They eat some of any available object before they discover if it is 

edible or not (oral exploration). 

 

Figure 15-3: The effects of a lesion in the hypothalamic satiety center (left) 

and in the feeding center (right). 

 

[V] CONTROL OF WATER BALANCE 

Thirst center is found in the lateral hypothalamus. It receives input  signals from 

different sources: 

1. From osmoreceptors in the anterior hypothalamus. 

2. From osmoreceptors in the liver. 

3. From volume receptors in the right atrium and large veins. 


background image

157 

4. From  subfornical  organ  (SFO)  and  organum  vasculosum  of  lamina 

terminalis  (OVLT).  These  organs  are  circumventricular  organs  found  at  the 

anteroventral border of the third ventricle (AV3V) outside the blood-brain barrier. 

They  are  stimulated  by  angiotensin  II  (AH)  which  is  released  in  cases  of 

hypovolemia 

5. From the limbic system and cerebral cortex;. Psychic and emotional stimuli 

can produce or modify thirst sensation. 

6. From the mouth and pharynx. 

Hypertonicity of the plasma or hypovolemia stimulate thirst center and ADH release 

(i.e.: stimulate water  intake and" inhibit water loss).  Hypotonicity or hypervolemia 

has the opposite effect. 

 

[VI] CONTROL OF SALT APPETITE 

There is a "salt appetite center" in the anterior hypothalamus very close to the 

osmoreceptors. Its cells are sensitive to changes in plasma osmolality, as well as the 

level  of  sodium  in  the  plasma  (osmosodium  receptors).  They  are  stimulated  by 

hyponatremia, hypo tonicity or hypovolemia to increase the appetite for salt (craving 

for salt). 

 

[VII] CONTROL OF CYCLICAL PHENOMENA 

Circadian  rhythm  occurs  in  more  than  100  parameters  of  human  organs  and 

functions. E.g. body temperature is lowest in the early  morning and highest in the 

evening, so is the heart rate. CRH, ACTH and cortisol secretions are highest at 8 AM 

and  lowest  at  midnight."  Melatonin  secretion  from  the  pineal  gland  increases by 

night and decreases in daylight. The menstrual cycle in adult females is an example 

of a physiological monthly rhythrn. 

The  pacemakers  of  the  circadian  rhythm  are  found  in  two  regions  of  the 

hypothalamus. 


background image

158 

First, is the suprachiasmatic nucleus (SCN) which is connected to the retina by 

the retinohypothalamic tract. This tract synchronizes the  activity of the SCN to the 

circadian  light/dark  cycle. This  nucleus  is  responsible  mainly  for  regulating  the 

circadian waking/sleeping rhythm. 

Second,  is  the  ventromedial  nucleus  of  the  hypothalamus  (VMNH)  which  is 

connected with the SCN? It is responsible mainly for temperature, endocrinal and 

feeding rhythms. 

 

[VIII] ROLE IN LEARNING AND MEMORY 

The  hypothalamus  contains  a  reward  center  in  the  lateral  and  ventromedial 

nuclei.  When  stimulated,  it  gives  a  sense  of  reward;  i.e.  relaxation,  pleasure  and 

satisfaction.  There  is  a  punishment  center  in  the  periventricular  nuclei,  when 

stimulated it gives a sense of punishment; displeasure fear and terror. These centers 

constitute important components of the reward and punishment systems which are 

very important for emotions, motivation, memory and learning. 

To  keep  any  experience  in  the  long  term  memory,  it  needs  either  of  two 

mechanisms; to stimulate the reward and punishment system or to be practiced 

repeatedly. Otherwise, the experience  is easily forgotten and will not add to the 

memory stores of the individual. 

The hypothalamus is also a relay station in the Papez circuit which is concerned with 

short term memory     

 

[IX] CONTROL OF MOTOR RESPONSES TO EMOTIONS 

The  motor  responses  to  emotions  are  controlled  by  complex  mechanisms  that 

involve  the  association  areas  of  the  cerebral  cortex,  the  limbic  system  and  the 

hypothalamus.  However,  stimulation  or  damage  of  some  hypothalamic  areas 

produces certain emotions with specific motor responses as follows: 

 


background image

159 

FEAR 

Fear is an unpleasant emotional state which involves a sense of  insecurity because 

of impending danger or evil. It is produced by stimulation of the fear center in the 

periventricular nuclei. Reactions to fear include cowering, avoidance, and sweating, 

pupillary  dilation,  turning  the  head  from  side  to  side  to  seek  escape  and  flee. 

Amygdaloid  nuclei  in  the  temporal  lobes  activate  the  fear  center  in  the 

hypothalamus. 

Bilateral temporal lobectomy abolishes fear sensation. In this case, the subject cannot 

evaluate  dangers  and  proceeds  towards  them  without  precautions;  e.g.  handling 

dangerous  animals  as  scorpions  or  snakes,  or  crossing  roads  full  of  rapidly  going 

vehicles. 

 

RAGE 
Rage is violent anger. It is produced by stimulation of a certain area of the lateral 

hypothalamus  (rage  area).  This  area  is  tonically  inhibited  by  the  ventromedial 

nucleus  (placidity area),  and  the  limbic  association  area  of  the  cerebral  cortex. 

Lesions in the placidity area or the limbic association area produce rage. 

Reactions  in  rage  include  taking  the  attack  position,  generalized  sympathetic 

stimulation  and  fighting.  In  cats  there  is  hissing,  spitting,  growling  and  well 

directed biting and clawing. 

 

PLACIDITY 

Placidity means calmness with little or no response to provocation. It is produced by 

stimulation of the ventromedial nucleus of the  hypothalamus (the placidity area), 

or bilateral damage of the amygdaloid nuclei. 

The  amygdaloid  nuclei  facilitate  the  rage  area  and  inhibit  the  placidity  area  or 

bilateral  amygdaloid damage of  the  amygdaloid  nuclei. The  amygdaloid  facilitates 

the rage area and inhibits the placidity area. Bilateral amygdaloid lesions would then 

inhibit  the  rage  area  and  facilitate  the  placidity  area.  If  the  placidity  area  is 


background image

160 

subsequently damaged, placidity changes  into rage because  the  rage  area  would be 

released from the inhibitory influence of the placidity area. 

Bilateral  destruction  of  the  amygdaloid  nuclei  was  made  in  Japan  on  agitated, 

violent,  aggressive  mental  patients.  The  patients  turned  placid  and  manageable, 

without any sign of hyper sexuality. 

 

[X] SEXUAL BEHAVIOR 

Libido  and  sexual  activity  is  mainly  under  the  control  of  the  cerebral  cortex  and 

limbic  system  which  are  sensitive  to  sex  hormones.  However,  hypothalamus  is 

involved in the following way: 

1. The  hypophysiotropic  area  controls  the  release  of  the  pituitary  gonadotropins, 

which in turn control the release of sex hormones from the gonads. 

2. The anterior hypothalamus  in  the female contains estrogen sensitive neurons. When 

stimulated,  these  neurons  increase  the  sexual  desire  and  initiate  the  heat  of  sexual 

behavior. The female seeks out the male (the enticement reaction). Lesions  in this area 

abolish this behavior. 

3. Stimulation of parts of the lateral hypothalamus produces sexual  excitement and 

penile erection in male monkeys. 

 

[XI]  RELATION   TO    SLEEP 

Fibers  of  the  ascending  reticular  activating  system  (ARAS)  pass  through  the 

hypothalamus in its way to the thalamus then to the cerebral cortex.      ARAS fibers 

which desynchronize the cerebral cortex and cause wakefulness pass through the 

posterior hypothalamus. So, a lesion in the posterior hypothalamus produces  sleep 

due to damage of these desynchronizing fibers. An irritative  lesion may stimulate 

these fibers leading to insomnia   

 

 


background image

161 

EFFECTS OF LESIONS IN THE HYPOTHALAMUS 

Lesions  in  the  hypothalamus  produce  widely  variable  effects  depending  on  the 

locality, the extent and the mode of onset; i.e. rapid  (acute) or gradual (chronic). A 

lesion may produce one or more of the following manifestations. 

1. Endocrinal disturbances: 

The  most  common  endocrinal  disturbance  of  hypothalamic  origin  is  diabetes 

insipidus which is produced by lesions in the supraoptic "or paraventricular nuclei. 

There is lack of ADH secretion from the  posterior pituitary. This  leads  to  marked 

polyuria and polydipsia. 

Another  form  of  endocrinal  disturbance  is  precocious  puberty  i.e.  very  early 

onset of puberty. 

Irregularities of the menstrual cycle occur with lesions in the preoptic area or with 

psychic disturbances. 

Hyper or hypo function of other glands due to hypothalamic causes are possible but 

very rare. 

 

2. Hyperthermia or hypothermia:

 

 

Produced by lesions in the hypothalamic thermostat. 

 

3. Hyperphagia or anorexia: 

 

Produced  by  lesions  in  the  hypothalamic  appestat.  This  leads  to  either 

hypothalamic obesity or severe emaciation. 

 

4. Sleep disturbances (insomnia or hypersomnia):

 

Destructive  lesions  in  the dorsal  hypothalamus produce  narcolepsy;  i.e.  attacks of 

strong, irresistible desire to sleep. Sleep lasts for short periods    could be only  few 

minutes    of  which  the  patient  wakes  up  fully  recovered.  Insomnia  results  from 

irritative lesions in the dorsal hypothalamus. 


background image

162 

 

5. Disturbances in memory and learning ability:

 

This is due to interruption of the Papez circuits of the  limbic system which are 

concerned with short term memory. Lesions in the punishment or reward centers 

depress the ability to develop long term memory for important events. 

 

6. Autonomic disturbances:   

E.g.  Lack  of  response  to  emergency  situations.  Increase  or  decrease  in 

catecholamine  release,  excessive  sweating, spontaneous vasodilation  (hot flushes) or 

vasoconstriction. 

 

7. Emotional disturbances: 

  E.g. fear, rage, or placidity due to irritation or damage of different hypothalamic 

regions. 

 
 
 
 

 

 


background image

163 

PHYSIOLOGY           

Dr. Basim Mohamad Alwan                                                    Lecture 16                                                                             

 

RETICULAR FORMATION 

 
This is a network of neurons located in the brain stem, extending upwards to the 
diencephalon (thalamus, hypothalamus and sub thalamus) and downwards to the 
upper part of the spinal cord, where  it merges with  its interneuron's (fig 16-1). 
Many  nuclei  and  centers  are  present  within  its  meshes  (respiratory  &  cardiac 
centers, the substantia nigra, the red, vestibular and raphe muclei). It  is divided 
into sensory and motor parts

 

 

Fig. 16-1 the reticular formation 

 

(A) THE SENSORY PART 

 
This  part  consists  of  a  large  number  of  small  neurons  that  have  multiple 
interconnection with each other (which allows marked convergence, divergence 
and after discharge). 

It receives a rich polysensory input (afferent fibers) from 
A. All ascending lemnisci. 
B. The visual, auditory and olfactory nervous pathways. 
C. The basal ganglia. 
D. The cerebellum. 
E. The cerebral cortex (corticofugal fibres ) 
F. The hypothalamus. 
G. The vestibular apparatus. 


background image

164 

  (B) THE MOTOR PART 

 
This part consists of large neurons, which receive signals from the sensory 
part,  and  their  axons  constitute  the  output  (efferent)  fibres    from  the 
reticular formation , it contains facilitatory    and inhibitory parts . 
1.  Facilitatory  (excitatory)  reticular  formation:  This  is  located  in  the 

pons and midbrain (specially the former). it has an inherent activity and 
the axons of its neurons divide into 2 branches : 
a.  An  ascending  branch,  
which  excites  the  cerebral  cortex,  and  is 

called the ascending reticular activating system or ARAS. 

b.  An  descending  branch  (ventral  reticulospinal  tract)  which 

facilitates the spinal centers. 

2.  Inhibitory reticular formation:  this is located mainly  in the medulla 

oblongata,  it  has  no  inherent  activity,  and  its  axons  descend  as  the 
lateral reticulospinal tract, which inhibits the spinal centers. 

 

FUNCTIONS OF THE RETICULAR FORMATION 

 

1.  Control  of  the  level  of  consciousness  via  the  ascending  reticular 

activating system. 

2.  Regulation  of  the  stretch  reflex  and  muscle  tone  via  the 

reticulospinal tracts 

3.  Pain inhibition by the raphe Magnus nucleus. 
4.  Control of sleep by 2 specific centers. 
5.  Control  of  visceral  functions  (cardiac  activity)  by  controlling  the 

spinal lateral horn cells. 

 

ASCENDING RETICULAR ACTIVATING SYSTEM 

(ARAS) 

This is a multineuronal polysynaptic system of nerve fibers that originate at the 
facilitatory  reticular  formation.  Its  fibers  extend  upwards,  then  some  project 
directly  to  the  cerebral  cortex,  while  the  majority  relay  first  at  the  nonspecific 
thalamic nuclei, from which other fibers arise and project diffusely to almost all 
parts  of  the  cerebral  cortex,  the  latter  pathway  is  called  the  reticulo  thalamo 
cortical pathway. 

Functions of the ARAS 

 
The ARAS controls the electric activity of the cerebral cortex, and is concerned 
with  consciousness  and  production  of  the  alert  response,  so  reduction  of  its 
activity leads to sleep. 


background image

165 

FACTORS THAT AFFECT THE ACTIVITY OF 

THE ARAS 

 

A. Factors that increase the ARAS activity 

1.  Sensory signals (especially pain).  
2.  Signals  from  the  cerebral  cortex  (via  the  corticofugal  fibers)  which 

increase alertness and decrease the desire to sleep ( during emotions and 
voluntary movements) 

3.  Certain  drugs  called  the  analeptic  drugs  e.g.  catecholamine’s, 

amphetamine. 
 

B.  Factors that decrease the ARAS activity 

1.  Reduction of signals from either the sensory pathways or the cerebral 

cortex 

2.  Stimulation of the sleep centers. 
3.  Extensive damage of the ARAS (e.g. by tumors’) 
4.  General anesthetic drugs: these drugs lead to unconsciousness through 

depressing  the  ARAS  activity.  They  inhibit  the  synaptic  transmission 
between its neurons (by producing a state of hyper polarization in these 
neurons. 

 

 

 


background image

166 

Physiology 

Dr. Basim Mohamad Alwan                                                      Lecture 17 

THE LIMB IC SYSTEM 

COMPONENTS OF THE LIMBIC SYSTEM 

The  limbic  system  is  the  area  of  the  brain  that  regulates  emotion  and

 

memory.  This  system  consists  of  a  group  of  structures  that  make  the  border 

between  the  neocortex  and  the  brainstem  (limbus  =  border).  It  has  two 

components: 

1.  The limbic lobe (archicortex and paleocortex) (fig. 17-1). It is the oldest part 

of  the  cortex.  It  includes  the  subcallosal  gyrus,  the  cingulate  gyrus,  the 

retrosplenial cortex, the hippocampus, the parahippocarnpal gyrus and the uncus. 

It also includes the piriform cortex and the entorhinal cortex which are connected 

to the olfactory bulb and tubercle. 

2.  A group of deep structures intimately related to the limbic lobe. 

 

Figure 17-1: A view of the medial surface of the right cerebral hemisphere showing the 

components of the limbic system 

They  include  the  hypothalamus,  the  amygdale,  and  the  anterior  nuclei  of  the 

thalamus,  the  septal  nuclei  and  the  upper  part  of  the  midbrain  (the  limbic 

midbrain area - LMA) (fig. 17-2). 


background image

167 

 

Figure 17 – 2: The limbic system. 

M.Str  and,  LStr;  medial  and  lateral olfactory striae;  Str  med; stria  medullaris;  Tub; olfactory 

tubercle; DB; diagonal band of Broca; Sep;    septum; AT;  anterior nucleus of the thalamu; M;   

mamillary body; H;   Habenula; P; interpeduncular nucleus; MFB    medial forebrain bundle; 

 

CONNECTIONS (fig.17-3) 

Besides the extensive interconnections between different parts of the limbic system, 

it is also connected to higher and lower centers. 

The temporal cortex mediates information from the visual, auditory, and somatosensory 

cortices to the amygdala and the hippocampus. The orbitofrontal cortex is connected to 

the  hypothalamus.  It  is  the  only  neocortical  region  with  direct  connection  to  the 

hypothalamus  and  the  most  important  neocortical  control  element  on  the  limbic 

functions. 

The  medial  forebrain  bundle  connects  the  thalamus  and  hypothalamus  with  the 

orbitofrontal cortex upwards and with the limbic midbrain area (LMA) downwards. 

PAPEZ CIRCUIT:

 

The Papez circuit of the 

brain

 is one of the major pathways 

of the 

limbic system

 and is chiefly involved in the 

cortical

 control o

emotion

The Papez circuit plays a role in storing memory. Described by 

James Papez

 in 

1937, Papez discovered the circuit after injecting 

rabies

 virus into a cat's 

hippocampus

 and monitoring its progression through the brain.

 


background image

168 

 

 

Fig. 17-3 Papez circuit 

 

 

Fig. 17-4 the brain structures associated with the limbic system 

 

CHARACTERISTIC FEATURES OF THE LIMBIC SYSTEM 

•  It contains a large number of excitatory neuronal circuits that act as reverberating 

circuits. 

•  Impulses that excite the system produce a prolonged after discharge in the system 

i.e. the response outlast the stimulus.   


background image

169 

•  Its functions are closely associated with hypothalamic functions. 

 

THE REWARD AND PUNISHMENT SYSTEMS 

The limbic system contains reward and punishment systems. The reward system 

consists  of  a  major  reward  center  in  the  lateral  and  ventromedial  nuclei  of  the 

hypothalamus,  and  less  potent  centers  in  the  amygdala,  the  thalamus  and  the 

tegmentum of the limbic midbrain area. Stimulation of the system gives a sense 

of  reward;  i.e.  relaxation, pleasure  and satisfaction. The subject  is  motivated  to 

approach or repeat the rewarding experience (the approach reaction). 

The punishment system consists of a major punishment center in the periventricular 

nucleus  of  the  hypothalamus  which  extends  up  to  the  thalamus  and  down  to  the 

periaquiductal gray matter of the limbic midbrain area, and other less potent centers 

in the amygdala and the hippocampus. Stimulation of the punishment system gives a 

sense of punishment i.e. displeasure, fear, and terror. The subject is motivated to avert 

the punishing experience (the aversion reaction). 

Dopamine  is the main chemical  transmitter  in  the reward system. Cocaine  produces a 

sense  of  well-being  and  pleasure  by  increasing  the  release  of  dopamine  from  the 

dopaminergic nerve endings in this system. 

The  reward  and  punishment  systems  are  very  important  for  motivation,  emotions, 

memory, and learning. Any experience that stimulates either of these systems can be 

easily  admitted  into  long-term  memory.  Without  stimulating  the  reward  or 

punishment systems, the experience has to be rehearsed or practiced repeatedly before 

it could be stored in the long-term memory. 

 

FUNCTIONS OF THE LIMBIC SYSTEM 

1.  OLFACTION 

Olfaction  is  the  oldest  function  of  the  limbic  system.  The  limbic  system  is 

concerned with perception and discrimination of different odors. It stores olfactory 

memories and controls the emotional responses to olfactory stimuli.  


background image

170 

2. MOTIVATION 

Motivation is the feeling which activates a certain behavior to achieve a certain goal. 

Motivation is controlled by the limbic association area. The reward and punishment 

systems  help the  limbic  association  area  to decide  whether  to  approach or  avert  a 

certain experience. 

3. EMOTIONS 

Emotions  are  states  of  strong  feelings,  associated  with  autonomic,  and  endocrinal 

changes, and a strong affect. An emotional state starts by stimulation of the reward 

or the punishment systems. This activates  the excitatory reverberating circuits of 

the limbic system which set other structures into action: 

1.  The thalamus which activates the cerebral cortex and increases 

the level of alertness. 

2.  The  hypothalamus  which  starts  autonomic  and  endocrinal  reactions;  e.g. 

tachycardia, hypertension and adrenaline secretion. 

3 The amygdaloid nuclei which adjust the hypothalamic sensitivity 

4. The orbitofrontal cortex  which decides the behavioral motor  response to the 

incoming signal. 

5. The  hippocampus  which sorts out  the  input signals  and decides  whether they 

will be stored in memory or ignored and discarded. 

Emotions outlast the provoking stimuli  because they depend on the  activity  of  the 

excitatory  reverberating  circuits  of  the  limbic  system  which  have  a  long 

afterdischarge. Emotions also cannot be turned on or off voluntarily because the motor 

cortex has no efferent connections that can interfere with these circuits. 

Stimulation of the medial, forebrain bundle or the septal nuclei produces a sense 

of joy and happiness.   

 

4. MEMORY 

The  limbic  system  plays  an  important  role  in  sorting  out  the  sensory  signals  into 

significant  ones  which  are  stored  in  memory  and  insignificant  ones  which  are 


background image

171 

ignored. It is also important for encoding and consolidation of memory. 

 

5.  LEARNING             

The hippocampus and amygdala are quite important for operant conditioning and 

intelligence. 

 

6.  CONTROL OF FEEDING BEHAVIOR 

The amygdaloid nucleus "sorts out" food into edible and inedible material on the basis 

of past experience. Lesions in the amygdaloid nuclei lead to hyperphagia. However, 

unlike  animals  with  lesions  in  the  hypothalamic  satiety  center,  animals  with 

amygdaloid lesions try to eat any available object (omniphagia) before they discover 

whether it is edible or not (oral exploration).  

 
7. CONTROL OF SEXUAL BEHAVIOR 
Sexual  behavior  in  man  is  largely  controlled  by  the orbitofrontal  cortex.  But  the 

instinctual  desires  and  innate  reactions  that  lead  to  mating  and  pregnancy  are 

functions of the limbic system and hypothalamus . 

Lesions in the piriform cortex in the periamygdaloid area produce hypersexuality in 

male  animals. The sexual desire  is  intensified; the  animals copulate  with  adult and 

non-adult females of the same and of other species. They even mount male animals 

and  inanimate  objects.  The  same  lesions  in  female  animals  do  not  affect  their 

sexual behavior. 

8.  CONTROL OF MATERNAL BEHAVIOR 

Nursing  and care of young babies  is an  instinctual behavior  in the female. The 

instinctual maternal feelings and behavior are facilitated by the hormone prolactin. 

They are markedly depressed by lesion in the cingulate and retrosplenial gyri. 

 

9.  CONTROL OF AUTONOMIC FUNCTIONS 

Simulation of limbic structures produces autonomic effects; e.g. changes in heart 


background image

172 

rate  and  arterial  blood pressure. The  response  produced  from  wide  areas  in  the 

limbic system. It is part of response to emotions. 

 

10. CONTROL OF RELEASE OF SOME HORMONES 

Catecholamines and ACTH are released in response to stimulation different areas of 

the  limbic  system.  It  is  part  of  the  response  to  emotions  (the  stress  or  alarm 

response). 

 

 


background image

173 

PHYSIOLOGY 

Dr. Basim Mohamad Alwan                                                    Lecture 18  

SLEEP 

Sleep  is  a  state  of  unconsciousness  from  which  the  person  can  be  aroused by 

sensory stimuli. A normal adult person sleeps 7-8 hr/day.   

A newly-born infant sleeps much longer time (16-18 hi/day), whilst an old person 

sleeps less (5-6 hr/day). 

 

Figure 18 - 1: sleep cycle 

 

WAKING / SLEEPING RHYTHM 

Waking  and  sleeping  periods  follow  each  other  in  a  circadian  rhythm  (i.e.  24  hr. 

rhythm) which is synchronized with the daily light-dark cycle. This synchronization is 

the function of the suprachiasmatic nucleus of the hypothalamus which receives 

collateral from the visual pathway Physical and psychological factors affect the 

onset and duration of sleep. E.g. cold and fear prevent the onset of sleep, whilst 

fatigue and boredom facilitate its onset. In days preceding examinations, students 

may use sleep as a legitimate escape way to avert studying. 


background image

174 

TYPES OF SLEEP 

There are two types of sleep which follow each other in a cyclic manner during 

the sleep period; these types are: 

 

1. NON-REM SLEEP 

Non-REM sleep is also called slow wave sleep, or NREM sleep. It is a quiet sleep 

during which there is no REM (Rapid Eye Movement). There are no dreams, but 

other signs  of  mental  activity  might  show  up;  as sleep-talking  or sleep  walking 

(somnambulism) and night terror of children.  Muscles are relaxed. 

There are four stages of the non-REM sleep which can be identified  by the EEG 

recording as follows. 

(a)  STAGE I (very light steep) 

This stage is characterized by slowing of the EEG rhythm and the  appearance of 

small  theta waves. If a person is awakened during this stage, he asserts that he 

was not asleep, but just closing his eyes. This stage occurs only at the onset and at 

the waking up from sleep. 

(b)  STAGE II (light sleep) 

This stage is characterized by the appearance in the EEG of sleep  spindles on a 

background  of  theta  waves.  Sleep  spindles  are  bursts  of  large  waves  with  a 

frequency of 14-15 Hz which last for 1-2 seconds. 

 (c)  STAGE III (intermediate sleep) 

This  stage  is  characterized  by  the  appearance  in  the  EEG  of  rapid  delta  waves 

(frequency  3-3.5  Hz).  Breathing  is  slow  and  even,  pulse  rate  is  about  65  beats 

/min, temperature and arterial blood pressure continue to decline. 

(d)  STAGE IV (deep sleep) 

This  stage  is characterized  by  the  appearance  in  the  EEG  of  delta-max  waves 

(delta waves with maximum slowing; frequency 0.5  - 1.2Hz). This stage occurs 

only in the early sleep cycles. There is maximum slowing of breathing and heart 

rate (about 60 beats/min). Cheyne-Stoke breathing may occur. 


background image

175 

2. REM SLEEP 

During REM {Rapid Eye Movement) sleep, there is rapid roving movement of the 

eye.  Dreams occur during  this  type of sleep. The  EEG  shows  the  desynchronized 

β-rhythm.    Although  the  EEG  pattern  is  indicative  of  an  activated  brain,  the 

awakening threshold is as high as in deep sleep. That is why REM sleep is also called 

"paradoxical sleep". There is marked decrease in muscle tone except for occasional 

twitches  of  the  facial  and  finger  muscles.  During  REM sleep, dreams  with  sexual 

elements are associated with erection of the penis and possible ejaculation. 

 

SLEEP CYCLES 

Normal  sleep  starts  by  non-REM sleep  for  about  80  min  (70-  100)  followed  by 

REM sleep for about 20 min (10-40). The cycle is then repeated but with shorter 

NREM and longer REM periods. Four to  five sleep cycles occur in a normal one 

night  sleep.  In  the  later  cycles,  sleep  becomes  lighter  with  no  NREM  stage  IV 

(deep sleep) phases. The duration of deep sleep periods shortens with the advance 

of age. 

 

MECHANISM OF SLEEP 

There are three theories to explain how sleep is induced. All of them are valid and 

operating for induction of sleep and controlling the waking/sleeping rhythm. 

 

1. THE METABOLIC THEORY 

During wakefulness, brain cells produce a sleep-inducing factor (factor-S) which 

accumulates in the CSF. When it reaches a certain level it induces NREM sleep. 

This factor (a glucopeptide) was isolated from the CSF and urine of persons after 

a  period  of  sleep  deprivation.  When  injected  in  humans  of  animals,  factor-S 

induces NREM sleep. A REM sleep factor also exists. Serotonin is considered as 

a "sleep hormone" because it stimulates the production of these sleep-inducing 

substances. A deep sleep-inducing peptide (DSIP) was isolated from the CSF and 


background image

176 

urine of subjects during deep sleep. 

Table 18 -1: A comparison between NJREM and REM sleep. 

Criteria 

NREM sleep 

REM sleep 

1. Incidence 

Before REM sleep 

After NREM sleep 

2. Duration (per cycle) 

Longer (80 rnin) 

Shorter (20 min) 

3, Depth of sleep  

Variable 

Very light 

4. Threshold of 
awakening stimulus  

Variable 

High 

5. Rapid eye movement 

Absent 

Present 

6. Dreams 

Absent 

Present 

7. Muscle tone 

Low 

Very Low 

8. Sleep talking & sleep 
walking 

May occur 

Do not occur 

9. Penile erection 

Absent 

Present 

10. EEG 

8- & δ-waves 

β-waves 

Nucleus ceruleus 

11, Controlling center 

Raphe nuclei 

 

The concentration of factor-S in the brain declines steadily during sleep leading 

finally  to  termination  of  sleep  and  start  of  wakefulness.  According  to  the 

metabolic  theory  of  sleep,  the  important  factor  in  determining  the 

waking/sleeping rhythm. 

 

2. THE PASSIVE THEORY (DEAFFERENTATION THEORY) 

The ascending reticular activating system (ARAS) sends facilitatory  signals to the 

cerebral  cortex  to  increase  its  excitability  and  maintain  the  wakeful,  alert  state. 

According to the passive theory, sleep is induced when the facilitatory signals from 

the  ARAS  to  the  cortex  are  withdrawn.    This  occurs  when  the  activity  of  the 

ARAS  is  depressed  either  by  fatigue  or  by  lack  of  sensory  input  signals  or 

corticofugal signals.   

This  theory  explains  how  sleep  is  rapidly  induced  by  physical  and  mental 


background image

177 

relaxation in a comfortable bed in a quiet, dark room at comfortable temperature. 

Under  these  conditions,  all  sensory  signals  are  reduced  to  minimal  (functional 

sensory  deafferentation)  and  the  ARAS  activity  is  markedly  reduced.  Mental 

relaxation  eliminates  any  excitatory  corticofugal  signals  and  helps  the  onset  of 

sleep.   

After a  long period of wakefulness ARAS activity  is depressed by  fatigue. This 

reduces the excitability of the cortical neurons leading to sleep. 

 

3. THE ACTIVE THEORY (SLEEP CENTERS) 

According  to  this  theory  there  are  specific  centers  which  induce  NREM  sleep, 

others  which  induce  REM  sleep.  There  is  awaking/sleeping  oscillator  which 

regulates the activity of these sleep centers. 

Sleep is induced by induction of NREM sleep, REM sleep follows automatically. 

(a) NREM SLEEP CENTER 

The raphe magnus nuclei of the upper medulla and lower pons are considered as a 

NREM sleeping center. Their stimulation induces NREM sleep. Their damage leads 

to prolonged insomnia. 

Inhibitory  fibers  from  the  raphe  nuclei  project  to  the  ARAS  and  the  cerebral 

cortex.      These  fibers  are  serotonergic  so      drugs  that  block  the  synthesis  of 

serotonin, as chlorphenylalanin, produce prolonged insomnia. This insomnia can 

be  treated  by  5-hydroxtrytophan.  This  is  a  precursor  of  serotonin,  but  unlike 

serotonin, it can easily cross the blood-brain barrier. 

(b) REM SLEEP CENTER 

The  nucleus  ceruleus  of  the  pons  is  considered  as  a  REM  sleep  center.  Its 

stimulation converts NREM to REM sleep. It  stimulates the cerebral cortex and 

inhibits  the  raphe  nuclei.  The  EEG shows  the  waking  desynchronized β-rhythm 

although  the  subject  is  asleep.  It  inhibits  the  facilitatory  reticular  formation 

leading to marked decrease in the skeletal  muscle tone. A  lesion  in the nucleus 

ceruleus abolishes REM sleep, but NREM sleep can still occur. 


background image

178 

(c)  WAKING/SLEEPING OSCILLATOR CENTER 

The  suprachiasmatic  nucleus  of  the  anterior  hypothalamus  is  responsible  for 

synchronizing  the  waking/sleeping  rhythm  with  the  24-hr  light/dark  cycle.  It  is 

considered as the waking/sleeping oscillator center. The suprachiasmatic nucleus acts 

by stimulating the raphe nuclei which in turn induce sleep. Damage of this nucleus 

leads to intense wakefulness. This eventually leads to severe exhaustion which could 

be fatal. 

 

JET LAG 

Jet lag is the delay of synchronization of sleep and other biological  functions of 

the body to a shift in the light-dark cycle. 

Flying by modem fast jet planes causes shift of the light dark cycles;  the day of 

the flight is shortened by flying eastwards and is lengthened by flying westwards. 

The  circadian  rhythm  of  sleep  and  other  biological  functions  take  one  day  per 

time  zone  (one-hour  shift)  for  readjustment  to  synchronize  with  the  new 

light-dark cycles. Readjustment is easier after flight to the west than to the east. 

 

PHYSIOLOGICAL CHANGES DURING SLEEP 

NERVOUS SYSTEM 

Voluntary  activity  and  sensory  perception  are  abolished.  The  brain  is  still 

receptive and shows evoked potentials in response to sensory stimuli as clicking 

sounds  although  these  sounds  may  fail  to  arouse  the  sleeper.  Protective  spinal 

withdrawal reflexes are depressed but can still  be elicited. Sleeping synchronizes 

various  nervous  centers  together.  This  synchronization  is  disturbed  during  the 

long periods of wakefulness which leads to increase in the rate of error in judgment 

and  behavior.  The  synchronization  of  nervous  centers  is  the  main  function  of 

sleep; i.e. putting all the nervous centers back to the zero line. 

CARDIOVASCULAR SYSTEM 

There is slowing of the heart down to 60 beats/min and drop in the arterial blood 


background image

179 

pressure. Also, there is general slowing of the circulation with prolongation of the 

circulation time. 

RESPIRATORY SYSTEM 

There is decrease in the rate and depth of breathing which decreases pulmonary 

ventilation,  Cheyne-Stoke's  breathing  may  occur  due  to  slow  circulation  and 

prolonged  lung-to-brain circulation  time.  Airway  resistance  increases  because of 

the increased vagal tone. 

BLOOD 

PCO

2

 rises up with a tendency to acidosis due to decreased pulmonary ventilation. 

The hematocrit value increases because of the chloride shift. 

DIGESTIVE SYSTEM 

There is enhanced secretory and motor activity. Splanchnic blood flow increases 

and absorption is enhanced. 

METABOLISM 

Metabolic rate decreases by 10-30 %. Body temperature drops by 0.5- 1°C. The 

circadian 

metabolic 

and 

temperature  cycles 

are  synchronized 

with 

waking/sleeping  cycles,  but  are  not  dependent  on  sleep;  i.e.  they  occur  even 

without sleep. 

ENDOCRINE GLANDS 

Secretion  of  most  hormones  show  a  variable  degree  of  circadian  rhythmicity 

which  is  synchronized  with  the  waking/sleeping  rhythm  but  again  it  is  mostly 

independent of sleep. ACTH and Cortisol secretion decreases to a minimal level 

at midnight and reaches a maximum level at about 8 AM.  

Secretion of growth hormone, however, is directly related to sleep. It is stimulated 

by NREM sleep and inhibited by REM sleep. 

SKELETAL MUSCLE TONE 

Skeletal muscle tone decreases during sleep, it decreases during REM  more than 

during  NREM  sleep.  The  decrease  in  muscle  tone  occurs by  inhibition  of  the 

facilitatory reticular formation. 


background image

180 

KIDNEYS 

The rate of urine formation increases due to the decrease in sympathetic tone and 

the increase in the renal blood flow. 

PUPILS 

Pupils are constricted despite lid closure. The oculomotor nucleus is released from 

cortical inhibition. The parasympathetic tone is higher 

during sleep. 

 

SLEEP DISORDERS 

INSOMNIA 

Insomnia means lack of sleep despite convenient surroundings. A normal adult 

can manage with 5.5 hr of sleep/day for long periods without ill effects. Insomnia 

may  he  caused  by  psychological  factors  as  anxiety,  fear,  or  depression;  or  the 

intake of analeptic substances as tea, coffee, or cola; or lesions in the sleep centers 

in  the  brainstem  or  the  suprachiasmatic  nucleus  of  the  hypothalamus,  or  an 

irritative lesion in the dorsal hypothalamus. 

Prolonged insomnia leads to bizarre behavior, temporary neurosis and psychosis. 

Mental brightness and memory fail with lack of attention. After 4-5 days of sleep 

deprivation, hallucinogenic substance similar to LSD (lysergic acid diethylamide) 

appears in blood leading to hallucinations. 

SNORING 

It is the production of sound by a sleeping person during breathing. The person is 

usually in the supine position with the mouth open. The tongue sinks back into the 

throat. Snoring is occasionally followed by sleep apnea which could be fatal. 

SLEEPTALKING 

This is not an abnormality. It is just a sign of mental activity which occurs during 

NREM sleep. 

SLEEPWALKING (Somnambulism) 

This is neither pathological nor harmful symptom. It happens to people at any age 


background image

181 

but is most common in children and young adults. 

The eyes of the sleepwalker are open, gazing straight ahead to nothing.  He avoids 

obstacles  in  his  way  but  pays  no  attention  to  the  surroundings.  Sleepwalking 

occurs during  deep  NREM  sleep  and  is  not  accompanied  by  dreaming.  It  is  a 

special form of walking guided by sensory stimuli but without consciousness. 

 

BED WETTING (Enuresis) 

This is a, reflex micturition that occurs during sleep without any control from the 

higher  centers.    It  occurs  during  deep  NREM  sleep  with  no  dreams.   

Psychological factors may contribute to this condition. 

 

NIGHT TERROR OF CHILDREN (Pavor nocturnus) 

In  this  condition,  the  child  sits  up  shortly  after  sleep  onset,  screaming  and 

appearing to stare at someone or something with wide open eyes. The face is pale 

and covered with sweat, and breathing  is difficult.  After a short time, the child 

wakes up, recognizing his surroundings and, if reassured, goes back to sleep. This 

condition  occurs during  deep  NREM sleep.  The child  usually  cannot  recall  any 

dreams. 


background image

182 

PHYSIOLOGY 

Dr. Basim Mohamad Alwan                                               Lecture 19 

LEARNING 

Learning is the ability of the brain to use previous experience to modify 

the  inborn  reactions  or  create  new  ones.  There  are  two  types  of 

learning; non-associative and associative

 

1. NON-ASSOCIATIVE LEARNING 

In this type of  learning, the subject  learns whether  to ignore or to respond to a 

certain  stimulus.  This  occurs  through  two  mechanisms;  habituation  and 

sensitization. 

 

(a)  HABITUATION 

This is the gradual decrease in response when the stimulus is frequently repeated. 

For example, a loud and unexpected sound produces several reflexes, i.e. looking 

towards the sound source, change in heart rate and blood pressure. If the sound 

turns  out  to  be  insignificant  to  the  subject,  subsequent  repetition  of  the  sound 

produces little or no response at all.  

Habituation  is stimulus specific. If one is habituated to traffic noise, he will be 

able  to  sleep  in  this  noise.  Then,  on  a  background  of  traffic  noise,  either  an 

unusual sound or unusual silence will  wake him up. Also,  a mother who sleeps 

through many kinds of noise, wakes up promptly when her baby cries. 

Habituation  is  the  simplest  and  most  widespread  form  of  learning.  Through 

habituation, one learns to ignore a huge number of insignificant stimuli.  

(b)  SENSITIZATION 

This  is  the  potentiation  of  a  response  to  a certain  stimulus  by coupling  it  with 

another  intense  or  noxious  stimulus.  For  example,  one  normally  ignores  stray 


background image

183 

dogs (by habituation), but if one is bitten by a stray dog, he becomes very attentive 

to avert dogs for a long time (the aversion reaction). 

Sensitization is stimulus specific. A person who was bitten by a dog will not be 

afraid of a caw. 

Habituation  and  sensitization  are  simple  but  very  important  learning  processes. 

Through them, one learns to direct his attention to significant stimuli and ignore the 

much more numerous insignificant ones. 

 

2. ASSOCIATIVE LEARNING 

In  this  type  of  learning,  the subject  learns  the correlation  between  one  stimulus 

and  another.  Associative  learning  occurs  by  conditioning  of  body  reactions. 

There are two types of conditioning; classical and operant conditioning. 

(a) CLASSSCAL CONDITIONING 

Classical  conditioned  reflexes  are  reflexes  in  which a nonspecific  stimulus  is 

made to produce the same response as the specific stimulus of a certain reflex

They are produced by applying the nonspecific stimulus (conditioned stimulus - 

CS) before the specific stimulus (unconditioned stimulus - US) for several times. 

When conditioning  is established, the application of the CS produces the same 

response as the US. 

For example, salivation is a normal response to food intake. If a person gets used 

to taking tasty meals in a certain restaurant, when conditioning is established, the 

entry into this restaurant would reflexly stimulate salivary secretion even without 

taking food. In this case, the entry into the place which is the conditioned stimulus 

(CS) becomes linked to food intake which is the unconditioned stimulus (US). 

To establish a conditioned reflex, the CS must be applied before the US not after it. 

The  two stimuli  must  not  be  separated by  a  long  interval  or by  any  distracting 

stimulus. The pairing of the CS and US must occur for several times until new 

facilitated pathways for the new conditioned reflex are formed. 

The center of classical conditioning  is the cerebral cortex. Most of the classical 


background image

184 

conditioned reflexes are integrated in the orbitofrontal cortex. 

(b)    OPERANT CONDITIONING 

Operant conditional reflexes are "reflexes in which the subject learns to take an 

action in response to a stimulus to get a reward or  avert a punishment"; i.e. the 

subject  "operates"  on  his  surroundings.  For  example,  a  car  driver  would  slow 

down and stop the car on seeing the red traffic light, and drives on when seeing the 

green light. 

Operant conditioning cannot be established in the absence of the cerebral cortex, 

especially  the  orbitofrontal  cortex.  The  hippocampus  and  the  amygdala  are 

important in linking the stimulus to the operation. 

 

INTELLIGENCE 

Intelligence is the efficient employment of past and present experience  to get the 

best  solution  for  a  problem.  It  is  a  mental  faculty  which  requires  three  brain 

capabilities: 

1.  Rapid  grasping  of  significant  signals,  their  coding  and  storage  in  the 

appropriate memory stores. 

2.  Rapid  retrieval of  the  appropriate,  sufficient  information  related  to current 

experience. 

3.  Efficient linking of information from past experience to information from the 

current  one  to  reach  accurate  evaluation  of  the  situation  and  formulating  or 

creating ideas of the best way to handle it.  

Although man-made computers grasp, store, retrieve and link data fed to them, 

they differ from the brain in that they cannot create new ideas although they can 

formulate solutions to problems based on the stored data. 

Intelligence is a combined function of the cortical association areas together with 

the  limbic  system.  It  is  the  basis  for  professional  efficiency  particularly  in 

intellectual  professions  as  scientists  and  physicians.  High  intelligence  requires 

rich, well coded memory stores. 


background image

185 

Intelligence is not inherited. It is an inborn brain capability which is influenced by 

social and environmental conditions. It can be improved by appropriate training. 

Trials to improve intelligence by drugs have all failed. 

The  intelligence  quotient  (IQ)  is  a  number  indicating  the  ratio  of  a  person's 

intelligence relative to the average.  

 

 


background image

186 

PHYSIOLOGY 

Dr. Basim Mohamad Awan                                                        Lecture 20 

MEMORY 

Memory  is  the  ability  of  the  brain  to store  information  and  retrieve  it  at  a  later 

time. The storage capacity of the human brain is limited. So, the information that 

flow  into  the  brain  is  classified.  The  most  important  ones  (less  than  1%)  are 

selected and stored, but all the rest are neglected and forgotten. 

STORAGE CAPACITY OF THE BRAIN 

The information unit is the "bit", A bit is the simplest form of sensory experience; 

i.e. a letter, a line, a color, a tone, a smell...etc. The capacity of all the sensory system 

to send information to the brain is less than 50 bits/s. E.g. during quiet reading, the 

rate of information flow to the brain is 40 bits/s, during mental calculation it is 12 

bits/s and during counting it is 3 bits/s. An average rate of information flow is about 

20 bits/s. For learning  a  language,  40-50  million bits should be stored  in  memory. 

Ten neurons are required to store one bit of information. The total storage capacity 

of the human brain is about 3x 10

8

 bits. 

 

TYPES OF MEMORY 

There are four different types of memory: 

[I] 

SENSORY MEMORY (Immediate memory). 

[II]  PRIMARY MEMORY (Short-term memory) 

 

[III]  SECONDARY MEMORY (Long-term memory)     

[IV]  TERTIARY MEMORY (permanent memory) 

 

[I] SENSORY MEMORY (Immediate memory) 

Any sensory signal is automatically stored in the sensory memory for few seconds. 

This  memory  can  accommodate  15-20  bits.  Forgetting  starts  spontaneously 


background image

187 

immediately after the information is acquired. The spontaneous gradual decline in 

the  amount  of  stored  information  is  called  "fading"  of  information.  The 

spontaneous  disappearance  of  information  from  the  memory  is  called 

"extinction"  of  information.  The  information  in  sensory  memory  can  be 

transferred to the secondary memory.  

[II] PRIMARY MEMORY (Short-term memory) 

This is a memory that lasts for few minutes to few hours. The information enters 

this memory by verbalization; i.e. through spoken or written words. The primary 

memory is not found in young infants or animals as they would not understand the 

meaning of spoken or written words. 

The capacity of primary memory is small. Bits of information are introduced into 

it in chronological order, one after the other. The new information replaces the old 

ones. The latter are then forgotten.  

The access to the primary memory stores is rapid; one can retrieve the information 

rapidly. 

[III] SECONDARY MEMORY (Long-term memory) 

This is a memory that lasts for several hours up to several years. The information 

is  introduced into this memory from the sensory and  primary memories by two 

mechanisms: 

L Stimulation of the reward or punishment systems.   

2. Repeated practice or rehearsal of the experience. 

The  capacity  of  the  secondary  memory  is  large.  The  information  is  stored 

according  to  its significance.  The bits of  information  of  related  significance  are 

stored together. The access to the secondary memory stores is slow; it takes some 

time to remember the wanted information. 

Forgetting  of  information  in  the  secondary  memory  occurs  when  a  new 

information conflicts with an old stored one. In this case, one information cancels 

the other either by repulsion or by replacement If the 'old information repels the 

new  one;  the  process  is called  "proactive  inhibition".  If  the  new  information 


background image

188 

replaces the old one, the process is called "retroactive inhibition". 

In this way. the more we have learned, the greater the  liability to forget the new 

information by proactive  inhibition. The old information inhibits the acquisition 

of new ones. Therefore, the blame for most of our forgetting must be placed on 

what we have learned before. 

[IV] TERTIARY MEMORY (Permanent memory) 

This is the permanent memory. The information stored in this memory are never 

forgotten;  e.g.  one's  name  or  the  ability  to  read  and  write.  Information  in  the 

tertiary memory comes from the secondary memory by years of practice, which 

strongly consolidates the memory. The stored information in the tertiary memory 

remains available for retrieval  even if  information in other memories are erased 

by  brain  injury  or  disease.  This  is  because  information  in  the  tertiary  memory 

occupy large areas of the brain and more than one "copy" of the information are 

stored in different regions of the brain.  

The access to the ternary memory is very rapid, e.g. one immediately remembers 

his name if he is asked about it. 

 

MECHANISMS OF MEMORY 

  [I] SENSORY MEMORY 

Sensory  memory  is  made by prolonged  after  discharge  in  the  neuronal  circuits. 

Three mechanisms are involved: 

(a)  Activation  of  reverberating  circuits  leading  to  repeated  reactivation  of 

neurons. 

(b)  Short term synaptic potentiation by multiple successive stimulation of input 

neurons. 

(

C

)

 

Synaptic  sensitization  by  coupling  the  sensory  experience  with  intense  or 

noxious stimulus. 

 


background image

189 

[II] PRIMARY MEMORY 

The primary memory is made by the formation of temporary memory traces. 

memory  trace  is  a  newly  developed  pathway  for  signal  transmission  resulting 

from facilitation of new synapses. This leads to the creation of new circuits in the 

brain that keeps the memory of the experience. Activation of these circuits brings 

the  memory  up  to  one's  mind.  There  are  two  possible  mechanisms  for  the 

formation of the new memory traces: 

(a)  Long term potentiation of synapses. During verbalization the brain catches 

the new interesting information and rehearses it several times.   

(b)  Changes  in  the  physical  properties  of  the  postsynaptic  membrane 

leading to enhanced sensitivity to the chemical transmitter.  

 

[III] SECONDARY MEMORY 

Secondary  memory  is  made  by  formation  of  "memory  engrams".  A  memory 

engram  is  a  long-lasting  memory  trace  formed  by  structural  changes  in 

presynaptic terminals. These changes inc lude: 

(a)  Increase  in  the  total  area  of  the  specific  release  sites  in  the  cell 

membrane. Transmitter  vesicles  get  attached  to  these sites  before  they  rupture 

and  release  their  transmitter  into  the  synaptic  cleft.  The  increase  in  the  release 

sites increases the amount of transmitter released at the presynaptic terminal, thus 

facilitating synaptic transmission. 

(b)  Increase  in  the  number  of  transmitter  vesicles  in  the  presynaptic 

terminal. 

(c)  Increase  in  the  number  of  presynaptic  terminals  by  formation  of  new 

terminals. 

The memory engrams remain for a long time, up to several years.  Formation of 

memory  engrams  requires  protein  synthesis.  Antibiotics  which  inhibit  protein 

biosynthesis interfere with the formation of memory engrams. They prevent the 

consolidation of memory but do not affect the primary memory. 


background image

190 

[IV] TERTIARY MEMORY 

Tertiary  memory  is  made  by  the  formation  of  permanent  memory  traces 

(permanent  engrams).  These  permanent  engrams  are  made  by  structural 

changes in the neurons. The changes are similar to those in secondary memory. 

Tertiary memory may be considered as an advanced stage of secondary memory.  

Table 26-1 compares and contrasts the different types of memory 

 

Table 19-1: Characteristics of different types of memory. 

 

Sensory 

Primary 

Secondary 

Tertiary 

Capacity 

Very small 

Small 

Very large 

Very large 

Duration 

Few seconds 

Minutes to hours 

Hours to years 

Permanent 

Entry into storage  Automatic during 

perception 

Verbalization 

Practice or stim. 

of reward or 

punish, systems 

Repeated practice 

for long time 

Speed of retrieval 

Very rapid 

Rapid 

Slow 

Very rapid 

Type    of stimulus 

Sensory 

Verbal 

All forms 

All forms 

Forgetting 

Spontan. fading & 

extinction 

New information 

replaces the old 

Pro.and retro. 

active inhibition 

No forgetting 

 

CONSOLIDATION OF MEMORY 

Consolidation of memory means the transfer of information from the  Sensory and 

primary short-term memories to the secondary  long-term memory. This process takes 

from 5 minutes for minimal consolidation to two hours for maximal consolidation. 

Consolidation  of  memory  could  be  interrupted  by  deep  anesthesia,  brain 

concussion  or  electroconvulsive  therapy  (ECT).  Accordingly,  if  a  sensory 

impression is made, then followed within 5 minutes by brain concussion or ECT or 

anesthesia, the experience gets extinct. This explains why patients who had brain 

concussion  in  accidents  cannot  remember  what  happened  at  the  time  of  the 


background image

191 

accident.  If  the  concussion  occurs  2  hours  after"  the  sensory  experience,  the 

information  remains  unaffected.  If  it  occurs  within  two  hours,  the  memory  is 

affected proportionately. 

Consolidation occurs to the information which attracts the attention of  the mind. 

The brain automatically rehearses this information. 

A wide awake person consolidates memories far better than a person with mental 

fatigue.  This  is  because  the  wide  awake  brain  is  more  attracted  by  the  new 

information  and  is  capable  of  making  rapid  and  more  frequent  rehearsals  that 

would consolidate memory more effectively. 

Normal quiet sleep consolidates the memory of information received before the 

onset of sleep. 

 

ENCODING OF MEMORY 

Encoding of memory is the classification, then placing each memory item  with other 

related items in the proper memory store; i.e. memory archiving. It is part of the 

consolidation process. The hippocampus plays a central role in this function. All bits 

of information go first to the hippocampus where they are sorted out as significant or 

insignificant.  If  the  information  is  classified  as  significant,  single  are  sent  to  the 

mamillary bodies of the hypothalamus. From the hypothalamus signals proceed on 

to  the orbitofrontal  cortex,  then  to  the basal  forebrain  (fig.  19-1). From  the basal 

forebrain (nucleus basalis of Meynert) there are diffuse  cholinergic projections to 

the memory stores which are found in all parts of the neocortex, the amygdala and 

the hippocampus. 

The  amygdala  associates  the  memories  formed  through  different  senses,  then 

through  its  connections  with  the  hypothalamus  (the  amygdalohypothalamic 

pathways)  it  is  responsible  for  the  emotional  and  autonomic  responses  to 

memories. 

 


background image

192 

 

Figure 19-1:    brain areas concerned with encoding of long term memory. 

 

Long-term memories are stored in the form of engrams in different regions of the 

brain. To retrieve a certain memory item, one should get an access to the specific 

engrams  of  this  item  and  activates  them.  This  can  be  done  by  different 

associations. For example the word  "Egypt" could be accessed and activated by 

other  words  as "the  pyramids",  "the  sphinx",  "the  Nile"  or  hearing  part  of  the 

opera "Aida" or seeing  a  photo of  a pharaoh  with  his characteristic  features  and 

head  dress.  Each  of  these  methods of  access  is  considered  as  a specific  "key" 

which "unlocks " and activates the specific engrams of the stored item.  

 

FACIAL RECOGNITION AREA 

The  impression  effaces  is  stored  in  the  "facial  recognition  area"  in  the 

neocortex of the undersurface of the temporal and occipital  lobes (fig. 19-2). In 

right-handed persons and some of the left handed ones, the facial recognition area 

is much better developed in the right (representational) hemisphere than in the left 

(categorical) hemisphere. 

Bilateral  lesion  in  this  area  leads  to  "prosopagnosia"  which  is'  inability  to 

recognize people by their faces. In this case, the patient can recognize persons by 


background image

193 

their  voices.  A  prosopagnostic  patient  develops  emotional  and  autonomic 

reactions on seeing a familiar face, but he  wouldn't identify the person until  he 

hears him speaking. 

 

NAMING OF OBJECTS AREA 

This  is  the  function  of  an  area  in  the  most  lateral  portion  of  both  the  anterior 

occipital and posterior temporal lobes. In this area, the names of different objects 

are stored. Like the facial recognition area, it is better developed on the right side 

than  in  the  left  side.  Damage  of  this  area  leads  to  inability  to  name  objects, 

although the patient is able to know what the object is, its value or its use.    Only 

the name is lost from memory.

 This is probably the brain area which gave Adam 

the advantage over angels. According to the holy Qur'an, after the creation of 

Adam, angels failed to name objects when Allah asked them to do, Adam by 

the command of Allah, preceded and told the names of objects.

 

 

 

Figure 19-2: basal view of the human facial recognition area. 

 

 

 


background image

194 

 

AMNESIA 

Amnesia (Gr. = forgetfulness) means the inability to remember past experience. 

There are several types of amnesia: 

1. RETROGRADE AMNESIA 

It  is the  inability to recall events that occurred shortly before the onset of brain 

malfunction without affecting memories of the remote past. Retrograde amnesia 

occurs with brain concussion (post-traumatic 

amnesia),  anesthesia,  electric  shock  (therapeutic  ECT or  accidentally).  In  these 

conditions, a transient brain malfunctioning erases the memories of events over a 

long period before the onset of malfunctioning. During recovery, the length of the 

period of amnesia shrinks progressively till it involves only several minutes. 

 

2.  ANTEROGRADE AMNESIA 

It is the  inability to form new  memories. The memories consolidated  before the 

onset of amnesia are retained. The sensory and primary  memories are functional 

but cannot be consolidated. 

Anterograde  amnesia  occurs  with  bilateral  lesions  in  the  hippocampus  or  other 

structures involved in the encoding of memory. 

 

3.  PSYCHOGENIC OR HYSTERICAL AMNESIA 

This  is  a  rare condition  characterized  by sudden  loss  of  memory  for  usually  all 

information in the secondary and tertiary memories. This usually follows a severe 

psychological trauma or it may be an unconscious response to internal conflict or 

an intolerable life situation. It is a purely functional disorder without any organic 

disease.      It can be differentiated from amnesia caused by damage or disease in 

the brain tissue by three characteristics: 

(I) All the personal data are forgotten, including the patient's own name.  

(ii) The amnesia is not affected by key stimuli; seeing members of his 


background image

195 

family, his friends or his personal effects. 

(iii) The inability to remember past events persists although the patient 

can make new memories. 

Complete recovery of memory almost always occurs. 

 

ALZHEIMER DISEASE AND SENILE DEMENTIA 

Alzheimer  disease  is  caused  by  degeneration of  the  cholinergic  nerve  fibers 

which  project  from  the  nucleus  basalis  of  Meynert  to  the  neocortex,  the 

amygdala and  the  hippocampus. The disease is characterized by deterioration 

of  intellectual  abilities  as  impairment  of  memory,  lack  of  judgment  and 

inattentiveness. The disease may occur at any age. In old age,  it  is called senile 

dementia. It is the commonest cause of dementia in old age (found in 10-15% of 

the  population  above  the  age  of  65).  The  anticholinesterase  drug  eserine 

(physostigmine) produces some improvement but it does not stop the progress of 

the disease. 

 

 


background image

196 

PHYSIOLOGY 

Dr. Basim Mohamad Alwan                                                Lecture 21 

SPEECH 

Speech is the expression of ideas by spoken words. It is a sophisticated function 

which is a characteristic of the human brain.  

 

LATERALIZATION OF THE SPEECH FUNCTION IN THE BRAIN 

About 95% of the human populations are right handed. In those individuals, and 

in  some  left-handed  ones,  the  centers  of  speech  are  found  in  the  left  cerebral 

hemisphere. The hand skills area is much better developed in the left hemisphere 

as well. 

It  is  because  of  this  functional  lateralization  that  the  left  hemisphere  in  those 

individuals was called the "dominant" hemisphere. In the rest of the population, 

the  right  hemisphere  was  the  "dominant"  one.  However,  the  other  hemisphere 

cannot be called "nondominant" because it  is more superior or "dominant"  in 

other  functions  as  recognition  of  faces,  stereognosis,  recognition  of  musical 

themes  and  spatial  recognition  of  the  body,  That  is  why  when  speaking  of 

dominance it is better to talk about the "speech-dominant" or the "categorical" 

hemisphere. The other  hemisphere  is better called the  "nonspeech-dominant" 

or the "representational" hemisphere. 

* Categorical: Decisive; it takes important decisions and issues orders for actions 

by the body. 

* Representational: In which high sensory functions are represented, but with much 

less role in making decisions or issuing of orders. 


background image

197 

HEARING AND SPEECH 

The  development  of  the  faculty  of  speech  depends  first  on  the  ability  to  hear 

spoken words. A young baby starts first to learn the meaning of the heard words 

then  tries  to  imitate  them  by  vocalization  (uttering  simple  sounds)  then  by 

verbalization (uttering words). So, speech is learned basically through hearing. If 

a person is born deaf, he cannot develop the faculty of speech and is destined to 

be dump. 

Perception of spoken words is the function of the primary auditory area (area. 41) 

in the temporal lobe at the floor of the lateral sulcus. Signals are then conveyed to 

the  adjacent  auditory  interpretative  area  (area  42).    This  area  understands  the 

meaning  of  the  heard  words.    It  feeds  the  message  of  the  heard  words  to  the 

angular gyrus (general  interpretative area  - area 39) which correlates them with 

other related items stored in memory in the process of thinking.  

 

READING AND SPEECH 

Written words are perceived by the primary visual area (area 17) in the occipital 

lobe. The signals are then conveyed to the visual interpretative area (area 18 - 19) 

which understands the meaning of words. The message is then fed to the angular 

gyrus  which  correlates  them  with  other  related  items  stored  in  memory  in  the 

process of thinking. 

 

WERNICKE'S AREA (The language and speech center) 

Wernicke's area is found in the posterior part of the superior temporal gyrus (fig. 

20-1). It receives input signals from the angulr gyrus (general interpretative area - 

area 39). It is the memory store tor language.    It decides what words are suitable 

and in what sequence to express a certain idea.  

Wernicke's  area  is  very  well  developed  in  the  categorical  but  not  in  the 

representational hemisphere. It is connected with Broca's area (word formation 


background image

198 

center) in the premotor cortex via the "arcuate fasciculus. 

 

THE WORD-FORMATION CENTER (Broca's area, area 44) 

 

This  area  is  found  in  the  premotor  area.    It  stores  the  motor  programs  for 

different  words.  It  receives  input  signals  from  Wernicke's  area  through  the 

arcuate fasciculus. When it is activated it stimulates the motor cortex at a certain 

pattern  to  produce  words  by  coordinated  contractions  of  the  respiratory, 

laryngeal, pharyngeal, lingual and labial muscles. 

 

Figure 20-1: Wernicke's area, angular gyrus

the arcuate fasciculus, and 

Broca's area. 

 

THE WRITING CENTER (Earner's center) 

This is part of the hand-skills area which stores the motor programs for writing of 

words or drawing of figures by the muscles of the hand. It receives input signals 

from Wernicke's area via the arcuate fasciculus. 

 

THE MECHANISM OF SPEECH 

Speech passes by four steps to occur : 

1. Formation of thoughts and ideas that will be expressed in speech:  This is 

the  function  of  the  angular  gyrus. The  ideas  are  formed  in  response  to signals 

from the visual, auditory, and other sensory areas. 

2. Choice of suitable sentences and phrases to express the ideas: 


background image

199 

This  is  the  function  of  Wernicke's  area  which  receives  input  signals  from  the 

angular gyrus and sends output signals to Broca's area. 

 

3.  Word  formation:  This  is  the  function  of  Broca's  area  which  receives  input 

signals from Wernicke's area and sends programmed impulses to the primary motor 

cortex  to  move  the  muscles of speech  in  a  specific sequence  to produce different 

words. 

4,  Verbalization:  It  is  the  coordinated  contraction  of  muscles  of  speech  in  a 

certain  sequence  to  produce  spoken  words.    This  is  the  function  of  the  motor 

cortex, the motor nerves and the muscles of speech. 

 

Ideas  may  be  expressed  in  writing.      In  this  case,  Wernicke's  area  feeds  the 

signals to Exner's center to write the desired words. 

 

SPEECH DEFECTS 

Speech defects are divided into two main categories" 

(I)    Aphasia 

(II) Dysarthria 

(I) Aphasia 

It  is  a  speech  defect  in  a  patient  who  can  see,  hear  and  move  the  muscles  of 

speech. 

TYPES OF APHASIA 

1-Sensory (receptive) aphasia. 

2.  Motor aphasia. 

3.  Wernicke's aphasia. 

4.  Global aphasia. 

 

1.  SENSORY (RECEPTIVE) APHASIA 


background image

200 

Sensory aphasia is found in two forms: 

(a)  Sensory auditory aphasia (word  deafness): This is due to a lesion in the 

auditory interpretative area. The patient can hear the spoken words, but is unable 

to understand the message. 

(b)  Sensory  visual  aphasia  (word  blindness  or  dyslexia):  This  is  due  to  a 

lesion in the visual interpretative area. The patient can see the written words but 

is unable to understand the message. 

 

2.  MOTOR (EXPRESSIVE) APHASIA 

Motor aphasia is found in two forms: 

(a)  Vocal  aphasia:  This  is  due  to  a  lesion  in  Broca's  area.  The

       P

atient  is 

perfectly  capable  of  deciding  what  he  wishes  to  say  and  is  capable  of 

vocalization, but he simply cannot make his vocal system emit words, but only 

noises (nonfluent aphasia). 

  (b) Writing aphasia (agraphia):

 

This is one to a lesion in Exner's center. The 

patient knows what he wants to writs or draw and he is capable of moving the hand 

voluntarily, but he cannot make his  hands write words or draw graphs to express 

his thoughts.'' 

 

3. WERNICKE'S APHASIA 

This  aphasia  is  caused  by  lesions  in  Wernicke's  area  of  the  categorical 

hemisphere.  The  patient  comprehends  ideas  expressed  by  spoken  or  written 

words. He formulates thoughts and ideas but doesn't know how to express them. 

The process of verbalization is normal, so the patient can talk and sometimes he 

talks too much (fluent  aphasia). However, his speech is full of  jargon 

(speech 

full of too much unnecessary words)

 and neologism

 (new words invented by 

the patient) 

that make little sense.

 

Very rarely, when the  lesion is in the arcuate fasciculus, the Wernicke's, area is 


background image

201 

disconnected  from  Broca's  area.  The  patient  knows  what  he  wants  to  say, but 

cannot  produce  the  required  speech.  This  condition  is  called  "conduction 

aphasia". 

 

4. GLOBAL APHASIA     

This  aphasia  is  caused  by  extensive  lesions  in  the  categorical  hemisphere 

involving both frontal and temporal lobes. The aphasia is general; it involves the 

receptive and expressive functions. 

 

[II] DYSARTHRIA 

Dysarthria means difficulty in producing clear, normal speech due to a defect in 

the  motor  system  of  verbalization.  There  is  either  weakness,  incoordination, 

hyper or hypotonia, or paralysis of the muscles of speech.

 


background image

202 


background image

203 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Mostafa Altae
المشاهدات: لقد قام 8 أعضاء و 283 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل