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The cerebellar interpositus nucleus and the dynamic control of learned motor responses

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The role played by the cerebellum in movement control requires knowledge of interdependent relationships between kinetic neural commands and the performance (kinematics) of learned motor responses. The eyelid motor system is an excellent model for studying how simple motor responses are elaborated and performed. Kinetic variables (n 24) were determined here by recording the firing activities of orbicularis oculi motoneurons and cerebellar interpositus neurons in alert cats during classical conditioning, using a delay paradigm. Kinematic variables (n 36) were selected from eyelid position, velocity, and acceleration traces recorded during the conditioned stimulus– unconditioned stimulus interval. Optimized experimental and analytical tools allowed us to determine the evolution of kinetic and kinematic variables, the dynamic correlation functions relating motoneuron and interpositus neuron firing to eyelid conditioning responses, the falling correlation property of the interpositus nucleus across the successive training sessions, the time and significance of the linear relationships between these variables, and finally, the phase-inversion property of interpositus neurons with respect to acquired conditioned responses. Whereas motoneurons encoded eyelid kinematics at every instant of the dynamic correlation range and generated the natural oscillatory properties of the neuromuscular elements involved in eyeblinks, interpositus neurons did not directly encode eyelid performance: namely, their contribution was only slightly significant in the dynamic correlation range, and this regularity caused the integrated neuronal activity to oscillate by progressively inverting phase information. Therefore, interpositus neurons seem to play a modulating role in the dynamic control of learned motor responses, i.e., they could be considered a neuronal phase-modulating device.

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Description

En este estudio demostramos que para explicar el papel que juega el cerebelo en el control del movimiento se requiere del conocimiento exhaustivo de las relaciones de interdependencia entre los comandos cinéticos neurales y las variables cinemáticas que caracterizan a las respuestas motoras aprendidas. En este sentido, el sistema motor de los párpados es un excelente modelo biológico para estudiar cómo se elaboran y realizan las respuestas motoras. En este trabajo se midieron 24 variables cinéticas a partir del registro de la actividad de las motoneuronas faciales que inervan al músculo orbicularis oculi y también de las neuronas del núcleo interpósito del cerebelo en gatos despiertos durante el condicionamiento clásico, usando un paradigma de demora. Las variables cinemáticas (n = 36) se seleccionaron a partir de la posición, la velocidad y la aceleración palpebral. Las herramientas analíticas y experimentales optimizadas que desarrollamos para este estudio nos permitieron determinar la evolución de las variables cinéticas y cinemáticas, las funciones de correlación dinámica que relacionan la activación de las motoneuronas y de las neuronas del interpósito del cerebelo con las respuestas condicionadas del párpado. También se demostró que el núcleo interpósito no codifica la realización de la respuesta a lo largo de las sucesivas sesiones de entrenamiento y que invierten su fase de activación con respecto a las respuestas condicionadas adquiridas. Mientras que las motoneuronas codificaron la cinemática del párpado en cada instante de correlación dinámica y son claramente las responsables de generar las propiedades oscilatorias naturales de los elementos neuromusculares involucrados en los parpadeos, las neuronas del interpósito del cerebelo, aunque se activaban, no lo hacían en un rango dinámico que permitiese codificar los movimientos del párpado durante su realización, ya que invertían progresivamente su información de fase. Por lo tanto, las neuronas de este núcleo profundo del cerebelo parecen desempeñar un papel modulador en el control dinámico de las respuestas motoras aprendidas, es decir, este núcleo podría considerarse un dispositivo neuronal modulador de fase.
Proyectos de Investigación MCTE-BFU2005-01024 BIO122/CVI-122

Bibliographic reference

Journal of Neuroscience, vol. 27, nº 25, p. 6620-6632

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