Cerebellum

Mozeček (latinsky malý mozek) je oblast mozku, která hraje důležitou roli v motorické kontrole. Může se také podílet na některých kognitivních funkcích, jako je pozornost a jazyk, a na regulaci strachu a reakcí na potěšení, ale jeho funkce související s pohybem jsou nejpevněji zavedené. Mozeček nezahajuje pohyb, ale přispívá ke koordinaci, přesnosti a přesnému načasování. Přijímá vstupy ze smyslových systémů míchy a z jiných částí mozku a integruje tyto vstupy za účelem jemného doladění motorické aktivity. Kvůli této funkci jemného doladění nezpůsobuje poškození mozečku paralýzu, ale místo toho vyvolává poruchy v jemném pohybu, rovnováze, držení těla a motorickém učení.

Mozeček má ve své anatomii podobu samostatné struktury připojené ke spodní části mozku, zastrčené pod mozkovými hemisférami. Povrch mozečku je pokryt jemně rozmístěnými rovnoběžnými rýhami, což je v nápadném kontrastu se širokými nepravidelnými konvolucemi mozkové kůry. Tyto rovnoběžné rýhy zakrývají skutečnost, že mozeček je vlastně souvislá tenká vrstva tkáně (mozečková kůra), pevně složená ve stylu akordeonu. Uvnitř této tenké vrstvy je několik typů neuronů s vysoce pravidelným uspořádáním, z nichž nejdůležitější jsou Purkyňovy buňky a buňky granulí. Tato složitá neuronová síť dává vzniknout masivní schopnosti zpracování signálů, ale téměř veškerý její výstup směřuje do souboru malých hlubokých mozkových jader ležících ve vnitřku mozečku.

Kromě své přímé role v motorickém řízení je mozeček nezbytný také pro několik typů motorického učení, z nichž nejvýznamnější je naučit se přizpůsobit změnám ve senzoricko-motorických vztazích. Bylo vyvinuto několik teoretických modelů, které vysvětlují senzoricko-motorickou kalibraci z hlediska synaptické plasticity uvnitř mozečku. Většina z nich pochází z raných modelů formulovaných Davidem Marrem a Jamesem Albusem, které byly motivovány pozorováním, že každá mozečková Purkyňova buňka přijímá dva dramaticky odlišné typy vstupů: Na jedné straně tisíce vstupů z paralelních vláken, každé jednotlivě velmi slabé; na druhé straně vstup z jednoho jediného stoupajícího vlákna, které je však tak silné, že jediný stoupající akční potenciál vlákna spolehlivě způsobí, že cílová Purkyňova buňka vypálí dávku akčních potenciálů. Základním konceptem Marr-Albusovy teorie je, že stoupající vlákno slouží jako „výukový signál“, který vyvolává dlouhotrvající změnu síly synchronně aktivovaných paralelních vstupů vláken. Pozorování dlouhodobé deprese v paralelních vstupech vláken poskytla podporu teoriím tohoto typu, ale jejich platnost zůstává kontroverzní.

Kvůli této „aktualizační“ funkci mozečku nejsou léze v něm tak vysilující, aby způsobovaly ochrnutí, ale spíše přítomné jako deficity zpětné vazby vedoucí k poruchám jemného pohybu, rovnováhy, držení těla a motorického učení. První pozorování fyziologů během 18. století naznačila, že pacienti s poškozením mozečku vykazují problémy s motorickou koordinací a pohybem. Výzkum funkce mozečku během počátku až poloviny 19. století byl prováděn prostřednictvím studií lézí a ablace na zvířatech. Výzkumní fyziologové konstatovali, že takové léze vedly ke zvířatům s podivnými pohyby, neobratnou chůzí a svalovou slabostí. Tato pozorování a studie vedly k závěru, že mozeček je motorická řídící struktura. Moderní výzkum však ukazuje, že mozeček má širší roli v řadě klíčových kognitivních funkcí, včetně pozornosti a zpracování jazyka, hudby a dalších smyslových temporálních podnětů.

Na úrovni anatomie velkého rozsahu se mozeček skládá z těsně přeložené a pomačkané vrstvy mozkové kůry, pod níž je bílá hmota, několik hlubokých jader vložených do bílé hmoty a tekutinou naplněná komora na bázi. Na mikroskopické úrovni se každá část mozkové kůry skládá ze stejného malého souboru neuronálních prvků, rozložených s vysoce stereotypní geometrií. Na střední úrovni se mozeček a jeho pomocné struktury mohou rozložit na několik set nebo tisíc samostatně fungujících modulů zvaných „mikrozóny“ nebo „mikrokompartmenty“.

Přední pohled na lidský mozeček, s čísly označujícími významné orientační body

Mozeček je umístěn na dně mozku, nad ním je velká hmota mozkové kůry a před ním část mozkového kmene zvaná pony. Od překrývajícího se mozku je oddělen vrstvou kožovité tvrdé tvrdé tvrdé tvrdé tvrdé pleny; všechna jeho spojení s ostatními částmi mozku putují skrze pony. Anatomové klasifikují mozeček jako součást metencefalonu, který také zahrnuje pony; metencefalon je horní část rhombencefalonu neboli „zadního mozku“. Stejně jako mozková kůra je mozeček rozdělen na dvě hemisféry; obsahuje také úzkou středovou zónu zvanou vermis. Sada velkých záhybů se podle konvence používá k rozdělení celkové struktury na 10 menších „lobulí“. Vzhledem k velkému počtu drobných granulových buněk obsahuje mozeček více neuronů než zbytek mozku dohromady, ale zabírá pouze 10% celkového objemu mozku. Počet neuronů v mozečku souvisí s počtem neuronů v neokortexu. V mozečku je přibližně 3,6krát více neuronů než v neokortexu, což je číslo, které se uchovává u mnoha různých druhů savců.

Vertikální průřez lidským mozečkem, znázorňující skládací vzor mozkové kůry a vnitřní struktury

Neobvyklý povrchový vzhled mozečku zakrývá skutečnost, že většina jeho objemu je tvořena velmi těsně složenou vrstvou šedé hmoty, mozečkovou kůrou. Odhaduje se, že pokud by byla lidská mozečková kůra zcela rozložena, vznikla by vrstva nervové tkáně asi 1 metr dlouhá a v průměru 5 centimetrů široká – celková plocha povrchu asi 500 cm čtverečních, zabalená do objemu o rozměrech 6 cm × 5 cm × 10 cm. Pod šedou hmotou mozkové kůry se nachází bílá hmota, tvořená převážně myelinizovanými nervovými vlákny vedoucími do a z mozkové kůry. Do bílé hmoty – která je někdy nazývána arbor vitae (Strom života) kvůli svému rozvětvenému, stromovitému vzhledu v průřezu – jsou vložena čtyři hluboká mozečková jádra, složená z šedé hmoty.

Na základě povrchového vzhledu lze v mozečku rozlišit tři laloky, tzv. flokulonodulární lalok, přední lalok (nad primární štěrbinou) a zadní lalok (pod primární štěrbinou). Tyto laloky dělí mozeček od rostrálního k ocasnímu (u lidí shora dolů). Z hlediska funkce je však důležitější rozlišení podél mediálně-laterálního rozměru. Vynecháme-li flokulonodulární část, která má odlišné spoje a funkce, lze mozeček funkčně rozdělit na mediální sektor zvaný spinocerebellum a větší laterální sektor zvaný cerebrocerebellum. Úzký pruh vyčnívající tkáně podél středové linie se nazývá vermis (latinsky „červ“).

Cerebellum a okolní oblasti; sagitální pohled na jednu hemisféru. A: Střední mozek. B: Pons. C: Medulla. D: Mícha. E: Čtvrtá komora. F: Arbor vitae. G: Tonsil. H: Přední lalok. I: Zadní lalok.

Schematické znázornění hlavních anatomických subdivizí mozečku. Nadstandardní pohled na „rozvinutý“ mozeček, umístění vermisu do jedné roviny.

Nejmenší oblast, flokulonodulární lalok, je často nazývána vestibulocerebellum. Je nejstarší částí z evolučního hlediska (archicerebellum) a podílí se hlavně na rovnováze a prostorové orientaci; její primární vazby jsou s vestibulárními jádry, i když také přijímá vizuální a jiné smyslové vjemy. Poškození způsobuje poruchy rovnováhy a chůze.

Mediální zóna předního a zadního laloku tvoří spinocerebellum, také známý jako paleocerebellum. Tento sektor mozečku slouží hlavně k doladění pohybů těla a končetin. Přijímá propriocepční vstupy z dorzálních kolon míchy (včetně spinocerebellárního traktu) a z trojklanného nervu, jakož i ze zrakového a sluchového systému. Posílá vlákna do hlubokých mozkových jader, která se zase promítají jak do mozkové kůry, tak do mozkového kmene, čímž zajišťuje modulaci sestupných motorických systémů.

Boční zóna, která je u lidí zdaleka největší částí, tvoří cerebrocerebellum, také známé jako neocerebellum. Přijímá vstup výhradně z mozkové kůry (zejména parietálního laloku) prostřednictvím jader pontiny (tvořících kortiko-ponto-cerebellar dráhy) a posílá výstup hlavně do ventrolaterálního thalamu (následně spojeného s motorickými oblastmi premotorické kůry a primární motorické oblasti mozkové kůry) a do červeného jádra. Panují neshody ohledně nejlepšího způsobu popisu funkcí laterálního mozečku: Předpokládá se, že se podílí na plánování pohybu, který má nastat, na vyhodnocování smyslových informací pro akci a také na řadě čistě kognitivních funkcí, jako je určení slovesa, které nejlépe odpovídá určitému podstatnému jménu (jako „sedět“ pro „židli“).

Mikroobvody mozečku. (+): excitační; (-): inhibiční; MF: Mossyho vlákno; DCN: Hluboké mozečkové jádro; IO: Nižší olivové; CF: Lezecké vlákno; GC: Granulova buňka; PF: Paralelní vlákno; PC: Purkyňova buňka; GgC: Golgiho buňka; SC: Stelátová buňka; BC: Košíková buňka

Příčný řez mozečkového folia, ukazující hlavní typy buněk a spojení.

Mossová vlákna se promítají přímo do hlubokých jader, ale také dávají vzniknout dráze: mossové vlákno → granulované buňky → paralelní vlákna → Purkyňovy buňky → hluboká jádra. Stoupající vlákna se promítají do Purkyňových buněk a také posílají kolaterály přímo do hlubokých jader. Mossové vlákno a stoupající vláknové vstupy nesou informace specifické pro vlákna; mozeček také dostává dopaminergní, serotonergní, noradrenergní a cholinergní vstupy, které pravděpodobně provádějí globální modulaci.

Mozková kůra je rozdělena do tří vrstev. Ve spodní části leží silná granulovaná vrstva, hustě napěchovaná granulovanými buňkami, spolu s interneurony, především Golgiho buňkami, ale také včetně Lugarových buněk a unipolárních kartáčových buněk. Uprostřed leží Purkyňova vrstva, úzká zóna, která obsahuje pouze buněčná těla Purkyňových buněk. Nahoře leží molekulární vrstva, která obsahuje zploštělé dendritické stromy Purkyňových buněk, spolu s obrovským polem paralelních vláken pronikajících v pravém úhlu do Purkyňových buněčných dendritických stromů. Tato nejvzdálenější vrstva mozečkové kůry obsahuje také dva typy inhibičních interneuronů, hvězdné buňky a košíkové buňky. Jak hvězdné, tak košíkové buňky tvoří GABAergní synapse na Purkyňových buněčných dendritech.

Výkres Purkyňovy buňky z kočičího mozečku

Purkinjovy buňky patří k nejvýraznějším neuronům v mozku a také k nejranějším typům, které byly rozpoznány – poprvé je popsal český anatom Jan Evangelista Purkyně v roce 1837. Vyznačují se tvarem dendritického stromu: Dendrity se větví velmi hojně, ale jsou silně zploštělé v rovině kolmé k záhybům mozečku. Dendrity Purkinjovy buňky tak tvoří hustou rovinnou síť, kterou v pravém úhlu procházejí paralelní vlákna. Dendrity jsou pokryty dendritickými trny, z nichž každý přijímá synaptický vstup z paralelního vlákna. Purkinjovy buňky přijímají více synaptických vstupů než jakýkoli jiný typ buňky v mozku – odhady počtu trnů na jediné lidské Purkinjově buňce dosahují až 200 000. Velká, kulovitá buněčná těla Purkinjových buněk jsou zabalena do úzké vrstvy (o tloušťce jedné buňky) mozečkového kortexu, zvané Purkinjova vrstva. Po vyzáření kolaterálů, které inervují blízké části kůry, jejich axony putují do hlubokých mozečkových jader, kde v řádu 1000 navazují kontakty s několika typy jaderných buněk, to vše v rámci malé domény. Purkyňovy buňky používají GABA jako svůj neurotransmiter, a proto mají inhibiční účinky na své cíle.

Purkyňovy buňky tvoří srdce cerebelárního okruhu a jejich velké rozměry a charakteristické vzorce aktivity umožnily relativně snadno studovat jejich vzorce odezvy v chování zvířat pomocí extracelulárních záznamových technik. Purkyňovy buňky normálně emitují akční potenciály vysokou rychlostí i v případě absence synaptického vstupu. V bdělém stavu, v chování zvířat, jsou typické průměrné hodnoty kolem 40 Hz. Hrotové vlaky vykazují směs toho, co se nazývá jednoduché a komplexní hroty. Jednoduchý hrot je jeden akční potenciál následovaný refrakterní periodou asi 10 ms; komplexní hrot je stereotypní sekvence akčních potenciálů s velmi krátkými mezihrotovými intervaly a klesajícími amplitudami.[citace nutná] Fyziologické studie ukázaly, že komplexní hroty (které se vyskytují při výchozích hodnotách kolem 1 Hz a nikdy ne rychlostí mnohem vyšší než 10 Hz) jsou spolehlivě spojeny s aktivací stoupajících vláken, zatímco jednoduché hroty vznikají kombinací výchozích aktivity a paralelního vstupu vláken. Po složitých špičkách často následuje pauza několik set milisekund, během které je potlačena jednoduchá špičková aktivita.

Buňky cerebelární granule, na rozdíl od Purkyňových buněk, patří k nejmenším neuronům v mozku. Jsou také snadno nejpočetnějšími neurony v mozku: U lidí se jejich celkový počet odhaduje v průměru kolem 50 miliard, což znamená, že asi 3/4 mozkových neuronů jsou buňky cerebelární granule. Jejich buněčná těla jsou zabalena do silné vrstvy na dně mozečkové kůry. Buňka granule emituje pouze čtyři až pět dendritů, z nichž každý končí zvětšením zvaným dendritický dráp. Tato zvětšení jsou místa excitačního vstupu z mechových vláken a inhibičního vstupu z Golgiho buněk.

Granulové buňky, paralelní vlákna a Purkyňovy buňky se zploštělými dendritickými stromy

Tenké, nemyelinizované axony granulovaných buněk stoupají vertikálně do horní (molekulární) vrstvy mozkové kůry, kde se rozdělují na dvě, přičemž každá větev se pohybuje horizontálně, aby vytvořila paralelní vlákno; rozdělení vertikální větve na dvě horizontální větve dává vzniknout charakteristickému tvaru „T“. Paralelní vlákno probíhá v průměru 3 mm v každém směru od rozdělení, v celkové délce asi 6 mm (asi 1/10 celkové šířky kortikální vrstvy). Jak běží podél, procházejí paralelní vlákna dendritickými stromy Purkyňových buněk, kontaktují jednu z každých 3-5, které míjejí, a vytvářejí celkem 80-100 synaptických spojení s dendritickými trny Purkyňových buněk. Granulové buňky používají glutamát jako svůj neurotransmiter, a proto mají na své cíle excitační účinky.

Granulové buňky přijímají veškerý vstup z mechových vláken, ale převyšují je v poměru 200 ku 1 (u lidí). Informace ve stavu populační aktivity granulovaných buněk jsou tedy stejné jako informace v mechových vláknech, ale jsou zakódovány mnohem rozsáhlejším způsobem. Protože jsou granulované buňky tak malé a tak hustě zabalené, bylo velmi obtížné zaznamenat jejich bodovou aktivitu v chování zvířat, takže je jen málo údajů, které by se daly použít jako základ pro teoretizování. Nejpopulárnější koncept jejich funkce navrhl David Marr, který navrhl, že by mohly zakódovat kombinace vstupů mechových vláken. Myšlenka je taková, že s každou granulovanou buňkou přijímající vstup pouze ze 4-5 mechových vláken by granulovaná buňka nereagovala, pokud by byl aktivní pouze jeden z jejích vstupů, ale reagovala by, pokud by jich bylo aktivních více. Toto kombinatorické kódovací schéma by potenciálně umožnilo mozečku dělat mnohem jemnější rozlišení mezi vstupními vzory, než by dovolovala samotná mechová vlákna.

Mossová vlákna vstupují do granulované vrstvy z míst svého původu, mnoho z nich vzniká z jader pontiny, další z míchy, vestibulárních jader atd. V lidském mozečku byl celkový počet mechových vláken odhadnut na asi 200 milionů. Tato vlákna tvoří excitační synapse s buňkami granulí a buňkami hlubokých mozkomíšních jader. Uvnitř granulované vrstvy vytváří mechové vlákno sérii zvětšenin nazývaných růžice. Kontakty mezi mechovými vlákny a granulovanými buněčnými dendrity probíhají uvnitř struktur zvaných glomeruli. Každý glomerulus má ve svém středu růžici z mechového vlákna a až 20 granulovaných buněčných dendritických drápů, které se ho dotýkají. Terminály z Golgiho buněk pronikají do struktury a vytvářejí inhibiční synapse na granulovaných buněčných dendritech. Celá sestava je obklopena pochvou gliových buněk. Každé mechové vlákno posílá vedlejší větve do několika mozečkových folií, čímž vzniká celkem 20-30 růžic; tak jediné mechové vlákno navazuje kontakt s odhadem 400-600 granulovaných buněk.

Purkyňovy buňky také přijímají vstup z dolního jádra olivary (IO) na kontralaterální straně mozkového kmene, a to prostřednictvím stoupajících vláken. Ačkoli IO leží v prodloužené míše a přijímá vstup z míchy, mozkového kmene a mozkové kůry, jeho výstup jde zcela do mozečku. Stoupající vlákno vydává kolaterály k hlubokým mozečkovým jádrům před vstupem do mozečkové kůry, kde se rozdělí na asi 10 koncových větví, z nichž každá obsahuje jednu Purkyňovu buňku. V nápadném kontrastu s více než 100 000 vstupy z paralelních vláken, každá Purkyňova buňka přijímá vstup přesně z jednoho stoupajícího vlákna; ale toto jediné vlákno „šplhá“ po dendritech Purkyňovy buňky, obtáčí se kolem nich a za pochodu vytvoří celkem až 300 synapsí. Čistý vstup je tak silný, že jediný akční potenciál z lezoucího vlákna je schopen vytvořit v Purkyňově buňce prodloužený komplexní hrot: výboj několika hrotů za sebou se snižující se amplitudou, po němž následuje pauza, během níž je aktivita potlačena. Šplhající vláknové synapse pokrývají tělo buňky a proximální dendrity; tato zóna je bez paralelních vstupů vláken.

Stoupající vlákna střílí nízkou rychlostí, ale jediný stoupající akční potenciál vláken vyvolá výbuch několika akčních potenciálů v cílové Purkyňově buňce (složitý hrot). Kontrast mezi paralelními vlákny a stoupajícími vstupy vláken do Purkyňových buněk (více než 100 000 jednoho typu oproti přesně jednomu z druhého typu) je asi nejprovokativnějším rysem mozečkové anatomie a motivoval velkou část teoretizování. Ve skutečnosti je funkce šplhajících vláken nejkontroverznějším tématem týkajícím se mozečku. Existují dva myšlenkové proudy, jeden následuje Marra a Albuse v názoru, že šplhající vstup vláken slouží především jako výukový signál, druhý zastává názor, že jeho funkcí je přímo tvarovat výstup mozečku. Oba názory byly obhájeny ve velké délce v mnoha publikacích. Slovy jedné recenze: „Ve snaze syntetizovat různé hypotézy o funkci šplhajících vláken má člověk pocit, že se dívá na kresbu Eschera. Zdá se, že každý úhel pohledu vysvětluje určitou sbírku nálezů, ale když se člověk pokusí dát dohromady různé pohledy, nezobrazí se souvislý obraz toho, co stoupající vlákna dělají. Pro většinu výzkumníků stoupající vlákna signalizují chyby v motorickém výkonu, buď obvyklým způsobem modulace frekvence výboje, nebo jako jediné oznámení ‚neočekávané události‘. Pro ostatní výzkumníky spočívá poselství ve stupni synchronizace souboru a rytmičnosti mezi populací stoupajících vláken.“

Průřez lidským mozečkem, zobrazující dentální jádro, stejně jako pony a dolní olivarové jádro

Když axon Purkyňovy buňky vstoupí do jednoho z hlubokých jader, rozvětví se, aby navázal kontakt s velkými i malými jadernými buňkami, ale celkový počet kontaktovaných buněk je jen asi 35 (u koček). Při konverzi přijímá jedna hluboká jaderná buňka vstup z přibližně 860 Purkyňových buněk (opět u koček).

Schematické znázornění struktury zón a mikrozón v mozečkové kůře

Z hlediska hrubé anatomie se mozečková kůra jeví jako homogenní list tkáně a z hlediska mikroanatomie se zdá, že všechny části tohoto listu mají stejnou vnitřní strukturu. Existuje však řada hledisek, ve kterých je struktura mozečku rozčleněna. Existují velké oddíly, které jsou obecně známy jako zóny; ty mohou být rozloženy do menších oddílů známých jako mikrozóny.

První náznaky kompartmentální struktury pocházejí ze studií vnímavých polí buněk v různých částech mozečkové kůry. Každá část těla se mapuje ke konkrétním bodům v mozečku, ale existuje mnoho opakování základní mapy, tvořící uspořádání, které bylo nazváno „zlomená somatotopie“. Jasnější náznak kompartmentalizace je získán imunobarvením mozečku pro určité typy bílkovin. Nejznámější z těchto markerů se nazývají „zebriny“, protože barvení pro ně dává vzniknout složitému vzoru připomínajícímu pruhy na zebře. Pruhy vytvářené zebriny a dalšími markery kompartmentalizace jsou orientovány kolmo k záhybům mozečku – to znamená, že jsou úzké ve středovém směru, ale mnohem více rozšířené v podélném směru. Různé markery vytvářejí různé sady pruhů a šířky a délky se liší v závislosti na umístění, ale všechny mají stejný celkový tvar.

Oscarsson na konci 70. let navrhl, aby tyto kortikální zóny mohly být rozděleny do menších jednotek zvaných mikrozóny. Mikroozona je definována jako skupina Purkyňových buněk, které mají všechny stejné somatotopicky vnímavé pole. Bylo zjištěno, že mikrozóny obsahují řádově 1000 Purkyňových buněk, uspořádaných do dlouhého, úzkého pruhu, orientovaného kolmo na kortikální záhyby. Tudíž, jak dokládá přilehlý diagram, jsou dendrity Purkyňových buněk zploštěny ve stejném směru, jak se mikrozóny rozšiřují, zatímco paralelní vlákna je protínají v pravém úhlu.

Nejen vnímavá pole definují strukturu mikrozóny: stejně důležitý je i vstup stoupajícího vlákna z dolního jádra olivary. Větve stoupajícího vlákna (obvykle čítající okolo 10) obvykle inkonzervují Purkyňovy buňky patřící do stejné mikrozóny. Navíc neurony olivary, které vysílají stoupající vlákna do stejné mikrozóny, bývají spojeny mezerovými spoji, které synchronizují jejich aktivitu, což způsobuje, že Purkyňovy buňky v mikrozóně vykazují korelovanou komplexní bodovou aktivitu v milisekundovém časovém měřítku. Také Purkyňovy buňky patřící do mikrozóny posílají všechny své axony do stejného malého shluku výstupních buněk v hlubokých mozečkových jádrech. A konečně, axony košíkových buněk jsou mnohem delší v podélném směru než ve středobuněčném, což způsobuje, že jsou omezeny převážně na jednu mikrozónu. Důsledkem celé této struktury je, že buněčné interakce uvnitř mikrozóny jsou mnohem silnější než interakce mezi různými mikrozónami.

V roce 2005 Richard Apps a Martin Garwicz shrnuli důkazy, že mikrozóny samy tvoří součást větší entity, kterou nazývají multizonální mikrokomplex. Takový mikrokomplex zahrnuje několik prostorově oddělených kortikálních mikrozón, z nichž všechny se promítají do stejné skupiny hlubokých mozečkových neuronů, plus do skupiny spřažených olivárních neuronů, které se promítají do všech zahrnutých mikrozón i do hluboké jaderné oblasti.

Nejsilnější vodítka k funkci mozečku pocházejí ze zkoumání následků jeho poškození. Zvířata a lidé s dysfunkcí mozečku vykazují především problémy s motorickým ovládáním, a to na straně těla ipsilaterální k poškozenému mozečku. I nadále jsou schopni generovat motorickou aktivitu, ta však ztrácí přesnost, což způsobuje nepravidelné, nekoordinované nebo nesprávně načasované pohyby. Standardním testem funkce mozečku je dosáhnout špičkou prstu na cíl na vzdálenost paže: Zdravý člověk bude pohybovat špičkou prstu po rychlé přímé trajektorii, zatímco člověk s poškozením mozečku dosáhne pomalu a nepravidelně, s mnoha korekcemi středního průběhu. Nedostatky nemotorických funkcí se zjišťují obtížněji. Obecný závěr, ke kterému se dospělo před desítkami let, tedy je, že základní funkcí mozečku není iniciovat pohyby nebo rozhodovat, které pohyby provádět, ale spíše kalibrovat detailní formu pohybu.

Před devadesátými lety se téměř všeobecně věřilo, že funkce mozečku je čistě motorická, ale novější poznatky tento názor silně zpochybnily. Funkční zobrazovací studie prokázaly aktivaci mozečku ve vztahu k jazyku, pozornosti a mentálním obrazům; korelační studie prokázaly interakce mezi mozečkem a nemotorickými oblastmi mozkové kůry; a u lidí s poškozením, které se zdá být omezeno na mozeček, byla rozpoznána celá řada nemotorických příznaků. U dospělých a dětí byl popsán zejména cerebelární kognitivně afektivní syndrom.

Kenji Doya tvrdil, že funkci mozečku je nejlépe rozumět ne ve smyslu toho, jakého chování se účastní, ale spíše ve smyslu toho, jaké neurální výpočty provádí; mozeček se skládá z velkého počtu více či méně nezávislých modulů, všechny se stejnou geometricky pravidelnou vnitřní strukturou, a proto všechny, jak se předpokládá, provádějí stejné výpočty. Pokud jsou vstupní a výstupní spojení modulu s motorickými oblastmi (jako mnohé), pak se modul bude podílet na motorickém chování; pokud jsou však spojení s oblastmi zapojenými do nemotorického poznávání, modul bude vykazovat jiné typy behaviorálních korelátů. Mozeček, jak Doya navrhuje, je nejlépe chápat jako zařízení pro řízené učení, na rozdíl od bazálních ganglií, které provádějí posilovací učení, a mozkové kůry, která provádí nekontrolované učení.

Srovnávací jednoduchost a pravidelnost mozečkové anatomie vedla k rané naději, že by mohla naznačovat podobnou jednoduchost výpočetní funkce, jak je vyjádřena v jedné z prvních knih o mozečkové elektrofyziologii, The Cerebellum as a Neuronal Machine od Johna C. Ecclese, Masaa Ita a Janose Szentágothaie. Ačkoli úplné pochopení mozečkové funkce zůstalo nepolapitelné, za důležité byly označeny nejméně čtyři principy: (1) feedforward processing, (2) divergence and convergence, (3) modularita a (4) plasticita.

1. Zpracovávání signálů: Mozeček se liší od většiny ostatních částí mozku (zejména mozkové kůry) tím, že zpracování signálů je téměř celé feedforward – to znamená, že signály se pohybují jednosměrně systémem od vstupu k výstupu, s velmi malým opakovaným vnitřním přenosem. Malé množství rekurence, které existuje, spočívá ve vzájemné inhibici; neexistují žádné vzájemně excitační obvody. Tento feedforward způsob činnosti znamená, že mozeček, na rozdíl od mozkové kůry, nemůže generovat soběstačné vzorce nervové aktivity. Signály vstupují do obvodu, jsou zpracovávány každou fází v pořadí po sobě jdoucích a pak odcházejí. Jak Eccles, Ito a Szentágothai napsali: „Tato eliminace v konstrukci všech možností dozvukových řetězců neuronální excitace je nepochybně velkou výhodou ve výkonu mozečku jako počítače, protože to, co zbytek nervového systému vyžaduje od mozečku, pravděpodobně není nějaký výstup vyjadřující činnost složitých dozvukových obvodů v mozečku, ale spíše rychlá a jasná odpověď na vstup jakéhokoli konkrétního souboru informací.“

2. Divergence a konvergence: V lidském mozečku se informace z 200 milionů vstupů mechových vláken rozšíří na 40 miliard granulovaných buněk, jejichž paralelní výstupy vláken se pak konvergují na 15 milionů Purkyňových buněk. Vzhledem k tomu, jak jsou seřazeny podélně, může zhruba 1000 Purkyňových buněk patřících do mikrozóny přijímat vstup až ze 100 milionů paralelních vláken a soustředit svůj vlastní výstup až na skupinu méně než 50 hlubokých jaderných buněk. Takto mozečková síť přijímá skromný počet vstupů, zpracovává je velmi rozsáhle prostřednictvím své přísně strukturované vnitřní sítě a odesílá výsledky prostřednictvím velmi omezeného počtu výstupních buněk.

3. Modularita: Systém mozečků je funkčně rozdělen do více či méně nezávislých modulů, jejichž počet se pravděpodobně pohybuje ve stovkách až tisících. Všechny moduly mají podobnou vnitřní strukturu, ale rozdílné vstupy a výstupy. Modul (multizonální mikrokompartment v terminologii Appse a Garwicze) se skládá z malého shluku neuronů v dolním jádru olivary, souboru dlouhých úzkých pruhů Purkyňových buněk v mozečkové kůře (mikrozonách) a malého shluku neuronů v jednom z hlubokých jader mozečku. Různé moduly sdílejí vstup z vláken mechu a paralelních vláken, ale v jiných ohledech se zdá, že fungují nezávisle – výstup jednoho modulu zřejmě nijak významně neovlivňuje aktivitu ostatních modulů.

4. Plasticita: Synapse mezi paralelními vlákny a Purkyňovými buňkami a synapse mezi mechovými vlákny a hlubokými jadernými buňkami jsou obě náchylné k modifikaci své síly. V jediném cerebelárním modulu se vstup až z miliardy paralelních vláken sbíhá do skupiny méně než 50 hlubokých jaderných buněk a vliv každého paralelního vlákna na tyto jaderné buňky je nastavitelný. Toto uspořádání dává obrovskou flexibilitu pro doladění vztahu mezi cerebelárními vstupy a výstupy.

Existují značné důkazy o tom, že mozeček hraje zásadní roli v některých typech motorického učení. Úkoly, kdy mozeček nejjasněji vstupuje do hry, jsou ty, při kterých je nutné provést jemné úpravy způsobu, jakým je akce prováděna. Existuje však mnoho sporů o tom, zda učení probíhá uvnitř mozečku samotného, nebo zda slouží pouze k poskytování signálů, které podporují učení v jiných strukturách mozku. Většina teorií, které přiřazují učení obvodům mozečku, je odvozena z raných myšlenek Davida Marra a Jamese Albuse, kteří postulovali, že stoupající vlákna poskytují výukový signál, který vyvolává synaptické modifikace v paralelních vláknech – synapsích Purkyňových buněk. Marr předpokládal, že stoupající vstup vlákna by způsobil posílení synchronně aktivovaných paralelních vstupů vláken. Většina pozdějších modelů mozečkového učení se však řídila Albusovým předpokladem, že stoupající aktivita vláken by byla chybovým signálem a způsobila by oslabení synchronně aktivovaných paralelních vstupů vláken. Některé z těchto pozdějších modelů, například model Adaptive Filter od Fujity, se pokoušely pochopit mozečkovou funkci ve smyslu optimální teorie ovládání.

Myšlenka, že lezení po vláknech funguje jako chybový signál, byla zkoumána v mnoha experimentálních studiích, některé ji podporují, ale jiné zpochybňují. V průkopnické studii Gilberta a Thacha z roku 1977 Purkyňovy buňky z opic, které se učily dalekosáhlý úkol, vykazovaly zvýšenou komplexní špičatou aktivitu – o které je známo, že spolehlivě indikuje aktivitu lezení po vláknech buňky – v obdobích, kdy byl výkon špatný. Několik studií motorického učení u koček pozorovalo komplexní špičatou aktivitu, když došlo k nesouladu mezi zamýšleným pohybem a pohybem, který byl skutečně proveden. Studie vestibulo-očního reflexu (který stabilizuje vizuální obraz na sítnici, když se hlava otočí) zjistily, že lezení po vláknech indikuje „skluz sítnice“, i když ne příliš přímočaře.

Jedním z nejpočetněji studovaných úkolů učení mozečku je podmiňovací paradigma eyeblink, ve kterém je neutrální podmíněný podnět, jako je tón nebo světlo, opakovaně spárován s nepodmíněným podnětem, jako je vzduchový obláček, který vyvolá reakci mrknutí. Po takových opakovaných prezentacích CS a USA nakonec CS vyvolá mrknutí před USA, podmíněnou reakci nebo CR. Experimenty ukázaly, že léze lokalizované buď do specifické části jádra interposita (jednoho z hlubokých jader mozečku) nebo do několika specifických bodů v mozkové kůře by zrušily učení správně načasované reakce mrknutí. Pokud jsou výstupy mozečku farmakologicky inaktivovány, zatímco vstupy a intracelulární obvody zůstávají neporušené, učení probíhá i v době, kdy zvíře nevykazuje žádnou odpověď, zatímco pokud jsou intracerebelární obvody narušeny, žádné učení se nekoná – tyto skutečnosti dohromady tvoří silný argument, že učení skutečně probíhá uvnitř mozečku.

Teorie a výpočetní modely

Model mozečkového perceptronu, jak jej formuloval James Albus

Velká základna znalostí o anatomické struktuře a behaviorálních funkcích mozečku z něj udělala živnou půdu pro teoretizování – existuje snad více teorií o funkci mozečku než kterékoli jiné části mozku. Nejzákladnější rozdíl mezi nimi je mezi „teoriemi učení“ a „teoriemi výkonu“ – tedy teoriemi, které využívají synaptické plasticity v mozečku k vysvětlení jeho role při učení, oproti teoriím, které počítají s aspekty probíhajícího chování na základě zpracování signálu mozečku. Několik teorií obou typů bylo formulováno jako matematické modely a simulováno pomocí počítačů.

Snad nejstarší teorií „výkonu“ byla hypotéza „zpožďovací čáry“ Valentina Braitenberga. Původní teorie předložená Braitenbergem a Atwoodem v roce 1958 navrhovala, že pomalé šíření signálů podél paralelních vláken ukládá předvídatelná zpoždění, která mozečku umožňují detekovat časové vztahy v určitém okně. Experimentální data původní podobu teorie nepodporovala, ale Braitenberg nadále argumentoval modifikovanými verzemi. Hypotézu, že mozeček funguje v podstatě jako časovací systém, obhajoval také Richard Ivry. Další vlivnou teorií „výkonu“ je teorie Tensorovy sítě Pellionisze a Llináse, která poskytla pokročilou matematickou formulaci myšlenky, že základní výpočet prováděný mozečkem je transformovat smyslové vjemy na motorické souřadnice.

Teorie v kategorii „učení“ téměř všechny vycházejí z raných publikací Davida Marra a Jamese Albuse. Marrova práce z roku 1969 navrhla, že mozeček je zařízení pro učení asociace elementárních pohybů kódovaných lezoucími vlákny se vstupy z mechových vláken, které kódují smyslový kontext. Albus navrhl, že mozečková Purkyňova buňka funguje jako perceptron, neurálně inspirované abstraktní učební zařízení. Nejzákladnější rozdíl mezi Marrovou a Albusovou teorií je, že Marr předpokládal, že lezoucí aktivita vláken způsobí posílení paralelních synapsí vláken, zatímco Albus navrhoval, že budou oslabeny. Albus také formuloval svou verzi jako softwarový algoritmus, který nazval CMAC (Cerebellar Model Articulation Controller), který byl testován v řadě aplikací.

Změněná chůze ženy s onemocněním mozečku

Nejvýznamnější příznaky mozkomíšní dysfunkce jsou motorické – specifické příznaky závisí na tom, která část mozečku je zapojena a jak je narušena. Poškození flokulonodulárního laloku (vestibulární část) se může projevit jako ztráta rovnováhy a zejména změněná chůze se širokým postojem, který ukazuje na potíže s rovnováhou. Poškození laterální zóny, neboli cerebrocerebellum, má za následek problémy s kvalifikovanými dobrovolnými a plánovanými pohyby. To může způsobit chyby v síle, směru, rychlosti a amplitudě pohybů. Některé projevy zahrnují hypotonii (snížený svalový tonus), dysartrii (problémy s artikulací řeči), dysmetrii (problémy s posuzováním vzdáleností nebo rozsahů pohybů), dysdiadochokinesii (neschopnost provádět rychlé střídavé pohyby), poruchu kontrolního reflexu nebo rebound fenoménu a třes (mimovolní pohyb způsobený střídavými kontrakcemi protichůdných svalových skupin). Poškození střední části může narušit pohyby celého těla, zatímco poškození lokalizované více do stran je pravděpodobnější pro narušení jemných pohybů rukou nebo končetin. Poškození horní části mozečku má tendenci způsobovat poruchy chůze a další problémy s koordinací nohou; poškození dolní části je pravděpodobnější pro nekoordinované nebo špatně zaměřené pohyby paží a rukou, stejně jako potíže s rychlostí. Tento komplex motorických příznaků se nazývá „ataxie“. Pro identifikaci problémů mozečku zahrnuje neurologické vyšetření posouzení chůze (široce založená chůze je indikátorem ataxie), testy ukazování prstem a posouzení držení těla. Pokud je indikována dysfunkce mozečku, lze použít magnetickou rezonanci k získání podrobného obrazu jakýchkoli strukturálních změn, které mohou existovat.

Spodní stopa ukazuje pokus pacienta s onemocněním mozečku reprodukovat horní stopu.

Seznam zdravotních problémů, které mohou způsobit poškození mozečku, je dlouhý: zahrnuje mrtvici, krvácení, nádory, alkoholismus, fyzické trauma, jako jsou střelné rány, a chronické degenerativní stavy, jako je olivopontocerebellární atrofie. Některé formy migrény mohou také způsobit dočasnou dysfunkci mozečku, proměnné závažnosti.

Lidský mozeček se s věkem mění. Tyto změny se mohou lišit od změn v jiných částech mozku, například vzorec genové exprese v lidském mozečku vykazuje menší změny související s věkem než v mozkové kůře.
Některé studie uvádějí snížení počtu buněk nebo objemu tkáně, ale množství údajů týkajících se této otázky není příliš velké.

Cerebelární krvácení se liší od jiného intrakraniálního krvácení v tom, že nedochází k hemiparéze. Příznaky mohou zahrnovat bolesti hlavy, ataxii, nystagmus, obrnu zraku, ochablost obličeje a zvracení. Nejdůležitějším rizikovým faktorem je hypertenze.
Včasná diagnóza je důležitá, protože vznikající dekomprese může zachránit život.

Mozeček je občas postižen nádory. U dospělých jsou metastatické nádory velmi časté.

Nádory, které běžně vznikají v mozečku, zahrnují pilocytární astrocytomy, meduloblastomy (zejména u dětí), ependymomy a hemangioblastomy (často v souvislosti s von Hippel-Lindauovým syndromem).

Srovnávací anatomie a evoluce

Průřez mozkem žraloka nosatého, se zvýrazněným mozečkem

Obvody v mozečku jsou podobné ve všech třídách obratlovců, včetně ryb, plazů, ptáků a savců. Analogická struktura mozku je také u hlavonožců s dobře vyvinutým mozkem, jako jsou chobotnice. To bylo bráno jako důkaz, že mozeček vykonává funkce důležité pro všechny živočišné druhy s mozkem.

U různých druhů obratlovců existují značné rozdíly ve velikosti a tvaru mozečku. U obojživelníků, mihulí a hlodavců je mozeček málo vyvinutý; v posledních dvou skupinách je sotva rozeznatelný od mozkového kmene. I když je spinocerebellum v těchto skupinách přítomen, primárními strukturami jsou malá párová jádra odpovídající vestibulocerebellum. Mozeček je o něco větší u plazů, podstatně větší u ptáků a ještě větší u savců. Velké párové a zakřivené laloky nalezené u lidí jsou typické pro savce, ale mozeček je obecně jediný střední lalok v jiných skupinách a je buď hladký, nebo jen mírně rýhovaný. U savců je neocerebellum hlavní částí mozečku podle hmotnosti, ale u jiných obratlovců je to typicky spinocerebellum.

Mozeček chrupavčitých a kostnatých ryb je mimořádně velký a složitý. Alespoň v jednom důležitém ohledu se liší vnitřní strukturou od mozečku savců: Rybí mozeček neobsahuje diskrétní hluboká jádra mozečku. Primárním cílem Purkyňových buněk je naopak odlišný typ buněk rozmístěný v mozečkové kůře, což je typ, který u savců není k vidění. U mormyridů (čeleď slabě elektrosenzitivních sladkovodních ryb) je mozeček podstatně větší než zbytek mozku dohromady. Největší část tvoří speciální struktura zvaná valvula, která má neobvykle pravidelnou architekturu a velkou část vstupů přijímá z elektrosenzorického systému.

Charakteristickým znakem savčího mozečku je expanze postranních laloků, jejichž hlavní interakce jsou s neokortexem. Jak se opice vyvíjely ve velké opice, expanze postranních laloků pokračovala, současně s expanzí čelních laloků neokortexu. U předků hominidů a u homo sapiens až do středního období pleistocénu se mozeček dále rozšiřoval, ale čelní laloky expandovaly rychleji. Poslední období lidské evoluce však mohlo být ve skutečnosti spojeno se zvýšením relativní velikosti mozečku, protože neokortex poněkud zmenšil jeho velikost, zatímco mozeček expandoval.

Struktury podobné Cerebellum

Mnoho druhů obratlovců má oblasti mozku, které se podobají mozečku, pokud jde o buněčnou architekturu a neurochemii. Jediné, které se vyskytuje u savců, je dorzální kochleární jádro (DCN), jedno ze dvou primárních smyslových jader, která přijímají vstup přímo ze sluchového nervu. DCN je vrstvená struktura, přičemž spodní vrstva obsahuje granulové buňky podobné těm z mozečku, což dává vzniknout paralelním vláknům, která vystupují do povrchové vrstvy a putují přes ni horizontálně. Povrchová vrstva obsahuje soubor GABAergních neuronů zvaných buňky přemetů, které se anatomicky a chemicky podobají Purkyňovým buňkám – přijímají vstup paralelních vláken, ale nemají žádné vstupy, které by se podobaly šplhajícím vláknům. Výstupní neurony DCN se nazývají fúzormní buňky. Jsou glutamatergní, ale v některých ohledech se také podobají Purkyňovým buňkám – mají ostnaté, zploštělé povrchové dendritické stromy, které přijímají paralelní vláknové vstupy, ale mají také bazální dendrity, které přijímají vstupy ze sluchových nervových vláken, která putují přes DCN ve směru kolmém k paralelním vláknům. DCN je nejvyspělejší u hlodavců a dalších malých zvířat, u primátů je značně omezen. Jeho funkce není dobře pochopena; nejoblíbenější spekulace jej tak či onak spojují s prostorovým sluchem.

Většina druhů ryb a obojživelníků má laterální liniový systém, který snímá tlakové vlny ve vodě. Jedna z mozkových oblastí, která přijímá primární vstup z laterálního liniového orgánu, středového oktavolaterálního jádra, má strukturu podobnou mozečku, s buňkami granulí a paralelními vlákny. U elektrosenzitivních ryb jde vstup z elektrosenzorického systému do hřbetního oktavolaterálního jádra, které má také strukturu podobnou mozečku. U ryb s paprskovitými ploutvemi (zdaleka největší skupina) má optické tectum vrstvu – mezní vrstvu – která je podobná mozečku.

Všechny tyto struktury podobné mozečku se zdají být primárně spjaty se smysly spíše než s motorikou. Všechny z nich mají buňky granulí, které dávají vzniknout paralelním vláknům, která se připojují k Purkyňovým neuronům s modifikovatelnými synapsemi, ale žádná z nich nemá šplhavá vlákna srovnatelná s těmi z mozečku – místo toho dostávají přímý vstup z periferních smyslových orgánů. Žádná z nich nemá prokázanou funkci, ale nejvlivnější spekulací je, že slouží k transformaci smyslových vstupů nějakým sofistikovaným způsobem, snad aby kompenzovaly změny v držení těla. Ve skutečnosti James Bower a další argumentovali, částečně na základě těchto struktur a částečně na základě studií mozečku, že mozeček sám o sobě je v podstatě smyslová struktura a že přispívá k motorické kontrole pohybem těla způsobem, který řídí výsledné smyslové signály.

Základna lidského mozku, jak ji nakreslil Andreas Vesalius v roce 1543

Výrazný vzhled mozečku způsobil, že ho rozpoznali i první anatomové. Aristoteles a Galen ho však nepovažovali za skutečnou součást mozku: říkali mu parencefalon („stejný mozek“), na rozdíl od encefalonu nebo mozku samotného. Galen byl první, kdo podal rozsáhlý popis, když si všiml, že se mozečková tkáň zdá pevnější než zbytek mozku, spekuloval, že její funkcí je posílení motorických nervů.

Další významný vývoj přišel až v renesanci. Vesalius krátce diskutoval o mozečku a anatomie byla podrobněji popsána Thomasem Willisem v roce 1664. Další anatomické práce byly provedeny v průběhu 18. století, ale první poznatky o funkci mozečku byly získány až počátkem 19. století. Luigi Rolando v roce 1809 stanovil klíčový poznatek, že poškození mozečku má za následek poruchy motoriky. Jean Pierre Flourens v první polovině 19. století provedl detailní experimentální práci, která odhalila, že zvířata s poškozením mozečku se mohou stále pohybovat, ale se ztrátou koordinace (podivné pohyby, nemotorná chůze a svalová slabost) a že uzdravení po lézi může být téměř úplné, pokud léze není velmi rozsáhlá. Na úsvitu 20. století bylo široce přijato, že primární funkce mozečku se týká motorické kontroly; první polovina 20. století přinesla několik podrobných popisů klinických příznaků spojených s onemocněním mozečku u lidí.

Trigeminal lemniscus (Dorsal trigeminal tract, Ventral trigeminal tract)

kraniální jádra: GSA: Principal V/Spinal V – VIII-c (Dorsal, Anterior)/VIII-v (Lateral, Superior, Medial, Inferior) – SVE: Motor V – VII – GSE: VI – GVE: VII: Superior salivary nucleus

MLF, III, IV a VI (vestibulooculomotorová vlákna, mediální vestibulospinální trakt)

senzorické/vzestupné: Trapezoid body/VIII – Superior olivary nucleus

Inferior cerebellar peduncle (Vestibulocerebellar tract)

motor/sestup: Apneustické centrum • Pneumotaxické centrum (středové parabrachiální jádro) – Laterální parabrachiální jádro

Střední mozečková vlákna (Pontocerebellar fibers) – Pontinský nukleimotor/sestupný: Kortikospinální trakt – Kortikobulbarový trakt – Kortikopontinová vlákna

Retikulární formace (Caudal, Oral, Tegmental, Paramedian) • Raphe nuclei (Median)

povrch: Zadní medián sulcus – Postero-laterální sulcus – Area postrema

lebeční jádra: GVA: VII,IX,X: Solitární/traktální • SVA: Gustární jádro • GSE: XII  • GVE: IX,X,XI: Ambiguus • SVE: X: Dorzální • IX: Dolní slinné jádro – MLF, III, IV a VI

senzorické/vzestupné: Gracile nucleus • Cuneate nucleus (Accessory cuneate nucleus) • Senzorické decussation  • Medial lemniscus

motor/sestup: dorzální respirační skupina

motorický/sestupný: Ventrální respirační skupina – pyramida (motorická decuszace) – jádro spodní olivary (Olivocerebellární trakt, Rubro-olivary trakt)povrch: Přední střední trhlina – Antero-laterální sulcus – jádro meduly obloukové – Olivární těleso

Retikulární formace (Gigantocellular, Parvocellular, Ventral, Lateral, Paramedian) • Raphe nuclei (Obscurus, Magnus, Pallidus)