background image

Motor & Sensory Function 

of CNS 

 

By 

Dr. Mufeed Akram Taha 

FIBMS Neurology 

Clinical Attachment Turkey 

 


background image

Most  volu tar   ove e ts i itiated   

the cerebral cortex are achieved when 
the  orte  a tivates  patter s  of 
function stored in lower brain areas

—the 

cord, brain stem, basal ganglia, and 
cerebellum. These lower centers, in turn, 
send specific control signals to the 
muscles.  


background image

The motor functions of CNS can be divided into:- 

• Movement in which subdivided into 3 types of 

movement 

1. Voluntary movement like playing 

piano&writing 

2. Reflexes which are involuntary, rapid, 

stereotyped movement like eye blinking, 
Knee jerk. 

3. Rhythmic motor pattern like chewing, 

walking and running. 

• Posture and balance 

• communication 


background image

MOTOR CORTEX 

 The motor cortex occupies posterior third of 

frontal lobe anterior to the central sulcus 
(precentral gyrus). 

The motor cortex itself is divided into three 

subareas, each of which has its own 
topographical representation of muscle 
groups and specific motor functions: 

(1) the primary motor cortex, 

(2) the premotor area 

(3) the supplementary motor area. 

 


background image

Primary Motor Cortex:-

  

The primary motor cortex lies in the first convolution of 

the frontal lobes anterior to the central sulcus.This 
area is responsible for conscious voluntary control of 
precise, skilled movements of either individual 
muscles or small groups of muscles. The extremities 
of the opposite side of the body are represented in 
the precentral gyrus, with the feet at the top of the 
gyrus and the face at the bottom. 

The cortical representation of each part of the body is 

proportional to the skill with which the part is used in 
fine voluntary movement, so more than one half of 
the entire primary motor cortex is concerned with 
controlling the muscles of the hands and speech.  

 


background image

background image

Supplementary Motor Area 

This is located on medial surface of the 

frontal lobe slightly anterior to the 
primary motor cortex. it is responsible 
for global mental planning of complex 
motor sequences and sends these 
instructions to the premotor area. 


background image

Premotor Area 

 This is located anterior to primary motor area and 

below the supplementary motor area on the lateral 
side of the hemisphere.Nerve signals generated in 
the premotor area cause much more complex 

patter s  of  ove e t tha  the dis rete patter s 

generated in the primary motor cortex. For instance, 
the pattern may be to position the shoulders and 
arms so that the hands are properly oriented to 
perform specific tasks.The premotor area sends its 
signals into the primary motor cortex to excite 
multiple groups of muscle either directly or indirectly 
(through basal ganglia          thalamus          primary 
and premotor cortex. 

 


background image

• Within the premotor cortex the following 

areas are present:- 

1. 

Broca’s area for speech(this is the word 

formation area). 

2. Voluntary Eye Movement area: Located in 

the premotor area immediately above 

Bro a’s 

area. Damage to this area prevents a person 
from voluntarily moving the eyes toward 
different objects. 

3. Head Rotation Area:This area is closely 

associated with the eye movement field; it 
directs the head toward different objects. 

 

 


background image

4. Hand Skills Area: Located in the 

premotor area immediately anterior to 
the primary motor cortex for the hands 
and fingers when there is damage to this 
area hand movements become 
uncoordinated and nonpurposeful. 

 

 


background image

background image

Transmission of Signals from the Motor 

Cortex to the Muscles 

  

Motor signals are transmitted directly from the 

cortex to the spinal cord through the 
corticospinal tract and indirectly through 
multiple accessory pathways that involve the 
basal ganglia, cerebellum, and various nuclei of 
the brain stem.
 

  


background image

The higher motor control systems 

 

This control systems involve the structure control 

all motor activities executed at the brain stem 
level and spinal cord and these are : 

1-The pyramidal system. 

2- The extrapyramidal system. 

3- The cerebellum. 

The pyramidal and extrapyramidal systems called 

upper motor neurons. 


background image

Corticospinal (Pyramidal) Tract:-

  

The corticospinal tract originates about 30% 

from the primary motor cortex, 30% from the 
premotor and supplementary motor areas, 
and 40% from the somatosensory areas 
posterior to the central sulcus. After leaving 
the cortex, it passes through the posterior 
limb of the internal capsule and then 
downward through the brain stem forming the 

    pyramids of the medulla. 

 


background image

  

The majority of the pyramidal fibers 80% then cross in the 

lower medulla to the opposite side and descend into 
the lateral corticospinal tracts of the cord, finally 
terminating on excitatory (for the agonist muscle) or 
inhibitory (for the antagonist muscles) interneurons, 
these fibers are concerned with distal limb muscles and 
hence with skilled movements especially of hands & 
fingers. 

A few of the fibers do not cross to the opposite side in the 

medulla but pass ipsilaterally down the cord in the 
ventral corticospinal( these fibers are concerened with 
axial and proximal limb muscle contraction). 

Glutamate and or aspartate is the neurotransmitter of the 

pyramidal system. 


background image

The extrapyramidal system:- 

Which includes all those portions of the brain 

and brain stem and their fibers that 
contribute to motor control but that are not 
part of the direct pyramidal system. This 
system is concerned mainly with: 

• Postural control and stability. 
•  Inhibits unwanted muscular activity. 
• Maintains muscle tone. 
 

 


background image

Extrapyramidal system includes: 

• Basal ganglia 
• Reticular formation 
• Vestibular nuclei 
• Red nuclei 
• Substantia nigra 
• Tectum 
• Subthalamic nucleus 
• Cerebellum 


background image

When a firm tactile stimulus is applied to lateral 

sole of the foot, two reflex arcs are stimulated at 
the same time one through pyramidal system 
and the other through extrapyramidal system, In 
normal condition, the reflex arc of the pyramidal 
system suppresses that of extrapyramidal system 
and therefore downward bending of the toes is 
elicited when tactile stimulus is applied to lateral 
sole of foot. When pyramidal system is 
dammaged without extrapyramidal system there 
will be extension of great toe and fanning of 
other toes called Babinski sign. 


background image

The main spinal extrapyramidal tracts include 

the subcorticospinal pathways which are:- 

1. Tectospinal tract(from the superior 

colliculus of the tectum and is involved in 
the control of neck muscles). 

2. Vestibulospinal tract(from vestibular 

nuclei) 

3. Reticulospinal tracts(from pontine and 

medullary reticular formation) 

4. Rubrospinal tract(from the red nucleus) 


background image

The red nucleus:- 

It’s oval  u leus, pi k i  fresh spe i e s bec. of an 

iron containing pigment in many of the cells and 
its centrally placed in the upper mesencephalic 
reticular formation.It receives fibers from the 
deep cerebellar nuclei and cerebral cortex and 
the most important efferent projection of the red 
nucleus is to the contralateral spinal cord. It 
operates in close association with the pyramidal 
tract. This nucleus give rise to rubrospinal tract 
that cross to opposite side in lower brain stem 
and follows a course parallel to the lateral 
corticospinal tract and it acts as an accessory   

 


background image

route for the transmition of discrete signals 

from the motor cortex to the spinal cord. 
This tract is involved in large movements of 
proximal musculature of the limbs. It 
inhibits activity of extensors and increases 
activity of flexors. 


background image

Role of the Brain Stem in Controlling Motor Function 

 The brain stem consists of the medulla, pons, and mesencephalon. 

it is an extension of the spinal cord upward into the cranial cavity, 

The brain stem provides many special control functions, such as 
the following: 

1. Control of respiration 

2. Control of the cardiovascular system 

3. Partial control of gastrointestinal function 

4. Control of many stereotyped movements of the body 

5. Control of equilibrium 

6. Control of eye movements. 


background image

Motor Functions of the Spinal Cord 

"Spinal Cord Reflexes“ 

The basic unit of integrated reflex activity is the reflex 

arc. This arc consists of a sense organ, an afferent 
neuron, one or more synapses in a central 
integrating station or sympathetic ganglion, an 
efferent neuron, and an effector. The connection 
between afferent and efferent somatic neurons is 
generally in the brain or spinal cord. The afferent 
neurons enter via the dorsal roots or cranial nerves 
and have their cell bodies in the dorsal root ganglia 
or in the homologous ganglia on the cranial nerves. 
The efferent fibers leave via the ventral roots or 
corresponding motor cranial nerves 

 


background image

The sensory signals enter the cord almost entirely 

through the sensory (posterior) roots. After 
entering the cord, sensory signal travels to two 
separate destinations:  

(1) One branch terminates in the gray matter of the 

cord to elicits local segmental cord reflexes and 
other local effects.  

(2) Branch transmits signals to higher levels (Brain 

stem, cerebral cortex).  

 

 

 


background image

Sensation 


background image

•  Input to the nervous system is provided 

by the sensory receptors that detect 
sensory stimuli. 

• Sensory receptors are specialized cells or 

neurons that trasduce environmental 
signals (mechanical forces, light, sound, 
chemicals and temperature) into 
neuronal signals (action potential) in 
neuron attached to it. 


background image

• There are separate warm and cold 

receptors. 

• Hair receptors associated with skin hairs 

allow you to feel the displacement of 
hairs. 

• Several types of pain receptors respond to 

mechanical trauma or very high or low 
temperatures. 


background image

According to the type of energy or stimulus that stimulates 

receptors, there are 5 different types of sensory receptors:- 

1.

Mechanoreceptors: which detect mechanical deformation of 
the receptor or of cells adjacent to the receptor which include 
tactile sensations (touch, pressure, vibration, itch), hearing, 
equilibrium and the position sense. 

2.

Thermoreceptors:- which detect changes in temperature, some 
receptors detecting cold and others warmth. 

3.

Pain receptors(nociceptors):- which detect damage in the 
tissues, whether it be physical or chemical damage. 

4.

Electromagnetic receptors(photoreceptors):- such as rods and 
cones which detect light on the retina of the eye. 

5.

Chemoreceptors:-which detect taste in the mouth(taste 
receptor), smell in the nose (olfactory receptors), O2& CO2 
concentrations in the blood(carotid body receptors), osmolality 
of body fluids(osmoreceptors). 

 


background image

General properties of receptors
1. The sensitivity of receptors: each type of 

receptor is very highly sensitive to one type of 
stimulus or particular type of energy for which 
its designed.  

2. The specificity of nerve fiber attached to the 

receptor: Each nerve fibers is specialized to 
transmit only one modality of sensation . 

3. The ability to generate a receptor potential 

(generator potential): the mechanism used by 
the receptor to produce the receptor potential 
varies depending on the type of receptor  as the 
impulse rate is proportional to the stimulus 
intensity.  


background image

 

 

The brain can recognize the intensity of the 

stimulus that is transmitted to it by: 

A- Variation in the frequency of the action 

potential generated by the activity in a given 
receptor (called temporal summation  and 

B- By variation in the number of receptor 

activated (called spatial summation) 

4-Adaptation or desensitization of receptors: It is 

a progressive decrease of receptor response to the 
continuous application of a constant sensory stimulus. 
When a continuous sensory stimulus is applied, the 
receptors respond at first with a very high impulse 
rate, then at a progressively lower rate until finally 
many of them no longer respond at all.  


background image

 Referred pain: That is the pain felt in a part of 

the body considerably remote from the tissues 
causing the pain. Usually the pain is initiated 
in one of the visceral organs and referred to 
an area on the body surface or deep area of 
the body not exactly coincident with the 
location of the viscus producing the pain. The 
best known example is referral of cardiac pain 
to the inner aspect of the left arm. Other 
examples include pain in the tip of the 
shoulder owing to irritation of the central 
portion of the diaphragm and pain in the 
testicle due to distortion of the ureter 


background image

The mechanism of the referred pain is as follow: The visceral pain 

fibers enter the spinal cord  and synapse with second order 
neuron that also receives pain fiber from the skin. When the 
visceral pain fibers are stimulated, pain signals from the viscera 
are then conducted through the same neurons that conduct 
pain signals from the skin, and person has the feeling that the 
sensations actually originate in the skin itself. The rules that 
determine the areas to which the pain is referred are: 

 

1- Dermatomal rules:In which the pain is usually referred to a 

structure that developed from the same embryonic segment or 
dermatome in which the pain originates. For example, during 
embryonic development, the diaphragm migrates from the neck 
region to its adult location in the abdomen and takes its nerve 
supply the phrenic nerve with it. The afferent fibers of the 
phrenic nerve enter the spinal cord at the level of the second to 
fourth cervical segments, the same location at which afferents 
from the tip of shoulder enter. 

 


background image

2- Brain interpretation rule: Pain signals from visceral 

structure may converge on the same spinothalamic 
tract that receives sensory somatic signals from the 
peripheral structures. Since somatic pain is much more 
common than visceral pain, the brain has learned that 
activity arriving in a given pathway is caused by a pain 
stimulus in a particular somatic area. 

3- Facilitation effects rule: In which the incoming impulse 

from visceral structures lower the threshold of 
spinothalamic neurons receiving afferent from somatic 
areas, so that minor activity in the pain pathways from 
the somatic areas passes on to the brain. 


background image

Visceral pain: It is the pain from different viscera 

of the abdomen and chest. The true visceral 
pain is transmitted through type C nerve fibers 
that run in the sympathetic or 
parasympathetic nerves. The viscera have 
somatic receptors for pain sensation only. 
Because there are relatively few pain 
receptors in the viscera, visceral pain is poorly 
localized. Visceral pain is different from 
surface pain and that is a highly localized 
types of damage to the viscera rarely cause 
pain. 

 


background image

Central inhibition of pain:-Pain perception is affected by 

a variety of psychological factors such as mood and 
emotional motivational state. For example, under 
"fight and flight" condition, the threshold for pain 
increases such that stimuli that usually produce pain 
are not perceived as painful. Opposite phenomenon 
also occurs. For example, when a subject is anxious, a 
nonpainful stimulus may perceived as painful. The 
degree to which each person reacts to pain varies . The 
variation of patient's reaction to pain is due to partly 
from the capability of the brain itself to control the 
degree of input of pain signals to the CNS by activation 
of a pain control system, called analgesia system and 
partly by stimulation of large sensory fibers from the 
peripheral tactile receptors. 

 


background image

1- Analgesia system: It consists of three major 

components and these are: 

(A)The neurons of periaqueductal gray area. 

(B) Neurons of raphe magnus nucleus. 

(C) Pain inhibitory complex located in the dorsal 

horns of the spinal cord. 

(D) plus other accessory components (such as 

periventricular nuclei around the third 
ventricle and medial forebrain bundle in the 
hypothalamus). 

 


background image

2- Stimulation of peripheral sensory fiber (gate 

control theory): Cells in substantia gelatinosa 
(SG) act as the "gate". Stimulation from large 
fibres (A fibers) causes the gate to close (cells 
in SG stimulated, decrease pain signal). 
Stimulation from small fibres (C fibers) opens 
gate (cells in SG inhibitted, increase pain 
signal).  


background image

3- Thermal sensations; Thermal sensations are detected 

by two different types of subcutaneous sensory 
receptors. There are two types of thermal receptors 
and these are: 

(1) The cold receptors which respond maximally to 

temperature slightly below body temperature and the 
signals are conducted through A and C nerve fibers. 

(2)The warmth receptors which respond maximally to 

temperature slightly above body temperature and the 
signals are conducted through C nerve fibers. 

Because the number of cold or warmth receptors in any 

one surface area of the body is very slight, it is difficult 
to judge gradations of temperature when small areas 
are stimulated. The judgment of gradation is increased 
as the stimulated surface area increases. 


background image

• Signs of lesions of peripheral sensory pathways: 

With complete lesion of peripheral sensory 
nerves all forms of sensation are lost in the area 
supplied by the affected nerve but without 
following the dermatemal pattern due to the fact 
that neighboring nerves overlap into the territory 
of the affected nerve. 

• If the afferent fibers of a reflex arc affected, the 

reflex concerned is lost. With lesions of the 
posterior root of the spinal cord all forms of 
sensation are lost but the distribution of the loss 
follows a dermatomal pattern, and loss of 
reflexes subserved by the involved root. 


background image

The course of the somatic sensations through 

the spinal cord 

(The somatosensory system) 

 Almost all the afferent sensory somatic 

information of the body enters the spinal cord 
through the dorsal roots of the spinal nerves 
or the brain stem via the cranial nerves. On 
entering the spinal cord the sensory signals 
are carried to the brain by one of two sensory 
pathways: 

 


background image

1

— the dorsal column pathway (lemmiscal system); in which: 

first order neurons (dorsal root sensory fibers) enter the 

dorsal column of the spinal cord and then pass up on the 
same side of its entrance in the spinal cord to the medulla, 
where they synapse in the cuneate and gracile nuclei. 

From the cuneate and gracile nuclei the second order neurons 

are originated and decussate immediately to the opposite 
side and then pass upward to the thalamus through medial 
leminisci pathways which is joined by additional decussated 
fibers from the sensory nucleus of the trigeminal nerve. 

From thalamus, third order neurons project mainly to the 

somatic sensory area located at postcentral gyrus and 
occupy the cerebral cortex of the anterior portion of the 
parietal lobe. 

So The dorsal column carries the following sensations: fine 

touch and pressure (including weight, shape,   Size, texture), 
vibration, proprioception.
 

 


background image

background image

2

— the anterolateral pathways (spinothalamic pathway): In which 

[A]First order neurons (dorsal root sensory fibers) enter the dorsal 

horns of the spinal cord and synapse with the second order 
neurons. 

[B]The second order neurons cross to the opposite anterolateral white 

column where, they turn upward toward the thalamus through 
anterior and lateral spinothalamic tracts. Some of the second order 
neuron of the anterolateral system, which carry signals from slow C 
pain fibers, pass to the reticular formation of the medulla, pons, 
and mesencephalon through a spinoreticular pathway and through 
spinotectal tract, From these areas, higher order neurons are 
transmitted from reticular formation to the cortex. 

[C] From thalamus, third order neurons project mainly to the somatic 

sensory area of the cortex along with the neurons of the dorsal 
column. 

 

 

The anterolateral system carries the following sensations: crude 

touch and pain, thermal sensation. 


background image

Signs of lesions of the central sensory pathways 

[1] A lesion confined to the posterior column of the spinal cord 

 

will cause: 

 Loss of position and vibration sense on the same side, but the sensation 

of pain, touch, temperature will be preserved. 

[2] Lesions of the spinothalamic tracts cause impairment of the ability to 

appreciate pain and temperature on the contralateral side of the body 
below the level of the lesion. Touch is usually modified (it feels 
different) but not abolished because of its alternative pathway in the 
posterior columns. 

[3] In the brain stem, the spinothalamic tract and medial lemniscus run 

close together. Therefore, lesion of the upper brain stem usually 
affects all forms of sensation on the contralateral side ofthe body. 

[4] Lesions of the main sensory nuclei of the thalamus may cause: 

Loss of various modalities of sensation on the opposite side of the body, 

And spontaneous pain of most unpleasant quality in the opposite side 
of the body which often causes considerable emotional reaction. 


background image

Higher interpretation of sensory signals 

 This is achieved by the cerebral cortex in the following areas : 

[1] Primary sensory areas. 
[2] Sensory association areas. 
[3] Wernicke's area. 

 

  

[1] Primary sensory areas: which include : 

Primary somatic sensory area. 
Primary visual sensory area. 
Primary auditory sensory area.  
They are the areas of the cerebral cortex to which the respective 

sensory signals are projected. They have spatial localization of 
signals from peripheral receptors., These, areas analyze only the 
simple aspects of sensations and that is to inform the brain that a 
sensory signal is actually arrived to the

 

cerebral cortex but they are 

not able of complete analysis of complicated sensory patterns. 


background image

In the primary somatic sensory area the spatial 

orientation of the different parts of the opposite side 
of body were represented. The size of the area of 
representation is directly proportional to the number 
of specialized sensory receptors in each respective 
peripheral area of the body. For instances, the lips by 
far the greatest of all, followed by the face and thumb 
where as the entire trunk and lower part of the body 
are represented by relatively small areas. 

 

Yet  orti al lesio s do ’t a olish so ati  se satio . Thus, 

perception may occur at subcortical level and it is 
possible in the absence of the cortex. Wide spread 
excision of primary somatic sensory area does not 
abolish and present following signs: 


background image

background image

• The person is unable to localize discretely the 

different sensations in the different parts of 
the body. 

• He is unable to judge exactly the degrees of 

pressure against his body. 

•  He is unable to judge exactly the weights of 

objects. 

•  He is unable to judge shapes or forms of 

objects. 

•  He is unable to judge texture of materials. 


background image

[2] Sensory association areas:

 Which include: 

Somatic sensory association area. 
Visual sensory association area. 
Auditory sensory association area. 
Around the borders of the primary sensory area are 

regions called sensory association area. the 
general function of the sensory association areas 
is to provide a higher level of interpretation of 
the sensory signals. In these areas interpretation 
of sensory signals is achieved by giving the 
simplest meaning and characteristic of the 
sensory signal. Destruction of the sensory 
association greatly reduces the capability of the 
brain to analyze and interpretate different 
characteristics of sensory experiences. 


background image

[3] Wernicke's area:  

It is the area where the sensory association 

areas all meet one another in the posterior 
part of the temporal lobe where the temporal, 
parietal, and occipital lobes all come together. 
This area is called Wernicke's area which 
converge the different sensory interpretative 
areas.  

  

 


background image

It is highly developed in the dominant side of 

the brain and plays the greatest role in 
interpretation of the complicated meanings of 
different sensory experiences. It is important 
to note that the left hemisphere is usually 
dominant with respect to language, even in 
left handed people 


background image

Following severe damage to this area in the 

dominant side of t he brain: 

A person might hear perfectly well and even 

recognize different words but still might be 
unable to arrange these words into a coherent 
thought. Likewise the person may be able to 
read words from the printed page but be 
unable to recognize the thought that is 
conveyed. 

 


background image

 

Thank you 




رفعت المحاضرة من قبل: Ismail AL Jarrah
المشاهدات: لقد قام 5 أعضاء و 155 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