Neurophysiological mechanisms of motor disorders at parkinsonism

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription or Fee Access

Abstract

This article reviews the neurophysiological mechanisms, which are responsible for motor disorders in Parkinson’s disease (PD) patients and at parkinsonism. It has been proposed that classic motor deficits (tremor, rigidity and akinesia) may originate from activation of universal spinal motor programs and are mod­ulated by various sensory signals, including thermal ones. The effect of cooling and heating on muscular per­formance, tremor and rigidity in the PD patients is also reviewed.

About the authors

Y. V. Lupandin

Petrozavodsk State University

Author for correspondence.
Email: shabanov@mail.rcom.ru
Russian Federation, Petrozavodsk

A. Y. Meigal

Petrozavodsk State University

Email: shabanov@mail.rcom.ru
Russian Federation, Petrozavodsk

References

  1. Антонен Е. Г., Мейгал А. Ю., Лупандин Ю. В. Влияние общего согревания организма на мышечное утомление больных паркинсонизмом // Мед. акад. журн. 2003. Т. 2. №3. С. 65-73.
  2. Антонен Е. Г., Мейгал А. Ю., Герасимова Л. И., Лупандин Ю. В. Электромиографические параметры мышечного утомления у больных паркинсонизмом при общем охлаждении организма // Физиол. чел. 2001. Т. 27. № 5. С. 115-123.
  3. Гурфинкель В. С., Левик Ю. С. Скелетная мышца: структура и функция. М.: Наука, 1985.
  4. Крыжановский Г. Н. Системные механизмы нервных расстройств // Патол. физиол. и экспер. терапия. 1992. №4. С. 106-112.
  5. Крыжановский Г. Н., Атаджанов М. А., Воронина Т. А. и др. Особенности паркинсонического синдрома, вызванного в эксперименте дефицитом нигростриарного дофамина и стимуляцией холинергических нейронов хво¬статого ядра // Журн. неврол. и психатр. им. С. С. Корсакова. 1993. Т. 93. № 6. С. 3-6.
  6. Крыжановский Г. Н., Карабань И. Н., Магаева С. В. и др. Болезнь Паркинсона. М.: Медицина, 2002. 336 с.
  7. Кузьмина Г. И., Бурачевская Л. Е. Участие вестибулярного аппарата в регулировании холодового тремора // Бюл. эксп. биол. и мед. 1978. Т. 91.№4. С. 396-398.
  8. Лупандин Ю. В. Сравнительная характеристика механизмов, регулирующих тубокурариновый и холодовый тремор // Физиол. журн. СССР им. И. М. Сеченова. 1978. Т. 64. № 10. С.1468-1474.
  9. Лупандин Ю. В. Роль фузимоторной системы в регуляции дрожи // Физиол. журн. СССР им. И. М. Сеченова. 1979. Т. 65. № И. С.1661-1670.
  10. Лупандин Ю. В. Взаимодействие термической и нетермической рецептивной сигнализации в механизме формирования терморегуляционной активности мотонейронного пула // Сенсорные системы, сенсорное взаимодействие и протезирование. Л.: Наука, 1983. С. 95-110.
  11. Лупандин Ю. В. Регуляция функции гамма- и альфа-мотонейронов мышц-антагонистов во время холодового тремора у кошек // Нейро- физиол. 1983. Т. 15. № 5. С. 242-248.
  12. Лупандин Ю. В. Особенности регуляции мышечного тонуса при перегревании организма (феномен Мейгала) // Механизмы функционирования висцеральных систем / Под. ред. Д. П. Дворецкого и А. Д. Ноздрачева. СПб.: Изд-во СПбГУ, 1999.
  13. Лупандин Ю. В., Антонен Е. Г., Мейгал А. Ю. Паттерны биоэлектрической активности двигательных единиц при различных формах паркинсонизма // Журн. неврол. и психиатр, им. С. С. Корсакова. 1993. Т. 93. № 6. С. 30-34.
  14. Лупандин Ю. В., Белоусова Г. П., Кузьмина Г. И. и др. Двигательные механизмы защиты организма от холода. Л.: Изд-во ЛГУ, 1988.
  15. Лупандин Ю. В., Мейгал А. Ю., Антонен Е. Г. Влияние охлаждения и согревания на функцию двигательных единиц у больных разными клиническими формами паркинсонизма // Журн. неврол. и психиатр, им. С. С. Корсакова. 1996. Т. 96. № 6. С. 86-87.
  16. Лупандин Ю. В., Мейгал А. Ю., Сорокина Л. В Терморегуляционная активность двигательной системы. Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 1995.
  17. Мейгал А. Ю., Кузьмина Г. И. Влияние позы на терморегуляционную активность мышц плеча //Физиол. чел. 1989. Т. 15. № 6. С. 147-149.
  18. Мейгал А. Ю., Лупан дин Ю. В., Кузьмина Г. И Электромиографические паттерны терморегуляционной активности двигательных единиц в процессе охлаждения организма // Физиол. чел. 1993. Т. 19. № 3. С. 106-114.
  19. Мейгал А. Ю., Герасимова Л. И., Золотова Е. В. Лупандин Ю. В. Произвольное рекрутирование двигательных единиц в условиях холодовой дрожи // Физиол. чел. 1997. Т. 23. № 5. С. 64-68.
  20. Мейгал А. Ю., Герасимова Л. И., Лупандин Ю. В Произвольный контроль двигательных единиц при перегревании организма // Физиол. чел. 1999. Т. 25. № 2. С. 111-116.
  21. Мейгал А. Ю., Ивуков А. Ю., Герасимова Л. И и др. Влияние общего охлаждения на электро-миографические характеристики мышечного утомления, вызванного динамической нагрузкой // Физиол. чел. 2000. Т. 26. № 2. С. 80-86.
  22. Персон Р. С. Спинальные механизмы управления мышечным сокращением. М.: Наука, 1985.
  23. Прозоровский В. Б. О фармакологической характеристике нейронов, участвующих в формировании тремора // Бюл. эксп. биол. и мед. 1961. № 10. С. 64-66.
  24. Успенский А. Н., Данилова Л. И. Характеристика длительного зубчатого тетануса скелетной мышцы крысы после холодовой адаптации // Физиол. журн. СССР. им. И. М. Сеченова. 1990. Т. 76. № 11. С. 1616-1622.
  25. Allum J. Н. J., Dietz У, Freund H.-J. Neural mechanisms underlying physiological tremor // J. Neurophysiol. 1978. Vol. 41. № 3. P. 557-571.
  26. Amini-Sereshki L. Brainstem control of shivering in the cat // Am. J. Physiol. 1977. Vol. 232. P. RI90-202.
  27. Baker J. R.. Davey N. J., Ellaway P. H. et al. Short-term synchrony of motor unit discharge during weak isometric contraction in Parkinson’s disease// Brain. 1992. Vol. 115. P. 137-154.
  28. Balestra C., Duchateau J., Hainaut K. Effects of fatigue on the stretch reflex in a human muscle // Electroencephalogr. Clin Neurophysiol. 1992. Vol. 85. H. 46-52.
  29. Berardelli A., Rothwell J. C., Thompson P. D et al. Pathophysiology of bradykinesia in Parkinson’s disease // Brain. 2001. Vol. 124. P. 2131-2146.
  30. Berardelli A., Sabra A. E, Hallett M. Physiological mechanisms of rigidity in Parkinson’s disease // J. Neurol. Neurosurg. Psychiatry. 1983. Vol. 46. P. 45-53.
  31. Bergh U., Eckblom B. Influence of muscle temperature on maximal muscle strength and power output in human skeletal muscles // Acta Physiol. Scand. 1979. Vol. 107. P. 33-37.
  32. Bligh J. Temperature regulation in mammals and other vertebrates H Frontiers of Biology. 1973. Vol. 30. 436 p.
  33. Brown P, Corcos D. M., Rothwell J. C. Does parkinsonian action tremor contribute to muscle weakness in Parkinson’s disease // Brain. 1997. Vol. 120. P. 401^108.
  34. Burton A. C., Bronk D. IV. The motor mechanism of shivering and thermal muscular tone H Am. J. Physiol. 1937. Vol. 119. P 284.
  35. Cantello R., Gianelli M, Civard C. et al. Parkinson’s disease rigidity: EMG in small hand muscle at rest // Electroencephalogr. Clin Neurophysiol. 1995. Vol. 97. P. 215-222.
  36. Dawson T. M. Parkinson’s disease: clinical manifestations and treatment // Int. Rev. Psychiatr. 2000. Vol. 12. P. 263-269.
  37. Denny-Brown D., Gaylor J. B., Uprus V. Note on the nature of motor discharge in shivering И Brain. 1935. Vol. 58. P. 233-237.
  38. Fellows S. J., Noth J., Schwarz M. Precision grip and Parkinson’s disease // Brain. 1998. Vol. 121. P. 1771-1784.
  39. Freund H.-J. Motor unit and muscle activity in voluntary motor control II Physiol. Rev. 1983. Vol. 67. P. 387-436.
  40. Friedman J. H., Friedman H. Fatigue in Parkinson’s disease: a nine-year follow-up H Mov. Disord. 2001. Vol. 16. P. 1120-1122.
  41. FtaitiE, Grelot L., CoudreuseJ. M. et al. Combined effect of heat stress, dehydration and exercise on neuromuscular function in humans // Eur. J. Appl. Physiol. 2001. Vol. 84. P. 87-94.
  42. Gandevia S. C. Spinal and supraspinal factors in human muscle fatigue // Physiol. Rev. 2001. Vol. 81. 1725-1789.
  43. Gottlieb S., Lippold О. C. J. The 4—6 Hz tremor during sustained contraction in normal human action II J. Physiol. (London). 1983. Vol. 336. P. 499-509.
  44. Gottlieb G. L., Latash M., Corcos D. M. et al. Organizing principles for single joint movements: V. Agonist-antagonist interactions H J. Neurophysiol. 1992. Vol. 67. P. 1417-1427.
  45. Gurrera R. J. Sympathoadrenal hyperactivity and the etiology of neuroleptic malignant syndrome H Am. J. Psychiatry. 1999. Vol. 156. P. 169-180.
  46. Натай Е, Legault S. R., Weber J. М. Fuel selection during intense shivering in humans: EMG pattern reflects carbohydrate oxidation // J. Physiol. 2004. Vol. 556. P. 305-313.
  47. Hayashi R., Hashimoto T., Tada T. et al. Relation between changes in long-latency stretch reflex and muscle stiffness in Parkinson’s disease - comparison before and after unilateral pallidotomy H Clin. Neurophysiol. 2001. Vol. 112. P. 1814-1821.
  48. Hemingway A. Shivering II Physiol. Rev. 1963. Vol. 43. P. 397-122.
  49. Hohtola E. Tonic immobility and shivering in birds: evolutionary implications П Physiol. Behav. 1981. Vol. 28. P. 475^180.
  50. Hufschmidt A., Stark K., Lucking С. H. Contractile properties of lower leg muscles are normal in Parkinson’s disease I I J. Neurol. Neurosurg. Psychiatr. 1991. Vol. 54. P. 457-460.
  51. Hakkinen K., Kallinen M., Izquierdo M. et al. Changes in agonist-antagonist EMG, muscle CSA, and force during strength training in middle-aged and older people // J. Appl. Physiol. 1998. Vol. 84. P. 1341-1349.
  52. Israel D. J., Pozos R. S. Synchronised slow-amplitude modulations in the electromyograms of shivering muscles // J. Appl. Physiol. 1989. Vol. 66. P. 2358-2363.
  53. Karlsen K., Larsen J. R, Tandberg E. et al. Fatigue in patients with Parkinson’s disease H Mov. Disord. 1999. Vol. 14. P. 237-241.
  54. Kleinebeckel D., Klussmann E W. Shivering H Thermoregulation: Physiology and Biochemistry / E. Schonbaum, P. Lomax (eds.). NY: Pergamon Press, 1990. P. 235-253.
  55. Klussmann E W., Stelter W. J., Spaan G. Temperature sensitivity of spinal motoneurones of the cat // Fed. Proc. 1969. Vol. 28. P. 992-995.
  56. Kudina L. R, Alexeeva N. I. Repetitive doublets of human motoneurones: analysis of interspike intervals and recruitment pattern H Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol. 1992. Vol. 85. P. 243-247.
  57. Kudina L. R, Churikova L. I. Testing excitability of human motoneurones capable of firing double discharges // Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol. 1990. Vol. 75. P. 334-341.
  58. Kuno S., Mizuta E., Yamasaki S. Neuroleptic malignant syndrome in parkinsonian patients: risk factors H Eur. Neurol. 1997. Vol. 38. P. 56-59.
  59. Latash M. L. Neurophysiological basis of movement. Leeds (UK). Human Kinetics. 1998.
  60. Latash M., Aruin A. S., Neyman I. et al. Feed-forward postural adjustments in simple two-joint synergy in patients with Parkinson’s disease //Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol. 1995. Vol. 97. P. 77-89.
  61. Lou J. S., Kearns G., Benice T. et al. Levodopa improves physical fatigue in Parkinson’s disease: a double-blind, placebo-controlled, crossover study H Mov. Disord. 2003. Vol. 18. P. 1108-1114.
  62. Lou J. S., Kearns G., Oken B. et al. Exacerbated physical fatigue and mental fatigue in Parkinson’s disease // Mov. Disord. 2001. Vol. 16. P. 190-196.
  63. Mandir A. S., Vaughan C. Pathophysiology of Parkinson’s disease // Internal. Rev. Psychiatry. 2000. Vol. 12. P. 270-280.
  64. Marsden C. D. The mechanisms of physiological tremor and their significance for pathological tremor // Progress in Clinical Neurophysiology. 1978. Vol. 5. P. 1-16.
  65. Meigal A. lu. Gross and fine neuromuscular performance at cold shivering II Int. J. Circumpolar Health. 2002. Vol. 61. P. 163-172.
  66. Meigal A. Iu., Lupandin lu. V «Thermoregulation-dependent component» in pathophysiology of motor disorders in Parkinson’s disease? H Pathophysiology. 2005. Vol. 11. P. 187-196.
  67. Meigal A. Iu., Lupandin lu. V., Hanninen O. Influence of cold and hot conditions on postactivation in human skeletal muscles II Pfltig. Arch. Eur. J. Physiol. 1996. Vol. 432. P. 121-125.
  68. Meigal A. Iu., Lupandin Iu. V, Hanninen O. Head and body position affect thermoregulatory tonus in deltoid muscles // J. Appl. Physiol. 1996. Vol. 80. P. 1397-1400.
  69. Meigal A. lu., OksaJ., Hohtola E. etal. Influence of cold shivering on fine motor control in the upper limb H Acta Physiol. Scand. 1998. Vol. 163. P. 41-47.
  70. Meigal A. Iu., Oksa J., Gerasimova L. I. et al. Muscle fatigue and recovery in cold environment / J. Werner, M. Hexamer (eds.). Proc, of the IX ICEE. Aahen, Shaker Verlag, 2000.
  71. Meigal A. Iu., Oksa J., Gerasimova L. I. et al. Force control of isometric elbow flexion with visual feedback in cold with and without shivering H Aviat. Space Environ. Med. 2003. Vol. 74. P. 816-821.
  72. Morimoto A., Murakami N. 14 Iе' deoxyglucose incorporation into rat brain regions during hypothalamic or peripheral thermal stimulation // Am. J. Physiol. 1985. Vol. 248. P. R84-92.
  73. OksaJ. Cooling and neuromuscular performance in man / University of Jyvaskyla. Jyvaskyla, 1998.
  74. Oksa J. Neuromuscular performance limitations in cold H Int. J. Circumpolar Health. 2002. Vol. 61. P. 154-162.
  75. Oksa J., Ducharme M. B., Rintamdki H. Combined effect of repetitive work and cold on muscle function and fatigue // J. Appl. Physiol. 2002. Vol. 92. P. 354-361.
  76. Oksa J., Rintamdki H., Rissanen S. Muscle performance and electromyogram activity of the lower leg muscles with different levels of cold exposure // Eur. J. Appl. Physiol. 1997. Vol. 75. P. 484-490.
  77. Oksa J., Rintamdki H., Mdkinen T. et al. Cooling-induced changes in muscular performance and EMG activity of agonist and antagonist muscles // Aviat. Space Environ. Med. 199$. Vol. 66. P. 26-31.
  78. Pastor M. A., Jahanshahi M., Atrieda J., Obeso J. A. Performance of repetitive wrist movements in Parkinson’s disease // Brain. 1992. Vol. 115. P. 875-891.
  79. PetaJian J. H., Jarcho L. W. Motor unit control in Parkinson’s disease and the influence of levodopa //Neurology. 1975. Vol. 25. P. 866-869.
  80. PetaJian J. H., Williams D. D. Behaviour of single motor units during preshivering tone and shivering tremor // Am. J. Physiol. Med. 1972. Vol. 51. P. 16-23.
  81. Pozos R. S., laizzo P. A. Shivering and pathological and physiological clonic oscillations of the human ankle II J. Appl. Physiol. 1991. Vol. 71. P. 1929-1932.
  82. Rossi B., Siciliano G., Carboncini M. C. et al. Muscle modifications in Parkinson’s disease: myoelectric manifestations H Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol. 1996. Vol. 101. P. 211-218.
  83. Sato H. Fusimotor modulation by spinal and skin temperature changes and its significance in cold shivering// Exp. Neurol. 1981. Vol. 74. P. 21-32.
  84. Schwartz P. J., Erk S. D. Regulation of central dopamine-2 receptor sensitivity by a proportional control thermostat in humans // Psychiatry Res. 2004. Vol. 127. P. 19-26.
  85. Schafer S, Schafer S. The role of the primary afferents in the generation of a cold shivering tremor // Exp. Brain Res. 1973. Vol. 17. P. 381-393.
  86. Seider-Dobrin R. D., Stelmach G. E. Coactivation to reduce variability in elderly // Motor Control. 1998. Vol. 2. P. 314-330.
  87. Sherrington C. The integrative action of the nerv¬ous system. Cambridge: University Press, 1947.
  88. Solomon N. P, Robin D. A., Luschei E. S. Strength, endurance, and stability of the tongue and hand in Parkinson’s disease H J. Speech, Language, and Hearing Res. 2000. Vol. 43. P. 256-267.
  89. Stelmach G. E., Worringham C. J. The preparation and production of isometric force in Parkinson’s disease // Neuropsychologia. 1988. Vol. 26. P. 93-103.
  90. Stuart D., Ott K., Ishikava K. et al. The rhythm of shivering // Am. J. Phys. Med. 1966. Vol. 45. P. 61-104.
  91. Tikuisis P, Bell D. G., Jacobs I. Shivering onset, metabolic response, and convective heat transfer during cold air exposure // J. Appl. Physiol. 1991. Vol. 70. P. 1996-2002.
  92. Toru M., Matsuda O., Makiguchi K. et al. Neuroleptic malignant syndrome-like state following a withdrawal of antiparkinsonian drugs // J. Nerv. Ment. Dis. 1981. Vol. 169. P. 324-327.
  93. Vaillancourt D. E., SHJkin A. B., Newell К. M. Intermittency in the visual control of force in Parkinson’s disease // Exp. Brain Res. 2001. Vol. 138. P. 118-127.
  94. Custem M. van, Duchateau J., Hainaut K. Changes in single motor unit behaviour contribute to the increase in contraction speed after dynamic training in humans // J. Physiol. 1998. Vol. 513. P. 295-305.
  95. Wappler F., Fiege M., Schulte am Esch J. Pathophysiological role of serotonin system in malignant hyperthermia H Br. J. Anaesth. 2001. Vol. 87. P. 794-798.
  96. Westerblad H., Allen D. G., Bruton J. D. et al. Mechanisms underlying the reduction of isometric force in skeletal muscle fatigue H Acta Physiol. Scand. 1998. Vol. 162. P. 253-260.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2006 Eco-Vector


СМИ зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор).
Регистрационный номер и дата принятия решения о регистрации СМИ: серия ПИ № ФС 77 - 74760 от 29.12.2018 г.