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Che Ngwa, Emmanuel (2016): Identification of motoneurons innervating individual extraocular muscles within the oculomotor nucleus in human. Dissertation, LMU München: Medizinische Fakultät
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Abstract

The oculomotor nucleus (nIII) and trochlear nucleus (nIV) of the midbrain contain motoneurons that innervate extraocular eye muscles. The aim of this study is to identify the motoneuronal subgroups of the human nIII and nIV, which innervate individual extraocular muscles using several histochemical stains, and comparing the results with those obtained in monkey. The nIV innervates only the superior oblique (SO) muscle, whereas nIII contains extraocular motoneurons, which innervate the medial rectus (MR), inferior rectus (IR), superior rectus (SR) and inferior oblique (IO) muscles. The organization of the motoneuron subgroups in human is not clear, and is the main subject of this investigation. In monkey the localization of the motoneuron subgroups for individual muscles is well known as a result of tract tracing studies, and analyses of their differential transmitter inputs. The results in monkey provided a useful basis for this study on human nIII. Human brainstems were fixed in 4% paraformaldehyde, series of frozen and paraffin sections of 40μm, 10μm and 5μm respectively were stained with choline acetyltransferase (ChAT) antibody to identify cholinergic motoneurons of extraocular muscles. The ChAT sections were then immunostained for the inhibitory transmitter GABA with antibodies against glutamate decarboxylase (GAD) or for the calcium-binding protein calretinin (CR). The cytoarchitecture of nIII was visualized with cresyl violet, gallyas stain or antibodies against non-phosphorylated neurofilaments (NP-NF). Six subgroups were delineated in nIII: a dorsolateral (DL), dorsomedial (DM), central (CEN), ventral (VEN), lateral group (LAT) and the nucleus of Perlia (NP), in addition to the central caudal nucleus (CCN) and the urocortin-positive centrally projecting neurons of the Edinger- Westphal nucleus (EWcp). The DL, VEN, LAT, EWcp and NP groups receive a strong supply of GAD-positive terminals as the SO motoneurons in nIV. Strong CR- immunoreactivity was found in the CEN group, NP and CCN, but not in nIV. Based on the staining properties of the subgroups and a comparison to the existing studies on monkey nIII, the CCN was considered to innervate the levator palpebrae; the CEN group was identified as the upgaze motoneuron subgroup for SR and IO, and DL, VEN and LAT showed characteristics of MR motoneurons. For the first time two separate subgroups of motoneurons (DL and VEN) subserving motor pathways for MR were identified in the human nIII, whereby the DL subgroup corresponds to the B-group and the VEN subgroup to the A-group in the monkey nIII. The DM group was considered to innervate IR muscle. The strong CR input to NP revealed characteristics of upgaze motoneurons in nIII. A good correlation was found between monkey and human in CR stains. But surprisingly, there were striking differences between monkey and human nIII with GAD stains. The results indicate that human MR motoneurons may contribute to a specialized function, e.g. during vergence, by its strong GABAergic input.

Abstract

Der Nucleus oculomotorius nIII und Nucleus trochlearis (nIV) im Mittelhirn enthalten die Motoneurone der extraoculären Augenmuskeln. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Identifizierung der verschiedenen Motoneuronengruppen im humanen nIII und nIV, welche individuelle Augenmuskeln innervieren. Dies erfolgte anhand verschiedener histochemischer Färbungen, die im Vergleich zu Daten an Affen erhoben wurden. Der nIV innerviert nur den Musculus obliquus superior (SO), während nIII die Motoneurone von Musculus rectus medialis (MR), inferior (IR), superior (SR) und Musculus obliquus inferior (IO) enthält. Die Organisation der Motoneuronengruppen im Menschen ist noch nicht eindeutig geklärt und ist Hauptthema der vorliegenden Studie. Im Affen ist die Lokalisation der einzelnen Motoneuronengruppen individueller Augenmuskeln aufgrund von Trakt-Tracer-Studien etabliert, ebenso wie die Transmittereingänge zu den einzelnen Gruppen, die als Basis für die vorliegende Arbeit am menschlichen nIII dienten. Humane Hirnstämme wurden in 4% Paraformaldehyd fixiert, und Serien von Gefrier- und Paraffinschnitten (40μm, 10μm und 5μm) wurden mit Antikörpern gegen Cholinacetyltransferase (ChAT) gefärbt, um die cholinergen Motoneurone der äußeren Augenmuskeln zu identifizieren. Die auf ChAT angefärbten Schnitte wurden dann mit einer weiteren Immun-Peroxidase-Färbung auf den inhibitorischen Transmitter GABA mit Antikörpern gegen Glutatmatdecarboxylase (GAD) oder das Calcium-bindende Protein Calretinin (CR) angefärbt. Die Zytoarchitektur des nIII wurde mit einer Kresyl-Violett- Färbung, Gallyas-Färbung oder Immunfärbung auf nicht-phosphorylierte Neurofilamente (NF-NP) dargestellt. Sechs Untergruppen konnten im nIII des Menschen voneinander abgegrenzt warden: eine dorsolaterale (DL), dorsomediale (DM), zentrale (CEN), ventrale (VEN), laterale Gruppe (LAT) neben dem Nucleus Perlia (NP) und dem Nucleus centralis caudalis (CCN) und der urocortin-positiven central projizierenden Neurone des Edinger-Westphal Kerns (EWcp). Die Gruppen DL, VEN, LAT, EWcp and NP erhalten einen starken Eingang von GAD-positiven Endigungen, ebenso die Motoneurone des SO im nIV. Eine starke Immunreaktivität für CR wurde innerhalb des nIII nur in der CEN-Gruppe gefunden, sowie dem NP und CCN, nicht aber im nIV. Basierend auf den histochemischen Eigenschaften der einzelnen Motoneuron-Subgruppen im Affen wurde beim Menschen der CCN bestätigt als der Kern, der die Motoneurone des Musculus levator palpebrae enthält; die CEN-Gruppe wurde anhand der selektiven CR- Eingänge als Sitz der Motoneurone von SR und IO identifiziert, die Blickbewegungen nach oben bewirken. Die Gruppen DL, VEN und LAT zeigten die Eigenschaften von MR- Motoneuronen, die DM-Gruppe die von IR-Motoneuronen. Hierbei konnte zum ersten mal gezeigt werden, dass auch beim Menschen der MR in zwei Gruppen innerhalb des nIII repräsentiert ist, wobei DL der B-Gruppe, und VEN der A-Gruppe beim Affen entspricht. Ein weiterer neuer Befund zeigte sich für den NP, der einen starken CR-Eingang erhält und damit eher Eigenschaften von Motoneuronen für Aufwärtsblick (wie SR und IO) aufweist. Insgesamt fand sich eine gute Übereinstimmung in den histochemischen Eigenschaften der Motoneuroneingänge bezüglich CR zwischen Mensch und Affe. Aber überraschenderweise war beim Menschen ein viel stärkerer GAD-Eingang auf die Motoneurone für horizontale Augenbewegungen (MR) als beim Affen präsent. Diese Daten weisen auf eine spezialisierte Rolle der MR-Motoneurone im Menschen, z.B. bei Vergenz, hin.