Brainstem Circuits Controlling Action Diversification

---

NE42CH23_Arber

ARjats.cls

May 29, 2019

7:37

Annual Review of Neuroscience

Brainstem Circuits Controlling

Action Diversification

Ludwig Ruder

1,2

and Silvia Arber

1,2

1

Biozentrum, Department of Cell Biology, University of Basel, 4056 Basel, Switzerland;

email: [e-mail]

2

Friedrich Miescher Institute for Biomedical Research, 4058 Basel, Switzerland

Annu. Rev. Neurosci. 2019. 42:485–504

The Annual Review of Neuroscience is online at

neuro.annualreviews.org

https://doi.org/10.1146/annurev-neuro-070918-

050201

Copyright © 2019 by Annual Reviews.

All rights reserved

Keywords

brainstem, motor control, neuronal cell types, skilled forelimb movement,

orofacial behavior, locomotion

Abstract

Neuronal circuits that regulate movement are distributed throughout the

nervous system. The brainstem is an important interface between upper

motor centers involved in action planning and circuits in the spinal cord ul-

timately leading to execution of body movements. Here we focus on recent

work using genetic and viral entry points to reveal the identity of function-

ally dedicated and frequently spatially intermingled brainstem populations

essential for action diversification, a general principle conserved throughout

evolution. Brainstem circuits with distinct organization and function con-

trol skilled forelimb behavior, orofacial movements, and locomotion. They

convey regulatory parameters to motor output structures and collaborate

in the construction of complex natural motor behaviors. Functionally tuned

brainstem neurons for different actions serve as important integrators of

synaptic inputs from upstream centers, including the basal ganglia and

cortex, to regulate and modulate behavioral function in different contexts.

485

Annu. Rev. Neurosci. 2019.42:485-504. Downloaded from www.annualreviews.org

 Access provided by Koc University on 06/13/21. For personal use only. 

---

NE42CH23_Arber

ARjats.cls

May 29, 2019

7:37

Contents

INTRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 486

BRAINSTEM AND SPINAL CIRCUITS FOR THE CONTROL

OF SKILLED FORELIMB BEHAVIORS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 488

COORDINATION OF OROFACIAL AND RESPIRATORY MOVEMENTS BY

BRAINSTEM CIRCUITS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491

BRAINSTEM CIRCUITS CONTROLLING FULL-BODY MOVEMENT . . . . . . . 494

MODULATORY AND INSTRUCTIVE INPUTS

TO BRAINSTEM CIRCUITS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 496

OUTLOOK AND EVOLUTIONARY CONSERVATION OF BRAINSTEM

ORGANIZATIONAL LOGIC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 498

INTRODUCTION

The brainstem is a key structure rostral to the spinal cord and is involved in the regulation of

many forms of movement and other physiological functions. Brainstem neurons were inherently

difficult to study in the past due to their functional diversity, neuronal intermingling, and complex

integration into local, ascending, and descending circuits ( Jones 1995; Kuypers 1981; Newman

1985a,b; Orlovsky et al. 1999; Valverde 1961). Consequently, brainstem neurons have often simply

been referred to as relay neurons linking upstream and downstream neurons without clear func-

tional assignments. Nevertheless, a series of lesion experiments in different species demonstrated

the necessity of the brainstem in controlling movement. In frogs, transection of the neuraxis at

progressively more caudal levels allowed researchers to determine the remaining motor abilities

after lesion (Roh et al. 2011). Frogs with an intact brainstem but without forebrain performed

most behaviors displayed by intact frogs, including jumping, stepping, and swimming. Frogs with

transections at the rostral medulla showed partially remaining abilities, whereas all but reflexive

behaviors were lost upon transection at the brainstem–spinal cord junction (Roh et al. 2011). Anal-

ogous experiments are more challenging in mammals for various reasons, including ethical ones.

However, decorticated cats still perform many movements (Bjursten et al. 1976), and cats still lo-

comote after premammillary lesions are introduced rostrally to the superior colliculus (Hinsey

et al. 1930, Whelan 1996). These combined studies demonstrate that the brainstem harbors es-

sential neuronal substrates to generate diverse forms of movement and is therefore clearly more

than a relay station.

One important question is precisely how the brainstem contributes to movement generation

and coordination. The generation of natural behaviors requires selection from competing behav-

iors and the combination of movements that occur either jointly or in succession, each ultimately

implemented by motor neurons located in the brainstem and/or the spinal cord regulating periph-

eral muscle contractions (Figure 1). During environmental exploration, for example, locomotion

and orofacial behaviors are frequently combined, and when animals arrive at a food source, they

transport food to their mouth with their forelimbs and begin chewing. The recent implementation

of genetic and viral tools, combined with cell type–specific perturbation experiments and refined

behavioral analysis, has facilitated the identification of neuronal cell types stratified by different

functions.

Here we review work on three large behavioral categories with important brainstem contri-

butions for which there has been significant recent progress in understanding the function and

486

Ruder

•

Arber

Annu. Rev. Neurosci. 2019.42:485-504. Downloaded from www.annualreviews.org

 Access provided by Koc University on 06/13/21. For personal use only. 

---

NE42CH23_Arber

ARjats.cls

May 29, 2019

7:37