Neuroscience for Communicative Disorders

Contents
Foreword iv
Preface v
Acknowledgments vi
1 Orientation to Essential Neurological
Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Neuroscience and Speech-Language-Hearing
Pathology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Orientation to Neuroscience . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Orientation to Principles of Brain Functioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Orientation to Neurological Terminology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
Orientation to Neurological Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
Orientation to Techniques for Learning
Neuroscience . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Orientation to Critical Thinking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Clinical Correlates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2 Gross Anatomy of the Central
Nervous System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
Central and Peripheral Nervous Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
Divisions of the Embryonic Brain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Anatomy of the Brain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Diencephalon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
Brainstem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
Cerebellum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
Spinal Cord . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
Ventricles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Cortical White Matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
Meninges of the Brain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
Meninges of the Spinal Cord . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
Peripheral Nervous System Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
Autonomic Nervous System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
Clinical Correlates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3 Internal Anatomy of the Central
Nervous System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
Anatomical Landmarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
Spinal Cord in Cross Sections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
Brainstem in Transverse Sections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
Orientation to the Forebrain Anatomy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
Forebrain in Horizontal Sections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4 Development of the Nervous System . . . . . 122
Human Chromosomes, Genes, and Cell Division . . . . . . . . . . . . . . . . 122
Early Human Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
The Central Nervous System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
The Peripheral Nervous System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
Genetic Inheritance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
Clinical Correlates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
5 Nerve Cell Physiology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
Neuron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
Central and Peripheral Nervous Systems’
Differences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
Nerve Impulse (Action Potential) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
Neuronal Responses to Brain Injuries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
Synapse Development and Neuroplasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
Neurotransmitters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
Drug-Related Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
Clinical Correlates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
6 D ienc ephalon: T halamus and
Associated Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
Anatomy of the Diencephalon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
Thalamus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
Epithalamus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
Subthalamus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
Hypothalamus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
Cognitive Functions of the Thalamus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
Clinical Correlates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
7 Cerebrovascular System . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
Brain’s Dependence on Oxygen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
Vascular Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
Ischemia Risk Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
Venous Sinus System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
Regulation of Cerebral Blood Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
Clinical Correlates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
8 Ventricles and Cerebrospinal Fluid . . . . . . . 200
Choroid Plexus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
Cerebrospinal Fluid Circulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200viii CONTENTS
Absorption of the Cerebrospinal Fluid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
Clinical Correlates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
9 Auditory System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
Anatomy and Physiology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
Central Auditory Pathways . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
Auditory Reflexes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
Vascular Supply to the Auditory Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
Distinctive Properties of the Auditory System . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
Clinical Correlates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
10 Vestibular System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
Vestibular System Anatomy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
Controlling Eye Movements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
Physiology of Equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
Clinical Correlates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
11 Somatosensory System . . . . . . . . . . . . . . . . 237
Somatosensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
Sensory Pathways for the Head and Face . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
Unconscious Proprioception . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
Clinical Correlates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
12 Visual System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
Three Clinical Terms of Interest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
Eyeball Anatomy and Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
Vascular Supply of the Retina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
Central Visual Pathways . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
Visual Reflexes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
Clinical Correlates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
13 Motor System 1: Spinal Cord . . . . . . . . . . . 272
Hierarchy of Motor Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
Spinal Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
Innervation Pattern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
Anatomical Markings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
Tracts of the Spinal Cord . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
Motor Nuclei of the Spinal Cord . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
Motor Functions of the Spinal Cord . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
Spinal Reflexes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
Neurotransmitters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
14 Motor System 2: Cerebellum . . . . . . . . . . . 291
Cerebellar Role in Movement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
Cerebellar Anatomy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
Innervation Pattern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
Cerebellar Cortex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
Motor Learning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
Nonmotor Cerebellar Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
Clinical Correlates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
Assessment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
15 Motor System 3: Basal Ganglia . . . . . . . . . 304
Basal Ganglia Motor Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
Basal Ganglia Anatomy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
Clinical Correlates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
16 Motor System 4: Motor Cortex . . . . . . . . . . 322
Anatomy of the Motor Cortex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
Cortical Functional Organization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
Terms of Clinical Importance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
Pathways . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
Clinical Correlates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
17 Synopsis of Cranial Nerves . . . . . . . . . . . . . 335
Evolutionary Base of Cranial Nerves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
Functional Classification of Cranial Nerves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
Pharyngeal Origin of Speech Muscles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
Autonomic Functions of Cranial Nerves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
Cranial Nerve Nuclei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
Sensorimotor Pathways for Cranial Nerves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
Bilateral-Unilateral Control of Cranial Nerves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
Functions of Cranial Nerves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
Functional Combinations of Cranial Nerves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371
Clinical Correlates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
18 Axial-Limbic Brain: Autonomic
Nervous System, Limbic System,
Hypothalamus, and Reticular
Formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
Autonomic Nervous System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
Limbic System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390CONTENTS ix
Reticular Formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
Clinical Correlates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403
Summary of the Axial Brain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404
Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404
19 Cerebral Cortex: Higher Mental
Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406
Methods of Study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406
Functional Localization in the Brain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406
Disorders of Cortical Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409
Clinical Correlates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425
Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425
20 I maging , E lec tr oph y siolo gic al T esting ,
and Their Therapeutic Applications . . . . . 427
Brain Imaging Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427
Wada Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441
Electrophysiological Techniques Electroencephalography . . . . . . 443
Electromyography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446
Event-Related Potentials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446
Dichotic Listening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447
Neurosurgical Procedures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449
Specific Neurologic Disorders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462
Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462
Discussion of Review Questions 464
Discussion of Case Studies 487
Glossary 507
Figure and T able Credits 527
Suggested Readings and Chapter References 529
Index 535