Моторная кора — это область коры головного мозга, которая участвует в планировании, контроле и выполнении произвольных движений. Моторная кора — это область лобной доли, расположенная в задней прецентральной извилине непосредственно перед центральной бороздой.
Моторную кору можно разделить на три области:
1. Первичная моторная кора является основным участником генерации нервных импульсов, которые передаются в спинной мозг и контролируют выполнение движения. Однако некоторые другие моторные области мозга также играют роль в этой функции. Она расположена на передней парацентральной дольке на медиальной поверхности.
2. Премоторная кора отвечает за некоторые аспекты двигательного контроля, возможно, включая подготовку к движению, сенсорное руководство движением, пространственное руководство дотягиванием или прямой контроль некоторых движений с акцентом на контроль проксимальных и туловищных мышц тела. Расположена спереди от первичной двигательной коры.
3. Дополнительная моторная область (или SMA) имеет много предполагаемых функций, включая внутренне генерируемое планирование движения, планирование последовательности движения и координацию двух сторон тела, например, при бимануальной координации. Расположена на срединной поверхности полушария спереди от первичной моторной коры.
Другие области мозга за пределами коры головного мозга также имеют большое значение для двигательной функции, в частности мозжечок , базальные ганглии , педункулопонтийное ядро и красное ядро , а также другие подкорковые двигательные ядра .
В самых ранних работах по моторной коре исследователи признавали только одно поле коры, участвующее в контроле движений. Альфред Уолтер Кэмпбелл [1] был первым, кто предположил, что может быть два поля: «первичная» моторная кора и «промежуточная прецентральная» моторная кора. Его доводы в значительной степени основывались на цитоархитектонике или изучении внешнего вида коры под микроскопом. Первичная моторная кора содержит клетки с гигантскими клеточными телами, известные как « клетки Беца ». Эти клетки ошибочно считались основными выходами из коры, посылающими волокна в спинной мозг. [1] С тех пор было обнаружено, что клетки Беца составляют около 2-3% проекций из коры в спинной мозг или около 10% проекций из первичной моторной коры в спинной мозг. [2] [3] Конкретная функция клеток Беца , которая отличает их от других выходных клеток моторной коры, остается неизвестной, но они продолжают использоваться в качестве маркера первичной моторной коры.
Другие исследователи, такие как Оскар Фогт , Сесиль Фогт-Мюнье [4] и Отфрид Фёрстер [5], также предположили, что моторная кора делится на первичную моторную кору (область 4, согласно схеме наименования Бродмана [6] ) и моторную кору более высокого порядка (область 6 согласно Корбиниану Бродману ).
Уайлдер Пенфилд [7] [8] в частности не согласился и предположил, что не существует функционального различия между областью 4 и областью 6. По его мнению, обе были частью одной и той же карты, хотя область 6 имела тенденцию подчеркивать мышцы спины и шеи. Вулси [9], который изучал двигательную карту у обезьян, также считал, что не существует различия между первичной двигательной и премоторной. M1 было названием для предложенной единой карты, которая охватывала как первичную двигательную кору, так и премоторную кору. [9] Хотя иногда «M1» и «первичная двигательная кора» используются взаимозаменяемо, строго говоря, они происходят из разных концепций организации двигательной коры. [ необходима цитата ]
Несмотря на взгляды Пенфилда и Вулси, возник консенсус, что область 4 и область 6 имеют достаточно разные функции, чтобы их можно было считать разными корковыми полями. Фултон [10] помог закрепить это различие между первичной моторной корой в области 4 и премоторной корой в области 6. Как указал Фултон, и как подтвердили все последующие исследования, как первичная моторная, так и премоторная кора проецируются непосредственно в спинной мозг и способны к некоторому прямому контролю движения. Фултон показал, что когда первичная моторная кора повреждена у экспериментального животного, движение вскоре восстанавливается; когда повреждена премоторная кора, движение вскоре восстанавливается; когда повреждены обе, движение теряется, и животное не может восстановиться.
Премоторная кора в настоящее время обычно делится на четыре секции. [11] [12] [13] Сначала она делится на верхнюю (или дорсальную) премоторную кору и нижнюю (или вентральную) премоторную кору. Каждая из них далее делится на область, расположенную ближе к передней части мозга (ростральная премоторная кора), и область, расположенную ближе к задней части (каудальная премоторная кора). Обычно используется ряд сокращений: PMDr (премоторная дорсальная, ростральная), PMDc, PMVr, PMVc. Некоторые исследователи используют другую терминологию. Поле 7 или F7 обозначает PMDr; F2 = PMDc; F5=PMVr; F4=PMVc.
PMDc часто изучается с точки зрения его роли в руководстве достижением. [14] [15] [16] Нейроны в PMDc активны во время достижения. Когда обезьян обучают дотягиваться из центрального местоположения до набора целевых местоположений, нейроны в PMDc активны во время подготовки к достижению, а также во время самого достижения. Они широко настроены, лучше всего реагируя на одно направление достижения и хуже на другие направления. Сообщалось, что электрическая стимуляция PMDc в поведенческой временной шкале вызывает сложное движение плеча, руки и кисти, которое напоминает достижение с открытой рукой в подготовке к схватыванию. [11]
PMDr может участвовать в обучении связыванию произвольных сенсорных стимулов с определенными движениями или обучении произвольным правилам реагирования. [17] [18] [19] В этом смысле он может напоминать префронтальную кору больше, чем другие моторные поля коры. Он также может иметь некоторое отношение к движению глаз. Электрическая стимуляция в PMDr может вызывать движения глаз [20] , а нейронная активность в PMDr может модулироваться движением глаз. [21]
PMVc или F4 часто изучается с точки зрения его роли в сенсорном руководстве движением. Нейроны здесь реагируют на тактильные стимулы, визуальные стимулы и слуховые стимулы. [22] [23] [24] [25] Эти нейроны особенно чувствительны к объектам в пространстве, непосредственно окружающем тело, в так называемом периперсональном пространстве. Электрическая стимуляция этих нейронов вызывает кажущееся защитное движение, как будто защищая поверхность тела. [26] [27] Эта премоторная область может быть частью более крупной цепи для поддержания запаса безопасности вокруг тела и руководства движением относительно близлежащих объектов. [28]
PMVr или F5 часто изучают с точки зрения его роли в формировании руки во время хватания и во взаимодействии между рукой и ртом. [29] [30] Электрическая стимуляция по крайней мере некоторых частей F5, когда стимуляция применяется в поведенческой временной шкале, вызывает сложное движение, при котором рука движется ко рту, сжимается в захвате, ориентируется таким образом, что захват обращен ко рту, шея поворачивается, чтобы выровнять рот с рукой, и рот открывается. [11] [26]
Зеркальные нейроны были впервые обнаружены в области F5 в мозге обезьяны Риццолатти и его коллегами. [31] [32] Эти нейроны активны, когда обезьяна хватает объект. Однако те же самые нейроны становятся активными, когда обезьяна наблюдает, как экспериментатор хватает объект таким же образом. Таким образом, нейроны являются как сенсорными, так и моторными. Зеркальные нейроны, как предполагается, являются основой для понимания действий других путем внутренней имитации действий с использованием собственных цепей управления моторикой.
Пенфилд [33] описал кортикальную двигательную область, дополнительную двигательную область (SMA), в верхней или дорсальной части коры. Каждый нейрон в SMA может влиять на многие мышцы, многие части тела и обе стороны тела. [34] [35] [36] Таким образом, карта тела в SMA в значительной степени перекрывается. SMA проецируется непосредственно на спинной мозг и может играть некоторую прямую роль в контроле движения. [37]
Основываясь на ранних работах с использованием методов визуализации мозга в человеческом мозге, Роланд [38] предположил, что SMA была особенно активна во время внутренне сгенерированного плана по выполнению последовательности движений. В мозге обезьяны нейроны в SMA активны в связи с определенными выученными последовательностями движений. [39]
Другие предполагают, что, поскольку верхняя мозговая оболочка, по-видимому, контролирует движение с двух сторон, она может играть роль в межмануальной координации. [40]
Другие же предположили, что из-за прямой проекции SMA на спинной мозг и из-за ее активности во время простых движений она может играть прямую роль в контроле движений, а не только высокоуровневую роль в планировании последовательностей. [37] [41]
На основе движений, вызванных во время электрической стимуляции, было высказано предположение, что SMA могла развиться у приматов как специалист в части двигательного репертуара, включающей лазание и другие сложные локомоции. [11] [42]
На основе картины проекций в спинной мозг было высказано предположение, что другой набор двигательных областей может лежать рядом с дополнительной двигательной областью, на медиальной (или срединной) стенке полушария. [37] Эти медиальные области называются поясными двигательными областями. Их функции пока не изучены.
В 1870 году Эдуард Хитциг и Густав Фрич продемонстрировали, что электрическая стимуляция определенных частей мозга собаки приводит к сокращению мышц на противоположной стороне тела. [43] Это экспериментально подтвердило существование коркового двигательного центра, которое было выведено Джексоном несколькими годами ранее на основе клинических наблюдений. [44] Вместе с открытием Брока (1861) [45] языкового центра в левом полушарии коры головного мозга, демонстрация коркового двигательного центра положила конец доктрине Флуранса [46] (1842) о том, что функция широко распределена по коре головного мозга (т. е. не локализована). [47]
Чуть позже, в 1874 году, Дэвид Ферье [48], работавший в лаборатории психиатрической больницы West Riding в Уэйкфилде (по приглашению ее директора Джеймса Крайтона-Брауна ), картировал моторную кору в мозге обезьяны с помощью электрической стимуляции. Он обнаружил, что моторная кора содержит грубую карту тела со ступнями в верхней (или дорсальной) части мозга и лицом в нижней (или вентральной) части мозга. Он также обнаружил, что когда электрическая стимуляция поддерживалась в течение более длительного времени, например, в течение секунды, вместо того, чтобы разряжаться в течение доли секунды, то могли быть вызваны некоторые скоординированные, на первый взгляд значимые движения, а не только мышечные подергивания.
После открытия Ферье многие нейробиологи использовали электрическую стимуляцию для изучения карты двигательной коры у многих животных, включая обезьян, человекообразных обезьян и людей. [1] [4] [5] [49] [50]
Одна из первых подробных карт двигательной коры человека была описана в 1905 году Кэмпбеллом. [1] Он проводил аутопсии мозга ампутантов. Человек, потерявший руку, со временем, по-видимому, терял часть нейронной массы в той части двигательной коры, которая обычно контролирует руку. Аналогично, человек, потерявший ногу, демонстрировал дегенерацию в части двигательной коры ноги. Таким образом, можно было составить двигательную карту. В период между 1919 и 1936 годами другие детально картировали двигательную кору с помощью электрической стимуляции, включая супружескую пару Фогт и Фогт , [4] и нейрохирурга Фёрстера . [5]
Возможно, самые известные эксперименты по карте двигательной активности человека были опубликованы Пенфилдом в 1937 году. [7] [8] Используя процедуру, распространенную в 1930-х годах, он обследовал пациентов с эпилепсией, которым делали операцию на мозге. Этим пациентам давали местную анестезию, вскрывали черепа и обнажали мозг. Затем к поверхности мозга применяли электрическую стимуляцию, чтобы составить карту речевых зон. Таким образом, хирург мог избежать любого повреждения речевых цепей. Затем мозговой фокус эпилепсии можно было удалить хирургическим путем. Во время этой процедуры Пенфилд составил карту эффекта электрической стимуляции во всех частях коры головного мозга, включая двигательную кору.
Пенфилда иногда ошибочно считают первооткрывателем карты моторной коры. Она была открыта примерно за 70 лет до его работы. Однако Пенфилд нарисовал изображение человекоподобной фигуры, растянутой по поверхности коры, и использовал термин «гомункулус» (уменьшительное от «homo», латинского «человек») для обозначения ее. Возможно, именно по этой причине его работа стала столь популярной в нейронауке. Пенфилд знал, что идея гомункула была карикатурой. Он утверждал: « Это карикатура на изображение, в которой научная точность невозможна ». [51] Почти пятьдесят лет назад [52] Шеррингтон (1906) высказал эту мысль более убедительно, заявив: « Студент, просматривающий политическую карту континента, может вряд ли осознать сложность населения и государств, представленных столь просто. Мы, просматривая схему мозга в учебнике, никогда не забудем невыразимую сложность реакций, грубо символизированных и пространственно обозначенных таким образом ». Хотя изображения упорядоченного расположения сегментов конечностей на поверхности коры (например, показанное выше) сохранились в учебниках, они ошибочны и вводят в заблуждение. [53]
Простая точка зрения, которая почти наверняка слишком ограничена и которая восходит к самым ранним работам по моторной коре, заключается в том, что нейроны в моторной коре контролируют движение с помощью прямого пути прямой связи . Согласно этой точке зрения, нейрон в моторной коре посылает аксон или проекцию в спинной мозг и образует синапс на моторном нейроне . Моторный нейрон посылает электрический импульс мышце. Когда нейрон в коре становится активным, он вызывает сокращение мышцы. Чем больше активность в моторной коре, тем сильнее мышечная сила. Каждая точка в моторной коре контролирует мышцу или небольшую группу связанных мышц. Это описание верно лишь отчасти.
Большинство нейронов в двигательной коре, которые проецируются в синапсы спинного мозга, находятся в интернейронных цепях спинного мозга, а не напрямую в двигательных нейронах . [54] Одно из предположений заключается в том, что прямые кортико-мотонейронные проекции являются специализацией, которая позволяет осуществлять тонкий контроль пальцев. [54] [55]
Мнение о том, что каждая точка в моторной коре контролирует мышцу или ограниченный набор связанных мышц, обсуждалось на протяжении всей истории исследований моторной коры и было предложено в своей самой сильной и крайней форме Асанумой [56] на основе экспериментов на кошках и обезьянах с использованием электрической стимуляции. Однако почти каждый другой эксперимент по изучению карты, включая классическую работу Ферье [48] и Пенфилда [7], показал, что каждая точка в моторной коре влияет на ряд мышц и суставов. Карта в значительной степени перекрывается. Перекрытие карты, как правило, больше в премоторной коре и дополнительной моторной коре, но даже карта в первичной моторной коре контролирует мышцы в значительной степени перекрывающимся образом. Многие исследования продемонстрировали перекрывающееся представление мышц в моторной коре. [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] Чтобы прояснить, что на самом деле означает часто используемый термин «перекрывающаяся карта», лучше указать, что мышцы представлены многократно на поверхности коры в несмежных локусах, перемешанных с представительством других мышц, действующих в том же или другом суставе. [64]
Считается, что по мере того, как животное осваивает сложный репертуар движений, двигательная кора постепенно начинает координировать работу мышц. [65] [66]
Самый яркий пример координации мышц в сложное движение в двигательной коре головного мозга получен в работе Грациано и его коллег по мозгу обезьяны. [11] [26] Они использовали электрическую стимуляцию в поведенческой временной шкале, например, в течение половины секунды вместо более типичной сотой доли секунды. Они обнаружили, что этот тип стимуляции двигательной коры обезьяны часто вызывал сложные, осмысленные действия. Например, стимуляция одного участка в коре головного мозга заставляла руку закрываться, двигаться ко рту и открывать рот. Стимуляция другого участка заставляла руку открываться, вращаться до тех пор, пока рукоятка не будет обращена наружу, а рука выдвигалась вперед, как будто животное тянулось. Различные сложные движения вызывались из разных участков, и эти движения были отображены в одинаковом упорядоченном порядке у всех протестированных обезьян. Вычислительные модели [67] показали, что нормальный репертуар движений обезьяны, если его расположить на листе таким образом, чтобы похожие движения располагались рядом друг с другом, приведет к созданию карты, которая соответствует фактической карте, обнаруженной в двигательной коре головного мозга обезьяны. Эта работа предполагает, что моторная кора на самом деле не содержит гомункулусного типа карту тела. Вместо этого более глубокий принцип может заключаться в отображении репертуара движений на поверхности коры. В той степени, в которой репертуар движений частично распадается на действия отдельных частей тела, карта содержит грубое и перекрывающееся расположение тела, отмеченное исследователями за последнее столетие.
Подобная организация типичного двигательного репертуара была зарегистрирована в задней теменной коре обезьян и галаго [68] [69] и в моторной коре крыс [70] [71] и мышей. [72] Тем не менее, прямые проверки идеи о том, что моторная кора содержит двигательный репертуар, не подтвердили эту гипотезу. [73] Изменение начального положения передней конечности не изменяет мышечную синергию, вызванную микростимуляцией двигательной корковой точки. Следовательно, вызванные движения достигают почти той же конечной точки и позы с изменчивостью. Однако траектории движения довольно сильно различаются в зависимости от начального положения конечности и начального положения лапы. Вызванная траектория движения наиболее естественна, когда передняя конечность лежит подвешенной ~ перпендикулярно земле (т. е. в равновесии с силой тяжести). Из других исходных положений движения не кажутся естественными. Траектории лапы искривлены с изменениями и разворотами направления, и пассивное влияние силы тяжести на движения очевидно. Эти наблюдения показывают, что в то время как выход кортикальной точки вызывает, казалось бы, скоординированное движение конечности из положения покоя, он не указывает конкретного направления движения или контролируемой траектории из других исходных положений. Таким образом, в естественных условиях контролируемое движение должно зависеть от скоординированной активации множества кортикальных точек, заканчивающихся в конечном локусе двигательной кортикальной активности, которая удерживает конечность в пространственном положении. [73] Эти результаты не согласуются с идеей представления репертуара движений на поверхности коры.
Млекопитающие произошли от млекопитающих-рептилий более 200 миллионов лет назад. [75] У этих ранних млекопитающих развилось несколько новых функций мозга, скорее всего, из-за новых сенсорных процессов, которые были необходимы для ночной ниши, которую занимали эти млекопитающие. [76] У этих животных, скорее всего, была соматомоторная кора, где соматосенсорная информация и моторная информация обрабатывались в одной и той же области коры. Это позволяло приобретать только простые двигательные навыки, такие как четвероногое передвижение и нападение на хищников или добычу. У плацентарных млекопитающих развилась дискретная моторная кора около 100 миллионов лет назад . [75] Согласно принципу надлежащей массы, «масса нервной ткани, контролирующей определенную функцию, соответствует объему обработки информации, вовлеченной в выполнение функции. [76] «Это говорит о том, что развитие дискретной моторной коры было выгодно для плацентарных млекопитающих, и моторные навыки, которые приобрели эти организмы, были более сложными, чем у их ранних млекопитающих-предков. Кроме того, эта двигательная кора была необходима для древесного образа жизни наших предков-приматов.
Улучшения в двигательной коре (и наличие противопоставленных больших пальцев и стереоскопического зрения) были эволюционно отобраны, чтобы не допустить ошибок приматов в опасном двигательном навыке прыжков между ветвями деревьев (Cartmill, 1974; Silcox, 2007). В результате этого давления двигательная система древесных приматов имеет непропорциональную степень соматотопического представительства рук и ног, что необходимо для хватания (Nambu, 2011; Pons et al., 1985; Gentilucci et al., 1988).
{{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link)Перевод в: фон Бонин, Г., ред. (1960). Некоторые статьи о коре головного мозга . Спрингфилд, Иллинойс: Чарльз Томас. стр. 73–96.{{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link)