Базальные ганглии ( БГ ) или базальные ядра представляют собой группу подкорковых ядер , обнаруженных в мозге позвоночных . У человека и других приматов существуют различия, прежде всего, в разделении бледного шара на наружную и внутреннюю области, а также в разделении полосатого тела . Расположенные у основания переднего мозга и верхней части среднего мозга , они имеют прочные связи с корой головного мозга , таламусом , стволом мозга и другими областями мозга. Базальные ганглии связаны с множеством функций, включая регулирование произвольных двигательных движений , процедурное обучение , формирование привычек , условное обучение , [1] движения глаз , познание , [2] и эмоции . [3]
К основным функциональным компонентам базальных ганглиев относятся полосатое тело , состоящее как из дорсального полосатого тела ( хвостатое ядро и скорлупа ), так и вентрального полосатого тела ( прилежащее ядро и обонятельный бугорок ), бледного шара , вентрального бледного шара , черной субстанции и субталамическое ядро . [4] Каждый из этих компонентов имеет сложную внутреннюю анатомическую и нейрохимическую структуру. Самый крупный компонент, полосатое тело (дорсальное и вентральное), получает входные данные от различных областей мозга, но отправляет выходные данные только на другие компоненты базальных ганглиев. Бледный шар получает сигналы от полосатого тела и посылает тормозящие сигналы в ряд областей, связанных с моторикой. Черная субстанция является источником поступления в полосатое тело нейромедиатора дофамина , который играет важную роль в функции базальных ганглиев. Субталамическое ядро в основном получает сигналы от полосатого тела и коры головного мозга и проецируется на бледный шар.
Считается, что базальные ганглии играют ключевую роль в выборе действия , помогая выбрать поведение для выполнения. Точнее, они регулируют моторные и премоторные области коры, способствуя плавным произвольным движениям.[2] [5] Экспериментальные исследования показывают, что базальные ганглии оказывают тормозящее влияние на ряд двигательных систем , и что снятие этого торможения позволяет двигательной системе стать активной. На «переключение поведения», происходящее в базальных ганглиях, влияют сигналы из многих частей мозга, включая префронтальную кору , которая играет ключевую роль в управляющих функциях . [3] [6] Также было высказано предположение, что базальные ганглии несут ответственность не только за выбор двигательных действий, но и за выбор других когнитивных действий. [7] [8] [9] Это учитывается в вычислительных моделях выбора действий в базальных ганглиях. [10]
Базальные ганглии имеют большое значение для нормальной функции мозга и поведения. Их дисфункция приводит к широкому спектру неврологических состояний , включая нарушения контроля поведения и движений, а также когнитивные нарушения, аналогичные тем, которые возникают в результате повреждения префронтальной коры . [11] К поведенческим относятся синдром Туретта , обсессивно-компульсивное расстройство и зависимость . Двигательные расстройства включают, прежде всего, болезнь Паркинсона , которая включает в себя дегенерацию клеток, продуцирующих дофамин, в черной субстанции; болезнь Гентингтона , при которой преимущественно поражается полосатое тело; [2] [4] дистония ; и реже гемибаллизм . Базальные ганглии имеют лимбический сектор, компоненты которого имеют разные названия: прилежащее ядро , вентральный паллидум и вентральная покрышка (ВТА). Имеются убедительные доказательства того, что эта лимбическая часть играет центральную роль в обучении с вознаграждением , а также в познании и функционировании лобных долей через мезолимбический путь от VTA к прилежащему ядру, который использует нейромедиатор дофамин, и мезокортикальный путь . Считается , что ряд наркотиков, вызывающих сильную зависимость, включая кокаин , амфетамин и никотин , действуют за счет повышения эффективности этого дофаминового сигнала. Имеются также данные, свидетельствующие о гиперактивности дофаминергической проекции ВТА при шизофрении . [12]
С точки зрения развития центральную нервную систему человека часто классифицируют на основе трех исходных примитивных пузырьков , из которых она развивается: эти первичные пузырьки формируются при нормальном развитии нервной трубки эмбриона и первоначально включают передний мозг , средний мозг и ромбовидный мозг . в рострально-каудальной (от головы к хвосту) ориентации. В дальнейшем в развитии нервной системы каждый отдел сам распадается на более мелкие компоненты. Во время развития клетки, мигрирующие по касательной с образованием базальных ганглиев, направляются латеральными и медиальными ганглиозными возвышениями . [13] Следующая таблица демонстрирует эту классификацию развития и прослеживает ее до анатомических структур, обнаруженных в базальных ганглиях. [2] [4] [14] Структуры, относящиеся к базальным ганглиям, выделены жирным шрифтом .
Базальные ганглии составляют фундаментальный компонент головного мозга . В отличие от коркового слоя, выстилающего поверхность переднего мозга, базальные ганглии представляют собой скопление отдельных масс серого вещества , лежащих глубоко в мозгу недалеко от места соединения таламуса . Они лежат сбоку от таламуса и окружают его. [15] Как и большинство частей мозга, базальные ганглии состоят из левой и правой частей, которые являются виртуальными зеркальными отражениями друг друга.
С точки зрения анатомии базальные ганглии делятся на четыре отдельные структуры, в зависимости от того, насколько они выше или ростральнее (другими словами, в зависимости от того, насколько близко к макушке они расположены): две из них: полосатое тело и паллидум . , относительно велики; два других, черная субстанция и субталамическое ядро , меньше по размеру. На иллюстрации справа два корональных среза человеческого мозга показывают расположение компонентов базальных ганглиев. Следует отметить, что в этом разделе не показано, что субталамическое ядро и черная субстанция лежат дальше ( кзади ) в мозге, чем полосатое тело и бледное тело.
Полосатое тело представляет собой подкорковую структуру, обычно разделяемую на дорсальное полосатое тело и вентральное полосатое тело , хотя считается, что медиально-латеральная классификация более релевантна с точки зрения поведения [16] и используется более широко. [17]
Полосатое тело состоит в основном из средних шиповатых нейронов . Эти ГАМКергические нейроны проецируются на внешний (латеральный) бледный шар и внутренний (медиальный) бледный шар, а также на сетчатую часть черной субстанции . Проекции на бледный шар и черную субстанцию преимущественно дофаминергические, хотя выражены энкефалин , динорфин и субстанция Р. Полосатое тело также содержит интернейроны, которые подразделяются на нитрергические нейроны (из-за использования оксида азота в качестве нейромедиатора ), тонически активные (т.е. постоянно высвобождающие нейромедиатор, если не ингибируются) холинергические интернейроны, нейроны, экспрессирующие парвальбумин , и нейроны, экспрессирующие кальретинин . [18] Дорсальное полосатое тело получает значительные глутаматергические сигналы от коры, а также дофаминергические сигналы от компактной части черной субстанции. Обычно считается, что дорсальное полосатое тело участвует в сенсомоторной деятельности. Вентральное полосатое тело получает глутаматергические входы из лимбических областей, а также дофаминергические входы из ВТА через мезолимбический путь . Считается, что вентральное полосатое тело играет роль в вознаграждении и других лимбических функциях. [19] Дорсальное полосатое тело разделено внутренней капсулой на хвостатое тело и скорлупу , тогда как вентральное полосатое тело состоит из прилежащего ядра и обонятельного бугорка . [20] [21] Хвостатое тело имеет три основные области соединения, при этом головка хвостатого тела демонстрирует связь с префронтальной корой, поясной корой и миндалевидным телом . На теле и хвосте наблюдается дифференциация дорсолатерального края и вентрального хвостатого ядра, выступающих в сенсомоторную и лимбическую области полосатого тела соответственно. [22] Стриатопаллидные волокна соединяют полосатое тело с бледной мышцей.
Паллидум состоит из большой структуры, называемой globus pallidus («бледный шар»), вместе с меньшим вентральным расширением, называемым вентральным паллидумом . Бледный шар выглядит как единая нервная масса, но его можно разделить на две функционально разные части, называемые внутренним (или медиальным) и внешним (латеральным) сегментами, сокращенно GPi и GPe. [2] Оба сегмента содержат в основном ГАМКергические нейроны, которые, следовательно, оказывают ингибирующее воздействие на свои цели. Эти два сегмента участвуют в различных нейронных цепях . GPe получает входную информацию в основном от полосатого тела и проецируется на субталамическое ядро. GPi получает сигналы от полосатого тела по «прямому» и «косвенному» путям. Паллидальные нейроны действуют по принципу растормаживания. Эти нейроны активируются с устойчиво высокой частотой при отсутствии входной сигнала, а сигналы от полосатого тела заставляют их приостанавливать или снижать скорость возбуждения. Поскольку паллидные нейроны сами по себе оказывают тормозящее воздействие на свои цели, конечным эффектом воздействия полосатого тела на паллидум является уменьшение тонического торможения, оказываемого паллидными клетками на свои цели (растормаживание), с увеличением скорости возбуждения в мишенях.
Черная субстанция — это часть серого вещества среднего мозга базальных ганглиев, состоящая из двух частей — компактной части (SNc) и сетчатой части (SNr). SNr часто работает в унисон с GPi, а комплекс SNr-GPi ингибирует таламус. Однако черная часть компактной части (SNc) вырабатывает нейротрансмиттер дофамин , который очень важен для поддержания баланса в полосатом теле. В приведенной ниже части схемы объясняются роль и схемы соединений каждого из компонентов базальных ганглиев.
Субталамическое ядро — это диэнцефальная часть серого вещества базальных ганглиев и единственная часть ганглиев, которая вырабатывает возбуждающий нейротрансмиттер — глутамат . Роль субталамического ядра заключается в стимуляции комплекса SNr-GPi, и это часть непрямого пути . Субталамическое ядро получает тормозной сигнал от внешней части бледного шара и отправляет возбуждающий сигнал в GPi.
Было предложено множество моделей цепей и функций базальных ганглиев, однако были подняты вопросы о строгом разделении прямых и непрямых путей , их возможном перекрытии и регуляции. [23] Модель схемы развивалась со времени первой модели, предложенной ДеЛонгом в 1990-х годах в модели параллельной обработки , в которой кора и компактная часть черной субстанции проецируются в дорсальное полосатое тело , вызывая тормозящий непрямой и возбуждающий прямой путь.
В целом схема базальных ганглиев делится на пять путей: один лимбический, два ассоциативных (префронтальных), один глазодвигательный и один двигательный. (Моторный и глазодвигательный пути иногда объединяют в один двигательный путь.) Пять основных путей организованы следующим образом: [24]
Прямой путь, берущий начало в дорсальном полосатом теле, ингибирует GPi и SNr, что приводит к растормаживанию или возбуждению таламуса. Этот путь состоит из средних шипистых нейронов (MSN), которые экспрессируют дофаминовый рецептор D1 , мускариновый ацетилхолиновый рецептор M4 и аденозиновый рецептор A1 . [27] Прямой путь был предложен для облегчения двигательных действий, определения времени двигательных действий, ограничения рабочей памяти и двигательных реакций на определенные стимулы. [26]
(Длинный) непрямой путь начинается в дорсальном полосатом теле и ингибирует GPe, что приводит к растормаживанию GPi, который затем может ингибировать таламус. Этот путь состоит из MSN, которые экспрессируют дофаминовый рецептор D2 , мускариновый рецептор ацетилхолина M1 и аденозиновый рецептор A2a . [27] Предполагается, что этот путь приводит к глобальному двигательному торможению (ингибированию всей двигательной активности) и прекращению реакций. Был предложен другой, более короткий непрямой путь, который включает корковое возбуждение субталамического ядра , приводящее к прямому возбуждению GPe и торможению таламуса. Предполагается, что этот путь приводит к торможению определенных двигательных программ, основанных на ассоциативном обучении. [26]
Комбинация этих непрямых путей, приводящая к гиперпрямому пути, который приводит к ингибированию входных сигналов базальных ганглиев, помимо одного конкретного фокуса, была предложена как часть теории центрального окружения . [28] [29] Предполагается, что этот гиперпрямой путь подавляет преждевременные реакции или глобально ингибирует базальные ганглии, чтобы обеспечить более специфический контроль сверху вниз со стороны коры. [26]
Взаимодействие этих путей в настоящее время обсуждается. Некоторые говорят, что все пути напрямую противодействуют друг другу в режиме «толкания», в то время как другие поддерживают теорию окружающего центра , в которой один сфокусированный вход в кору защищен ингибированием конкурирующих входных сигналов остальными непрямыми путями. [26]
Базальные ганглии содержат множество афферентных глутаматергических входов, с преимущественно ГАМКергическими эфферентными волокнами, модулирующими холинергическими путями, значительным количеством дофамина в путях, берущих начало в вентральной области покрышки и черной субстанции , а также различные нейропептиды . Нейропептиды, обнаруженные в базальных ганглиях, включают вещество Р , нейрокинин А , холецистокинин , нейротензин , нейрокинин В , нейропептид Y , соматостатин , динорфин , энкефалин . Другие нейромодуляторы, обнаруженные в базальных ганглиях, включают оксид азота , окись углерода и фенилэтиламин . [30]
Функциональная связность, измеренная посредством региональной совместной активации во время функциональных нейровизуализационных исследований, в целом согласуется с моделями параллельной обработки функции базальных ганглиев. Спутниковая скорлупа обычно коактивировалась с двигательными областями, такими как дополнительная двигательная область , каудальная передняя поясная извилина и первичная моторная кора , в то время как хвостатая и ростральная скорлупа чаще коактивировались с ростральной ACC и DLPFC. Вентральное полосатое тело было в значительной степени связано с миндалевидным телом и гиппокампом, которое, хотя и не было включено в первые формулировки моделей базальных ганглиев, было дополнением к более поздним моделям. [31]
Одной из интенсивно изучаемых функций базальных ганглиев является их роль в контроле движений глаз . [32] На движение глаз влияет обширная сеть областей мозга, которая сходится в области среднего мозга , называемой верхними холмиками (SC). СК представляет собой слоистую структуру, слои которой образуют двумерные ретинотопические карты зрительного пространства. «Удар» нейронной активности в глубоких слоях СК вызывает движение глаз, направленное к соответствующей точке пространства.
SC получает сильную тормозную проекцию от базальных ганглиев, берущих начало в сетчатой части черной субстанции (SNr). [32] Нейроны в SNr обычно возбуждаются непрерывно с высокой частотой, но в начале движения глаз они «паузуют», тем самым освобождая СК от торможения. Движения глаз всех типов связаны с «паузой» в ЧСНр; однако отдельные нейроны SNr могут быть более тесно связаны с некоторыми типами движений, чем с другими. Нейроны в некоторых частях хвостатого ядра также проявляют активность, связанную с движениями глаз. Поскольку подавляющее большинство хвостатых клеток активируются с очень низкой скоростью, эта активность почти всегда проявляется в увеличении частоты импульсации. Таким образом, движения глаз начинаются с активации в хвостатом ядре, которое ингибирует СНр через прямые ГАМКергические проекции, что, в свою очередь, растормаживает СК.
Внеклеточный дофамин в базальных ганглиях связан с мотивационными состояниями у грызунов: высокий уровень связан с состоянием насыщения, средний уровень — с поиском, а низкий — с отвращением. Цепи лимбических базальных ганглиев находятся под сильным влиянием внеклеточного дофамина . Увеличение дофамина приводит к угнетению вентрального бледного тела , энтопедункулярного ядра и сетчатой части черной субстанции , что приводит к растормаживанию таламуса. Эта модель прямого пути D1 и непрямого пути D2 объясняет, почему селективные агонисты каждого рецептора не приносят пользы, поскольку для растормаживания необходима активность обоих путей. Растормаживание таламуса приводит к активации префронтальной коры и вентрального полосатого тела , избирательно повышающих активность D1, что приводит к вознаграждению. [25] Исследования электрофизиологии человека и приматов, кроме человека, также свидетельствуют о том, что в обработке вознаграждения участвуют и другие структуры базальных ганглиев, включая внутренний бледный шар и субталамическое ядро. [33] [34]
Для базальных ганглиев были предложены две модели: одна состоит в том, что действия генерируются «критиком» в вентральном полосатом теле и оценивают ценность, а действия выполняются «актером» в дорсальном полосатом теле. Другая модель предполагает, что базальные ганглии действуют как механизм выбора, при котором действия генерируются в коре головного мозга и выбираются базальными ганглиями в зависимости от контекста. [35] Цикл CBGTC также участвует в дисконтировании вознаграждения, при этом увольнение увеличивается в случае неожиданного или большего, чем ожидаемое вознаграждение. [36] Один обзор подтвердил идею о том, что кора головного мозга участвует в обучении действиям независимо от их результата, в то время как базальные ганглии участвуют в выборе соответствующих действий на основе ассоциативного вознаграждения, основанного на обучении методом проб и ошибок. [37]
Предполагается, что базальные ганглии контролируют то, что попадает в рабочую память , а что нет . Одна гипотеза предполагает, что прямой путь (Go или возбуждающий) пропускает информацию в ПФК , где она остается независимой от пути, однако другая теория предполагает, что для того, чтобы информация оставалась в ПФК, прямой путь должен продолжать отражаться. Было предложено, чтобы короткий непрямой путь в прямом антагонизме с прямым путем закрывал ворота ПФК. Вместе эти механизмы регулируют фокус рабочей памяти. [26]
Заболевания базальных ганглиев — группа двигательных нарушений , которые возникают либо в результате избыточного выброса из базальных ганглиев в таламус — гипокинетические расстройства , либо в результате недостаточного выброса — гиперкинетические расстройства . Гипокинетические расстройства возникают из-за чрезмерного выброса базальных ганглиев, который подавляет выходной сигнал из таламуса в кору и, таким образом, ограничивает произвольные движения. Гиперкинетические расстройства возникают из-за низкой производительности базальных ганглиев в таламусе, что приводит к недостаточному торможению таламических проекций в кору и, таким образом, приводит к неконтролируемым/непроизвольным движениям. Дисфункция базальных ганглиев может также привести к другим расстройствам. [38]
Ниже приводится список нарушений, состояний и симптомов , которые связаны с базальными ганглиями :
Потребовалось время, чтобы прийти к признанию того, что система базальных ганглиев представляет собой одну главную систему головного мозга. Первая анатомическая идентификация отдельных подкорковых структур была опубликована Томасом Уиллисом в 1664 году . [48] В течение многих лет термин полосатое тело [49] использовался для описания большой группы подкорковых элементов, некоторые из которых, как позже было обнаружено, функционально несвязанный. [50] В течение многих лет скорлупа и хвостатое ядро не были связаны друг с другом. Вместо этого скорлупа была связана с паллидумом в так называемом чечевицеобразном ядре или чечевицеобразном ядре .
Тщательный пересмотр Сесиль и Оскара Фогтов (1941) упростил описание базальных ганглиев, предложив термин полосатое тело для описания группы структур, состоящих из хвостатого ядра, скорлупы, и массы, соединяющей их вентрально , прилежащего ядра . Полосатое тело было названо на основе исчерченного (полосатого) внешнего вида, создаваемого расходящимися плотными пучками стриато-паллидо-черных аксонов , которые анатом Сэмюэл Александр Киннер Уилсон (1912) описал как «карандашные».
Анатомическая связь полосатого тела с его основными мишенями — паллидумом и черной субстанцией — была обнаружена позднее. Название globus pallidus было приписано Дежерином Бурдаху (1822 г.). Для этого Фогты предложили более простой « паллидум ». Термин «locus niger» был введен Феликсом Вик-д'Азиром как tache noire в (1786 г.), хотя с тех пор эта структура стала известна как черная субстанция благодаря вкладу фон Зоммеринга в 1788 г. Структурное сходство субстанции nigra и globus pallidus были отмечены Мирто в 1896 году. Вместе они известны как ансамбль паллидониграла, который представляет собой ядро базальных ганглиев. В целом основные структуры базальных ганглиев связаны друг с другом полосато-паллидо-черным пучком, который проходит через паллидум , пересекает внутреннюю капсулу как «гребенчатый пучок Эдингера» и, наконец, достигает черной субстанции .
Дополнительными структурами, которые впоследствии стали ассоциироваться с базальными ганглиями, являются «тело Луйса» (1865) (ядро Луйса на рисунке) или субталамическое ядро , поражение которого, как известно, приводило к двигательным расстройствам. Совсем недавно считалось , что другие области, такие как центромеанное ядро и педункулопонтинный комплекс, являются регуляторами базальных ганглиев.
Ближе к началу 20 века система базальных ганглиев впервые была связана с двигательными функциями, поскольку поражение этих областей часто приводило к нарушению движений у человека ( хорея , атетоз , болезнь Паркинсона ).
Номенклатура системы базальных ганглиев и ее компонентов всегда была проблематичной. Ранние анатомы, видя макроскопическую анатомическую структуру, но ничего не зная о клеточной архитектуре или нейрохимии, сгруппировали компоненты, которые, как теперь полагают, имеют разные функции (например, внутренние и внешние сегменты бледного шара), и дали отдельные названия компонентам, которые в настоящее время считаются функционально частями единой структуры (например, хвостатое ядро и скорлупа).
Термин «базальный» происходит от того, что большинство его элементов расположены в базальной части переднего мозга. Термин «ганглии» употребляется неправильно: в современном использовании нейронные кластеры называются «ганглиями» только в периферической нервной системе ; в центральной нервной системе их называют «ядрами». По этой причине базальные ганглии также иногда называют «базальными ядрами». [51] Terminologia anatomica (1998), международный авторитет по анатомическим наименованиям, сохранил термин «базальные ядра», но он широко не используется.
Международное общество базальных ганглиев (IBAGS) [52] неофициально считает, что базальные ганглии состоят из полосатого тела , бледного тела (с двумя ядрами), черной субстанции (с двумя отдельными частями) и субталамического ядра , тогда как Terminologia anatomica исключает последние два. Некоторые неврологи включили центромеанное ядро таламуса в состав базальных ганглиев, [53] [54] , а некоторые также включили педункулопонтинное ядро . [55]
Базальные ганглии образуют один из основных компонентов переднего мозга и встречаются у всех видов позвоночных. [56] Даже у миноги (обычно считающейся одним из самых примитивных позвоночных) на основе анатомии и гистохимии можно идентифицировать стриарные, паллидные и черные элементы. [57]
Названия, данные различным ядрам базальных ганглиев, у разных видов различны. У кошек и грызунов внутренний бледный шар известен как энтопедункулярное ядро . [58] У птиц полосатое тело называется палеостриатум аугментатум , а внешний бледный шар называется палеостриатум примитивум .
Очевидным возникающим вопросом в сравнительной анатомии базальных ганглиев является развитие этой системы в филогении как конвергентной кортикально-возвратной петли в сочетании с развитием и расширением кортикальной мантии. Однако существуют разногласия относительно степени, в которой происходит конвергентная селективная обработка по сравнению с сегрегированной параллельной обработкой внутри возвратных замкнутых петель базальных ганглиев. Тем не менее, трансформация базальных ганглиев в корково-ре-ентерабельную систему в эволюции млекопитающих происходит посредством перенаправления паллидной (или «paleostriatum primitivum») продукции от мишеней среднего мозга, таких как верхние холмики, как это происходит в мозге зауропсидов , на определенные области вентрального таламуса и оттуда обратно в определенные области коры головного мозга, которые образуют подмножество тех областей коры, выступающих в полосатое тело. Резкое ростральное перенаправление пути из внутреннего сегмента бледного шара в вентральный таламус - через путь ansa lenticleis - можно рассматривать как след этой эволюционной трансформации оттока и целенаправленного воздействия базальных ганглиев.
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite book}}
: |website=
игнорируется ( помощь )