Омыртқалылардың базальды ганглиялары: қозғалыс және сыйақы жүйелерінің құрамдас бөліктері

Кіріспе

Базальдық ганглиялар (БГ) немесе базальдық ядролар – омыртқалы жануарлардың миында табылған субкортикальдық ядролар тобы. Адамдар мен басқа да приматтарда, негізінен, глобус паллидусының сыртқы және ішкі бөліктерге бөлінуі мен стриатумның құрылымында айырмашылықтар бар. Алдыңғы мидың төменгі жағында және ортаңғы мидың үстінде орналасқан, олар ми қабығы, таламус, ми сабағы және басқа ми аймақтарымен тығыз байланыста. Базальдық ганглиялар түрлі функциялармен байланысты, соның ішінде ерікті қозғалыстарды реттеу, процедуралық оқыту, дағды қалыптастыру, шартты оқыту, көз қозғалысы, таным және эмоция. Базальдық ганглияның негізгі функционалдық құрауында стриатум (дорсальды стриатум – қаудатты ядро және путамен, және вентральды стриатум – ядро аккумбенс және иіс сезу түйіні), глобус паллидус, вентральды паллидус, қара зат және субталамикалық ядро бар. Осы құраулардың әрқайсысы күрделі ішкі анатомиялық және нейрохимиялық құрылымға ие. Ең ірі құрауы – стриатум (дорсальды және вентральды) – мидың әртүрлі аймақтарынан сигналдарды қабылдайды, бірақ тек базальдық ганглияның басқа құрауларына сигнал жібереді. Глобус паллидус стриатумнан сигналдарды қабылдайды және қозғалысқа байланысты бірнеше аймақтарға тежегіш сигналдар жібереді. Қара зат – базальдық ганглияның жұмысында маңызды рөл атқаратын дофамин нейротрансмиттерінің стриатумға түсетін көзі. Субталамикалық ядро негізінен стриатум мен ми қабығынан сигналдарды қабылдайды және глобус паллидусына проекция жасайды. Базальдық ганглиялар іс-әрекетті таңдауда маңызды рөл атқарады деп есептеледі, орындалатын мінез-құлықты таңдауға көмектеседі. Нақтырақ айтқанда, олар моторлық және премоторлық ми қабығының аймақтарын реттейді, тегіс ерікті қозғалыстарға мүмкіндік береді. Эксперименттік зерттеулер базальдық ганглиялар бірнеше моторлық жүйелерге тежегіш әсер ететінін көрсетіп, осы тежеудің азаюы моторлық жүйенің белсенді болуына жағдай жасайды. Базальдық ганглиядағы "мінез-құлықты ауыстыру" мидың көптеген бөліктерінен келетін сигналдарға, соның ішінде атқарушы функцияларда маңызды рөл атқаратын префронтальды қабықтан келетін сигналдарға тәуелді. Сондай-ақ, базальдық ганглиялар тек моторлық іс-әрекетті таңдау үшін ғана емес, сонымен қатар танымдық іс-әрекетті таңдау үшін де жауапты болуы мүмкін деген гипотеза бар. Базальдық ганглиядағы іс-әрекетті таңдаудың есептеулік модельдері осыны ескереді. Базальдық ганглиялар мидың қалыпты жұмысы мен мінез-құлқы үшін өте маңызды. Олардың дисфункциясы әртүрлі неврологиялық жағдайларға, мінез-құлық пен қозғалысты бақылаудың бұзылуларына, сондай-ақ префронтальды қабықтың зақымдануынан туындайтын танымдық жетіспеушіліктерге әкеледі. Мінез-құлықтың бұзылуларына Туретт синдромы, обсессивтік-компульсивтік тәртіпсіздік және тәуелділік жатады. Қозғалыс бұзылуларының ішінде ең маңыздысы – қара заттағы дофамин өндіретін жасушалардың дегенерациясына байланысты Паркинсон ауруы, ал екіншісі – негізінен стриатумның зақымдануына байланысты Хантингтон ауруы.

Group of subcortical nuclei involved in the motor and reward systems
the basal ganglia of vertebrates

The basal ganglia (BG) or basal nuclei are a group of subcortical nuclei found in the brains of vertebrates. In humans and other primates, differences exist, primarily in the division of the globus pallidus into external and internal regions, and in the division of the striatum. Positioned at the base of the forebrain and the top of the midbrain, they have strong connections with the cerebral cortex, thalamus, brainstem and other brain areas. The basal ganglia are associated with a variety of functions, including regulating voluntary motor movements, procedural learning, habit formation, conditional learning, eye movements, cognition, and emotion. The main functional components of the basal ganglia include the striatum, consisting of both the dorsal striatum (caudate nucleus and putamen) and the ventral striatum (nucleus accumbens and olfactory tubercle), the globus pallidus, the ventral pallidum, the substantia nigra, and the subthalamic nucleus. Each of these components has complex internal anatomical and neurochemical structures. The largest component, the striatum (dorsal and ventral), receives input from various brain areas but only sends output to other components of the basal ganglia. The globus pallidus receives input from the striatum and sends inhibitory output to a number of motor related areas. The substantia nigra is the source of the striatal input of the neurotransmitter dopamine, which plays an important role in basal ganglia function. The subthalamic nucleus mainly receives input from the striatum and cerebral cortex and projects to the globus pallidus. The basal ganglia are thought to play a key role in action selection, aiding in the choice of behaviors to execute. More specifically, they regulate motor and premotor cortical areas, facilitating smooth voluntary movements. Experimental studies show that the basal ganglia exert an inhibitory influence on a number of motor systems, and that a release of this inhibition permits a motor system to become active. The "behavior switching" that takes place within the basal ganglia is influenced by signals from many parts of the brain, including the prefrontal cortex, which plays a key role in executive functions. It has also been hypothesized that the basal ganglia are not only responsible for motor action selection, but also for the selection of more cognitive actions. Computational models of action selection in the basal ganglia incorporate this. The basal ganglia are of major importance for normal brain function and behaviour. Their dysfunction results in a wide range of neurological conditions including disorders of behaviour control and movement, as well as cognitive deficits that are similar to those that result from damage to the prefrontal cortex. Those of behaviour include Tourette syndrome, obsessive–compulsive disorder, and addiction. Movement disorders include, most notably Parkinson's disease, which involves degeneration of the dopamine producing cells in the substantia nigra; Huntington's disease, which primarily involves damage to the striatum;

Стриатум

Стриатм – бұл қабық асты құрылым, әдетте арқалық стриатум және құрсақ стриатумы болып бөлінеді, бірақ медиальді-жақтық жіктеме мінез-құлық тұрғысынан маңыздырақ деп саналады және осыдан бері жиі қолданылуда. Стриатм негізінен орта тікенді нейрондардан тұрады. Бұл ГАБАергиялық нейрондар сыртқы (жақтық) глобус паллидус пен ішкі (медиальді) глобус паллидусқа, сондай-ақ қара заттың ретикулярлық бөлігіне (substantia nigra pars reticulata) проекция жасайды. Глобус паллидус пен қара затқа проекциялар негізінен дофаминергиялық, бірақ энкефалин, динорфин және субстанция P де экспрессияланады. Стриатмда сонымен қатар нитргиялық нейрондар (азот оксидін нейротрансмиттер ретінде пайдалануына байланысты), тоникалық белсенді (яғни, тежелмеген жағдайда нейротрансмиттерді үнемі босатып отыратын) холинергиялық интернейрондар, парвальбумин экспрессиялайтын нейрондар және кальретинин экспрессиялайтын нейрондар да бар. Арқалық стриатум қабықтан күшті глутаматергиялық және қара заттың компактты бөлігінен (substantia nigra pars compacta) дофаминергиялық сигналдарды қабылдайды. Арқалық стриатум көбінесе сенсомоторлық қызметке қатысады деп есептеледі. Құрсақ стриатум мезолимбикалық жол арқылы лимбикалық аймақтардан глутаматергиялық және VTA-дан дофаминергиялық сигналдарды қабылдайды. Құрсақ стриатум сыйлық және басқа лимбикалық функцияларда рөл атқарады деп саналады. Арқалық стриатум ішкі капсула арқылы каудатты және путаменді бөледі, ал құрсақ стриатумы ядролық аккумбенс пен иіс сезу түйінінен тұрады. Каудаттың үш негізгі байланыс аймағы бар, оның басы префронтальді қабықпен, цингулятты қабықпен және миндаль тәрізді денемен (amygdala) байланыс жасайды. Денесі мен құйрығы тиісінше дорсолатеральді жиек пен құрсақ каудат арасындағы айырмашылықты көрсетеді, сенсомоторлық және лимбикалық аймақтарға проекция жасайды. Стриатопаллидалық талшықтар стриатумды паллидусқа қосады.

Паллидум

Паллидум глобус паллидус ("сары шар") деп аталатын ірі құрылымнан және вентральді паллидум деп аталатын кішірек вентральді кеңейтімнен тұрады. Глобус паллидус бір нейрондық масса ретінде көрінеді, бірақ оны ішкі (немесе медиальді) және сыртқы (латеральді) сегменттер деп аталатын екі функционалды түрлі бөлікке бөлуге болады, олар GPi және GPe деп қысқартылады. Схемалық модель 1990 жылдары ДеЛонг ұсынған параллель өңдеу моделінен кейін дамыды, онда қыртыс және қара заттың тығыз бөлігі арқалық жолақты денеге проекция жасайды, нәтижесінде тежегіш жанама және қоздырғыш тікелей жол пайда болады. Тежегіш жанама жол сыртқы глобус паллидусты тежеуді қамтиды, бұл ішкі глобус паллидустың (STN арқылы) дезингибициясына және таламусты тежеуге мүмкіндік береді. Тікелей немесе қоздырғыш жол GPi/SNr тежеу арқылы таламусты дезингибициялауды қамтиды. Алайда, бұл модельде тікелей жолдың жылдамдығы жанама жолмен сәйкес келмейді, бұл проблемаларға әкеледі. Мұны шешу үшін гипертікелей жол ұсынылды, онда қыртыс субталамус ядросы арқылы глутаматергиялық проекцияларды жібереді, орталық-айнала модель бойынша тежегіш GPe-ді қоздырады, сондай-ақ қысқа жанама жол ұсынылды. Жалпы, базальді ганглиялар схемасы бес жолға бөлінеді: бір лимбикалық, екі ассоциативтік (префронтальді), бір окуломоторлық және бір моторлық жол. (Моторлық және окуломоторлық жолдар кейде бір моторлық жолға біріктіріледі.) Бес негізгі жол келесідей ұйымдастырылған:

Моторлық орама қосымша моторлық аймақтан, доға тәрізді премоторлық аймақтан, моторлық қыртыстан және соматосенсорлық қыртыстан путаменге проекция жасайды, ол ventrolateral GPi және caudolateral SNr арқылы қыртысқа ventral lateralis pars medialis және ventral lateralis pars oralis арқылы проекция жасайды. Окуломоторлық орама фронтальді көз өрістерінен, дорсолатеральді префронтальді қыртыстан (DLPFC) және артқы тегіс қыртыстан каудатқа, каудальді дорсомедиальді GPi және ventrolateral SNr-ге проекция жасайды, содан кейін латеральді ventralis anterior pars magnocellularis (VAmc) арқылы қыртысқа қайта оралады. Бірінші когнитивтік/ассоциативтік жол DLPFC-ден, дорсолатеральді каудатқа, содан кейін жақтық дорсомедиальді GPi-ге және ростральді SNr-ге проекция жасайды, одан кейін жақтық VAmc және медиальді pars magnocellularis-ке бағытталады. Ұсынылған екінші когнитивтік/ассоциативтік жол - бұл жақтық орбитофронтальді қыртыстан, уақытша гирустан және алдыңғы цингулярлық қыртыстан ventromedial caudate-ге проекция жасайтын контур, содан кейін латеромедиальді GPi-ге және ростролатеральді SNr-ге, содан кейін медиальді VAmc және медиальді magnocellularis арқылы қыртысқа кірмей бұрын проекция жасайды. Лимбикалық контур ACC, гиппокамп, энториналдық қыртыс және инсуладан ventral striatum-ға, содан кейін ростродорсальді GPi, ventral pallidum және ростродорсальді SNr-ге проекция жасайды, содан кейін медиальді дорсальді ядроның постсомерді бөлігі арқылы қыртысқа оралады. Алайда, орамалардың 20 000-ға дейін қосымша бөліністері ұсынылды. Дорсальді жолақты денеден басталатын тікелей жол GPi және SNr-ді тежейді, нәтижесінде таламустың таза дезингибициясы немесе қоздырылуы болады. Бұл жол допамин рецепторы D1, мускарин ацетилхолин рецепторы M4 және аденозин рецепторы A1 экспрессиялайтын орта буынды нейрондардан (MSN) тұрады. Бұл жол жалпы моторлық ингибицияны (барлық моторлық белсенділіктің ингибициясы) және жауаптардың тоқтатылуын қамтамасыз етеді деп ұсынылған. Тағы бір қысқа жанама жол ұсынылды, ол таламус ядросының қыртыстық қоздырылуын қамтиды, нәтижесінде GPe тікелей қоздырылады және таламус тежеледі. Бұл жол ассоциативтік оқытуға негізделген белгілі бір моторлық бағдарламаларды тежеуге әкеледі. Бұл гипертікелей жол ерте жауаптарды тежеуге немесе базальді ганглияларды жалпы тежеуге мүмкіндік береді, бұл қыртыстың жоғарыдан төменге қарай нақты бақылауын қамтамасыз етеді.

The motor loop involving projections from the supplementary motor area, arcuate premotor area, motor cortex and somatosensory cortex into the putamen, which projects into the ventrolateral GPi and caudolateral SNr which projects into the cortex through the ventralis lateralis pars medialis and ventralis lateralis pars oralis. The oculomotor loop involved projections from the frontal eye fields, the dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC), and the posterior parietal cortex into the caudate, into the caudal dorsomedial GPi and ventrolateral SNr, finally looping back into the cortex through the lateral ventralis anterior pars magnocellularis(VAmc). The first cognitive/associative pathway proposes a pathway from the DLPFC, into the dorsolateral caudate, followed by a projection into the lateral dorsomedial GPi, and rostral SNr before projecting into the lateral VAmc and medial pars magnocellularis. The second cognitive/associative pathway proposed is a circuit projecting from the lateral orbitofrontal cortex, the temporal gyrus, and anterior cingulate cortex into the ventromedial caudate, followed by a projection into the lateromedial GPi, and rostrolateral SNr before looping into the cortex via the medial VAmc and medial magnocellularis. The limbic circuit involving the projections from the ACC, hippocampus, entorhinal cortex, and insula into the ventral striatum, then into the rostrodorsal GPi, ventral pallidum and rostrodorsal SNr, followed by a loop back into the cortex through the posteromedial part of the medial dorsal nucleus. However, more subdivisions of loops have been proposed, up to 20,000. The direct pathway, originating in the dorsal striatum inhibits the GPi and SNr, resulting in a net disinhibition or excitation of the thalamus. This pathway consists of medium spiny neurons (MSNs) that express dopamine receptor D1, muscarinic acetylcholine receptor M4, and adenosine receptor A1. This pathway has been proposed to result in global motor inhibition(inhibition of all motor activity), and termination of responses. Another shorter indirect pathway has been proposed, which involves cortical excitation of the subthalamic nucleus resulting in direct excitation of the GPe, and inhibition of the thalamus. This pathway is proposed to result in inhibition of specific motor programs based on associative learning. This hyperdirect pathway is proposed to inhibit premature responses, or globally inhibit the basal ganglia to allow for more specific top down control by the cortex.

Функционалдық қосылым

Функционалдық нейросуреттеу зерттеулерінде аймақтық бірлескен активтену арқылы өлшенетін функционалдық байланыс базальды ганглиялардың функциясының параллельді өңдеу модельдерімен үлкен дәрежеде сәйкес келеді. Путамен көбінесе қосымша моторлық аймақ, каудальды алдыңғы цингулярлық қабық және негізгі моторлық қабық сияқты моторлық аймақтармен бірлескен активтенуге ие болды, ал каудальды және ростральды путамен ростральды ААК және ДЛПҚК-мен жиірек бірлескен активтенуге ие болды. Вентральді стриатум миндальша без және гиппокамппен маңызды байланысқа ие болды, бұл базальды ганглия модельдерінің алғашқы тұжырымдамаларына енгізілмегенімен, соңғы модельдерге қосылды.

Көздің қозғалысы

Базальді ганглияның аса зерттелген функцияларының бірі – көз қозғалысын бақылаудағы рөлі. Көз қозғалысына мидың ортаңғы ми аймағында орналасқан жоғарғы колликулус (SC) деп аталатын аймаққа жиналатын кең ми аймақтарының желісі әсер етеді. SC – қабатты құрылым, оның қабаттары визуалды кеңістіктің екі өлшемді ретинотоптық карталарын құрайды. SC-нің терең қабатындағы нейрондық белсенділіктің "төбесі" кеңістіктегі сәйкес нүктеге бағытталған көз қозғалысын қозғауға мүмкіндік береді. SC базальді ганглиядан күшті тежегіш проекцияны алады, ол substantia nigra pars reticulata (SNr) бөлімінен басталады.

Шешім қабылдау

Базальдық ганглиялар үшін екі модель ұсынылды: біреуі – вентральді стриатумдағы "критик" әрекеттерді тудырады және олардың құндылығын бағалайды, ал арқалық стриатумдағы "актор" оларды іске асырады. Екінші модель базальдық ганглияларды таңдау механизмі ретінде қарастырады, онда әрекеттер қыртыста (кабықшада) пайда болады және базальдық ганглиялар оларды контекстке сәйкес таңдайды. CBGTC циклы сыйақының уақыт бойынша құнсыздануына (дисконттауға) да қатысады, күтілмеген немесе күтілгеннен артық сыйақы алғанда нейрондардың белсенділігі артады. Бір шолуда қыртыстың (кабықшаның) нәтижесіне қарамастан, әрекеттерді үйренуге қатыстылығы қолдау тапты, ал базальдық ганглиялар ассоциативтік сыйақыға негізделген сынақ пен қателік арқылы тиісті әрекеттерді таңдауға жауапты.

Терминология

Базальды ганглиялар жүйесі мен оның құрамдас бөліктерінің номенклатурасы әрқашан күрделі мәселе болып келді. Ертедегі анатомистер макроскопиялық анатомиялық құрылымды көріп, бірақ жасушалық архитектура немесе нейрохимия туралы ештеңе білмей, қазір ерекше функциялары бар деп саналатын компоненттерді біріктірді (мысалы, глобус паллидустың ішкі және сыртқы сегменттері), ал қазір бір құрылымның функционалдық бөліктері деп есептелетін компоненттерге ерекше атаулар берді (мысалы, каудатты ядро және путамен). "Базальды" термині оның көптеген элементтері алдыңғы мидың базальды бөлігінде орналасқандығынан туындайды. "Ганглион" термині қате қолданылады: қазіргі қолданыста жүйке шоғырлары тек перифериялық жүйке жүйесінде "ганглион" деп аталады; орталық жүйке жүйесінде олар "ядролар" деп аталады. Осы себепті базальды ганглиялар кейде "базальды ядролар" деп те аталады. Terminologia anatomica (1998), анатомиялық атаулар бойынша халықаралық авторитет, "nuclei basales" терминін сақтап қалды, бірақ ол жиі қолданылмайды. Халықаралық Базальды Ганглиондар Қоғамы (IBAGS) базальды ганглияларды стриатумнан, паллидумнан (екі ядросы бар), қара заттан (екі ерекше бөлігі бар) және субталамус ядросынан тұрады деп есептейді, ал Terminologia anatomica соңғы екеуін қоспайды. Кейбір неврологтар таламустың орталық ядросын базальды ганглиялар құрамына енгізді, ал кейбіреулері педункулопонтин ядросын да енгізді.

Басқа жануарлар

Базальді ганглиялар алдыңғы мидың негізгі компоненттерінің бірі болып табылады және омыртқалы жануарлардың барлық түрлерінде кездеседі. Тіпті, лампреяда (әдетте омыртқалы жануарлардың ең алғашқы түрлерінің бірі саналады) анатомия және гистохимия негізінде жолақты, паллидалды және нигралды элементтерді анықтауға болады. Базальді ганглияның әртүрлі ядроларына берілген атаулар түрлерге қарай өзгеше. Мысықтар мен кеміргіштерде ішкі глобус паллидусы энтопедункулярлық ядро деп аталады. Құстарда жолақты дене Paleostriatum augmentatum, ал сыртқы глобус паллидус Paleostriatum primitivum деп аталады. Базальді ганглиялардың салыстырмалы анатомиясындағы маңызды мәселе – бұл жүйенің филогенез барысында кортикальды мантияның дамуымен және кеңеюімен қатар, конвергентті кортикальді қайта кіретін цикл ретінде қалыптасуы. Дегенмен, базальді ганглияның қайта кіріп тұратын жабық циклдерінде конвергентті таңдамалы өңдеу мен бөлінген параллель өңдеудің қаншалықты деңгейде жүргені туралы пікір таласы бар. Қалай болғанда да, сүтқоректілер эволюциясында базальді ганглиялардың кортикальды қайта кіретін жүйеге айналуы, мидың ортаңғы бөлігінен (мысалы, жоғарғы колликулус) савропсидтердегідей, мидың ішкі таламусының белгілі бір аймақтарына, содан кейін стриатумға проекция жасайтын ми қабығының белгілі бір аймақтарына бағытталған паллидалды (немесе "Paleostriatum primitivum") шығысының қайта бағытталуы арқылы жүзеге асады. Глобус паллидустың ішкі сегментінен ішкі таламусқа аспан тәрізді линзикулярлық жол арқылы кіретін жолдың кенеттен ростральді бағытының өзгеруі, базальді ганглиялардың шығысының және мақсатты әсерінің эволюциялық трансформациясының іздері ретінде қарастырылуы мүмкін.