Введение
Структура полосатого тела в базальных ганглиях мозга
Хвостовое ядро – одна из структур, составляющих полосатое тело, которое является компонентом базальных ганглиев мозга человека. Оно играет важную роль в различных немоторных функциях, включая процедурное обучение, ассоциативное обучение и ингибиторный контроль действий, а также другие функции. Хвостовое ядро также входит в состав системы вознаграждения и функционирует как часть кортико-стриато-таламического контура.
Структура
Вместе с путаменом хвостовое ядро формирует спинной полосатый комплекс, который рассматривается как единая функциональная структура; анатомически они разделены крупным трактом белого вещества – внутренней капсулой, поэтому его иногда также называют двумя структурами: медиальным спинным полосатым комплексом (хвостовое ядро) и латеральным спинным полосатым комплексом (путамен). В связи с этим, эти два образования функционально различаются не из-за структурных различий, а исключительно вследствие топографического распределения функций. Хвостовые ядра располагаются вблизи центра мозга, над таламусом. В каждом полушарии мозга находится одно хвостовое ядро. По отдельности они напоминают структуру в форме буквы С, с более широкой "головкой" (caput на латыни) спереди, сужающейся к "телу" (corpus) и "хвосту" (cauda). Иногда часть хвостового ядра называют "коленем" (genu). Кровоснабжение головки хвостового ядра осуществляется за счет линтикулостриатной артерии, а хвоста – за счет передней хориоидальной артерии. Головка и тело хвостового ядра формируют часть дна переднего рога бокового желудочка. После того, как тело проходит некоторое расстояние в направлении задней части головки, хвост изгибается в направлении передней части, формируя крышу нижнего рога бокового желудочка. Это означает, что корональный (в плоскости, параллельной лицу) срез, проходящий через хвост, также пересечет тело и головку хвостового ядра.
Нейрохимия
Полосатое тело обильно иннервируется дофаминергическими нейронами, происходящими из компактной части черной субстанции (SNc). SNc расположена в среднем мозге и содержит клеточные проекции в полосатое тело и скорлупу, используя нейромедиатор дофамин. Также имеются дополнительные входящие сигналы из различных ассоциативных коры головного мозга.
Пространственная мнемоническая обработка
Хвостовое ядро интегрирует пространственную информацию с формированием двигательного поведения. Селективное нарушение пространственной рабочей памяти у пациентов с болезнью Паркинсона и знание о влиянии заболевания на объем дофамина, поступающего в стриатум, связали хвостовое ядро с пространственной и непространственной мнемонической обработкой. Пространственно-зависимая подготовка к движению была связана с хвостовым ядром посредством методов анализа, основанных на регистрации событий, с использованием фМРТ. Активность в хвостовом ядре была выше при выполнении задач, требующих пространственной и двигательной памяти, чем при выполнении задач, не требующих пространственной ориентации. В частности, активность пространственной рабочей памяти, выявленная с помощью фМРТ-исследований с задержкой распознавания, была выше в хвостовом ядре, когда она непосредственно предшествовала двигательному ответу. Эти результаты указывают на то, что хвостовое ядро может быть вовлечено в кодирование двигательного ответа. Исходя из этого, хвостовое ядро может участвовать в привлечении двигательной системы для поддержки работы рабочей памяти посредством сенсомоторных преобразований.
Направленные движения
Хвостатое ядро играет важную роль в поддержании позы тела и конечностей, а также в скорости и точности целенаправленных движений. Нарушения позы и точности при выполнении задач с использованием лап наблюдались у кошек после удаления хвостатых ядер. У кошек после частичного удаления ядер отмечалась задержка в начале движения и необходимость постоянной смены положения тела.
Целевые действия
Обзор исследований нейровизуализации, анатомических исследований связей хвостатого ядра и поведенческих исследований выявляет роль хвостатого ядра в исполнительских функциях. Исследование пациентов с болезнью Паркинсона (см. ниже) также может внести вклад в растущий объем доказательств. Двусторонний подход, сочетающий нейровизуализацию (включая ПЭТ и фМРТ) и анатомические исследования, демонстрирует тесную связь между хвостатым ядром и корковыми областями, связанными с исполнительскими функциями: «неинвазивные измерения анатомической и функциональной связности у людей демонстрируют четкую связь между хвостатым ядром и исполнительными лобными областями». Хотя в данном случае выбор был гораздо сложнее – испытуемым предлагалось не просто нажать на рычаг, а взвесить множество различных факторов – в основе исследования все равно лежал поведенческий выбор, основанный на изменяющихся ценностях результатов. Вкратце, исследования нейровизуализации и анатомические исследования подтверждают предположение о том, что хвостатое ядро играет роль в исполнительских функциях, а поведенческие исследования углубляют наше понимание того, каким образом хвостатое ядро направляет некоторые из наших процессов принятия решений.
Память
Подкорковый контур дорсальной префронтальной коры, включающий хвостатое ядро, связан с дефицитами рабочей памяти, особенно у пациентов с шизофренией. Функциональная нейровизуализация показала активацию этого подкоркового контура во время выполнения задач на рабочую память у приматов и здоровых людей. Хвостатое ядро может быть вовлечено в дефициты рабочей памяти еще до начала заболевания. Обнаружено, что объем хвостатого ядра обратно коррелирует с количеством персеверативных ошибок при выполнении задач на пространственную рабочую память. Миндалевидное тело посылает прямые проекции в хвостатое ядро. И миндалевидное тело, и хвостатое ядро имеют прямые и косвенные проекции в гиппокамп. Влияние миндалевидного тела на процессы памяти в хвостатом ядре было продемонстрировано тем, что повреждения связей между этими структурами "блокируют эффекты усиления памяти, вызываемые введением оксотреморина в хвостатое ядро". В исследовании на крысах, обученных в водяном лабиринте, было обнаружено, что хвостатое ядро улучшает память о визуально обусловленном обучении после пост-тренировочного введения амфетамина в хвостатое ядро.
Учиться
В исследовании 2005 года испытуемым было предложено научиться категоризировать визуальные стимулы, классифицируя изображения и получая обратную связь по результатам их ответов. Активность, связанная с успешным обучением классификации (верной категоризацией), была сосредоточена в теле и хвосте хвостатого ядра, в то время как активность, связанная с обработкой обратной связи (результатом ошибочной категоризации), была сосредоточена в головке хвостатого ядра.
Спать .
Двусторонние поражения головки хвостатого ядра у кошек были связаны со снижением продолжительности глубокого медленного сна в течение цикла сон-бодрствование. С уменьшением общего объема глубокого медленноволнового сна, переход кратковременной памяти в долговременную также может быть негативно затронут. Однако, эффект удаления хвостатого ядра на паттерн сна и бодрствования кошек не был постоянным. Нормализация была обнаружена через три месяца после абляции хвостатого ядра. Это открытие может быть обусловлено взаимосвязанной природой ролей хвостатого ядра и лобной коры в контроле уровней активации центральной нервной системы. У кошек после удаления хвостатого ядра, хотя и постоянно гиперактивных, наблюдалось значительное снижение времени быстрого сна (REM-сна), которое длилось лишь около двух месяцев. В то же время, у кошек с поражением лобной коры наблюдалось постоянное уменьшение времени REM-сна и лишь временный период гиперактивности. В отличие от связей между "глубоким" REM-сном и хвостатым ядром, исследование с использованием ЭЭГ и фМРТ во время циклов сна человека показало, что хвостатое ядро демонстрирует сниженную активность во время не-REM-сна на всех стадиях сна. Кроме того, исследования объема хвостатого ядра у людей с врожденным центральным гиповентиляционным синдромом (CCHS) установили корреляцию между CCHS и значительным уменьшением объема левого и правого хвостатых ядер. CCHS – это генетическое заболевание, которое влияет на цикл сна из-за сниженного дыхательного драйва. Следовательно, было предположено, что хвостатое ядро играет роль в циклах сна человека.
Эмоции
Хвостатое ядро вовлечено в реакции на визуальную красоту и было предложено в качестве одного из "нейронных коррелятов романтической любви". Поведение, связанное с привязанностью, и аффект также контролируются хвостатым ядром. Кошки с двусторонним удалением хвостатых ядер настойчиво приближались и следовали за объектами, пытаясь установить контакт с целью, при этом демонстрируя дружелюбное поведение, выражающееся в переступании передними конечностями и мурлыканье. Интенсивность поведенческих реакций коррелировала со степенью удаления ядер. Сообщения о людях с селективным повреждением хвостатого ядра показывают, что одностороннее повреждение хвостатого ядра приводит к потере побуждений, обсессивно-компульсивному расстройству, навязчивому поведению, связанному со стимулом, и гиперактивности. Большинство этих дефицитов можно отнести к поведению, связанному с привязанностью, от стремления к цели до романтической любви. Локальные деформации формы медиальной поверхности хвостатого ядра коррелируют со способностью к вербальному обучению у женщин и с количеством ошибок персеверации при выполнении заданий на пространственную и вербальную беглость рабочей памяти у мужчин. В частности, больший объем хвостатого ядра связан с лучшими показателями вербальной беглости.
Контроль порогового значения
Мозг содержит большие скопления нейронов, соединенных друг с другом возбуждающими синапсами, формируя тем самым обширную сеть элементов с положительной обратной связью. Сложно представить, как такая система может функционировать без какого-либо механизма, предотвращающего взрывную активацию. Существуют некоторые косвенные данные, указывающие на то, что хвостатое ядро может выполнять эту регуляторную функцию, измеряя общую активность коры головного мозга и контролируя порог возбудимости.
Каудативный инсульт
Инсульты могут возникать в хвостовом ядре, и исследования пациентов с такими типами инсультов последовали за введением и широким распространением компьютерной томографии (КТ) в 1970-х и начале 1980-х годов. Вайсберг и др. (1984), Мендес и др. (1989), Каплан и др. (1990), Каплан и Хельгасон (1995), Кумрал и др. (1999), Gnanashanmugam (2011). В одной серии пациентов 80% инсультов были ишемическими, а 20% – геморрагическими. Инсульты хвостового ядра редко поражают только само хвостовое ядро, но обычно также вовлекают соседние области, такие как передняя часть путамена, прилегающая передняя ножка внутренней капсулы, прилегающее белое вещество лучистой коронки и бледный шар. Хвостовые инсульты обычно односторонние, но могут быть и двусторонними, затрагивая как левое, так и правое хвостовое ядро. Инсульты хвостового ядра связаны с разнообразными клиническими симптомами. В исследованиях пациентов с инфарктами хвостового ядра часто встречающимися симптомами были дизартрия или дисфония (61–86%), двигательная слабость (40–100%), когнитивные и поведенческие нарушения (39–78%), включая абулию (26–48%), ажитацию (29%), беспокойство, гиперактивность, дезингибицию (9–11%), нарушения исполнительных функций или аномалии лобной доли (26%), нарушение памяти, незначительные речевые или языковые дефициты (23–50% при левосторонних поражениях), трудности с концентрацией внимания, изменения настроения или депрессия (14–33%). Менее часто встречаются двигательные расстройства (20–23%), такие как хорея (6–7%), баллизм, тремор, паркинсонизм (2–3%) и дистония (9–16%), а также более серьезные когнитивные и поведенческие проблемы, такие как психическая акинезия (потеря психической самоактивации) (12%), синдром игнорирования (10% при правосторонних поражениях), афазия (2–5%) и глобальная деменция (9%, или 1 из 11 случаев, и при двусторонних поражениях). Инсульты в хвостовом ядре также тесно связаны с синдромом беспокойных ног после инсульта (RLS). Другие поведенческие состояния, такие как обсессивно-компульсивное расстройство, персеверации и мания, также редко сообщались у пациентов с инсультом хвостового ядра. В одном случае, описанном в литературе, было выявлено двустороннее повреждение головки хвостового ядра, сопровождавшееся выраженным нарушением перспективной памяти и другими дефицитами. Размер, локализация и вовлечение соседних структур определяют симптоматику поражений хвостового ядра. В связи с преобладанием когнитивных и поведенческих симптомов над неврологическими симптомами и частым отсутствием классических признаков инсульта, пациенты с инсультом хвостового ядра могут быть ошибочно диагностированы с психогенным заболеванием. Лечение инсульта хвостового ядра может включать антитромбоцитарные или антикоагулянтные препараты, а также коррекцию факторов риска инсульта, таких как гипертония и сахарный диабет, для снижения риска повторных инсультов.
Резекция хвостовой кости
Иногда хвостатое ядро хирургически удаляют для лечения глиомы, которая инфильтрировала эту структуру. Мнения по поводу удаления хвостатого ядра расходятся: некоторые авторы сообщают о сравнительно небольших дефицитах после его удаления, а другие не рекомендуют это делать из-за возможных негативных когнитивных и поведенческих последствий, например, абулии.
Болезнь Альцгеймера
Исследование 2013 года выявило связь между пациентами с болезнью Альцгеймера и хвостатым ядром. Для оценки объема хвостатых ядер у пациентов с болезнью Альцгеймера и здоровых добровольцев использовались изображения МРТ. Исследование обнаружило "значительное уменьшение объема хвостатого ядра" у пациентов с болезнью Альцгеймера по сравнению со здоровыми добровольцами. Хотя корреляция не подразумевает причинно-следственную связь, это открытие может иметь значение для ранней диагностики.
Болезнь Паркинсона
Болезнь Паркинсона, вероятно, является наиболее изученным нарушением базальных ганглиев. Пациенты с этим прогрессирующим нейродегенеративным расстройством часто первоначально испытывают симптомы, связанные с движением (три наиболее распространенных – тремор покоя, мышечная ригидность и акатизия), которые впоследствии сочетаются с различными когнитивными нарушениями, включая деменцию. Болезнь Паркинсона приводит к истощению дофаминергических нейронов в нигростриатальном тракте – дофаминовой системе, связанной с головкой хвостатого ядра. В связи с этим, многие исследования выявили корреляцию между потерей дофаминергических нейронов, посылающих аксоны в хвостатое ядро, и степенью деменции у пациентов с болезнью Паркинсона. И хотя связь между хвостатым ядром и двигательными нарушениями при болезни Паркинсона установлена, хвостатое ядро также ассоциируется с сопутствующими когнитивными нарушениями. В одном обзоре сравниваются результаты пациентов с болезнью Паркинсона и пациентов с изолированным повреждением лобной доли в тесте «Лондонская башня». Различия в результатах между этими двумя группами пациентов (в тесте, который, по сути, требует от испытуемых выбора подходящих промежуточных целей, ориентируясь на общую задачу) указывают на связь между хвостатым ядром и целенаправленными действиями. Однако исследования не являются окончательными. Хотя хвостатое ядро связано с исполнительными функциями (см. «Целенаправленное действие»), остается «совершенно неясно, отражают ли исполнительные дефициты у [пациентов с болезнью Паркинсона] преимущественно их кортикальное или подкортикальное повреждение». Механизм действия этого мутировавшего белка изучен не полностью, но он токсичен для определенных типов клеток, особенно в головном мозге. Ранние повреждения наиболее выражены в стриатуме, но по мере прогрессирования заболевания другие области мозга также становятся более заметно пораженными. Ранние симптомы обусловлены функциями стриатума и его корковых связей, а именно контролем движений, настроения и высших когнитивных функций.
Слишком высокая концентрация внимания и гиперактивность
Исследование 2002 года выявило связь между асимметрией хвостатого ядра и симптомами, связанными с СДВГ. Авторы использовали МРТ-изображения для сравнения относительных объемов хвостатых ядер (поскольку хвостатое ядро является билатеральной структурой) и установили связь между любой асимметрией и симптомами СДВГ: «Степень асимметрии хвостатого ядра значительно предсказывала суммарные оценки выраженности невнимательности». Эта корреляция соответствует ранее установленным связям хвостатого ядра с функциями внимания. Более позднее исследование 2018 года воспроизвело эти результаты и показало, что асимметрия хвостатого ядра, связанная с СДВГ, была более выражена в дорсомедиальных отделах хвостатого ядра.
Шизофрения
Объем белого вещества в хвостатом ядре связан с пациентами, диагностированными с шизофренией. Исследование 2004 года с использованием магнитно-резонансной томографии сравнивало относительный объем белого вещества в хвостатом ядре у пациентов с шизофренией. У этих пациентов с расстройством наблюдались "меньшие абсолютные и относительные объемы белого вещества в хвостатом ядре, чем у здоровых испытуемых".
Биполярный тип I
В исследовании 2014 года было установлено, что у пациентов с биполярным расстройством I типа наблюдался относительно больший объем серого и белого вещества в хвостатом ядре и других областях, связанных с обработкой вознаграждения и принятием решений, по сравнению с контрольной группой и пациентами с биполярным расстройством II типа. В целом, объем серого и белого вещества у пациентов с биполярным расстройством был меньше, чем у контрольной группы.
Обсессивно-компульсивное расстройство
Было высказано предположение, что хвостатое ядро может быть дисфункциональным у людей с обсессивно-компульсивным расстройством (ОКР), в частности, возможно, не способно должным образом регулировать передачу информации о вызывающих беспокойство событиях или идеях между таламусом и орбитофронтальной корой. Исследование нейровизуализации с использованием позитронно-эмиссионной томографии показало, что наибольшее изменение метаболизма глюкозы в правом хвостатом ядре наблюдалось после лечения пациентов пароксетином. Недавние метаанализы исследований структурной МРТ на основе вокселей, сравнивающие людей с ОКР и здоровые контрольные группы, выявили увеличение объёма серого вещества в двусторонних линзовидных ядрах, включая хвостатые ядра, у людей с ОКР, в то время как объём серого вещества в двусторонних дорсомедиальных префронтальных/передних отделах поясной извилины был снижен. Эти результаты отличаются от результатов, полученных у людей с другими тревожными расстройствами, у которых наблюдается снижение (а не увеличение) объёма серого вещества в двусторонних линзовидных/хвостатых ядрах, а также снижение объёма серого вещества в двусторонних дорсомедиальных префронтальных/передних отделах поясной извилины.