Введение
Структура мозга
Клауструм (лат. claustrum, что означает "закрыть" или "запирать") – тонкий слой нейронов и поддерживающих глиальных клеток, который соединяется с корой головного мозга и подкорковыми областями, включая миндалевидное тело, гиппокамп и таламус. Он расположен между островковой корой латерально и путаменом медиально, заключенный в крайнюю и наружную капсулы соответственно. Клауструм кровоснабжается средней мозговой артерией. Другие гипотезы предполагают, что клауструм играет роль в обработке значимости, направляя внимание на наиболее релевантные для поведения стимулы среди фонового шума. Изучение клауструма затруднено из-за ограниченного числа людей с поражениями клауструма и недостаточной разрешающей способности нейровизуализации. Клауструм состоит из различных типов клеток, различающихся по размеру, форме и нейрохимическому составу. Существует пять типов клеток, и большинство из них напоминают пирамидальные нейроны, встречающиеся в коре головного мозга. Внутри клауструма отсутствует ламинарная организация клеточных типов, как в корковых слоях, и тела клеток могут быть пирамидальными, веретенообразными или округлыми. В связи с этим, считается, что клауструм играет роль в объединении различных модальностей информации, потенциально поддерживая само сознание. Другая предполагаемая функция клауструма – различение релевантной и нерелевантной информации, чтобы последнюю можно было игнорировать. Кортикальные компоненты сознания включают фронтопариетальную кору, поясную извилину и прекунеус. Благодаря широкой связи клауструма с этими областями, предполагается, что он может играть роль как во внимании, так и в сознании. Нейронные сети, обеспечивающие устойчивое внимание и сознание, посылают сигналы в клауструм, и один клинический случай у человека показывает, что электрическая стимуляция вблизи клауструма обратимо нарушала сознательное состояние пациента.
Структура
Клауструм – небольшая двусторонняя структура серого вещества (составляющая приблизительно 0,25% коры головного мозга), расположенная глубоко к островковой коре и крайней капсуле, и поверхностно к внешней капсуле и базальным ганглиям. Хотя региональные нейроанатомические границы клауструма определены, в литературе до сих пор отсутствует единый подход к определению его точных границ, однако экспертная встреча в 2019 году предложила основу для обозначения структур у разных видов. Тем не менее, последующие исследования показали, что клауструм имеет обширные связи с корковыми и подкорковыми областями. В частности, электрофизиологические исследования демонстрируют обширные связи с ядрами таламуса и базальными ганглиями, а изотопологические данные связывают клауструм с префронтальной, фронтальной, париетальной, височной и затылочной корой. Дополнительные исследования также рассматривали взаимосвязь клауструма с хорошо описанными трактами подкорковой белой материи. Такие структуры, как лучистый венец, окципитофронтальный пучок и крючковидный пучок, проецируются в клауструм из фронтальных, перицентральных, париетальных и затылочных областей. Существуют также взаимные связи с моторной, соматосенсорной, слуховой и зрительной корой. Несмотря на такую обширную связность, большинство проекций в клауструм и из него являются ипсилатеральными (хотя существуют и контралатеральные проекции), и имеется мало данных для описания его афферентных или эфферентных связей со стволом мозга и спинным мозгом. В заключение, кортикальная и подкорковая связность клауструма указывает на его важную роль в обработке сенсорной информации, а также в физическом и эмоциональном состоянии животного.
Микроанатомия
Входные сигналы в клауструм организованы по модальностям, включая префронтальные, зрительные, слуховые и соматомоторные области обработки. Подобно тому, как морфология нейронов в слоях Рекседа спинного мозга указывает на их функцию, зрительные, слуховые и соматомоторные области внутри клаустра содержат схожие нейроны с определенными функциональными характеристиками. Например, часть клаустра, обрабатывающая зрительную информацию (в основном синтезирующая афферентные волокна, связанные с нашим периферическим полем зрения), состоит преимущественно из бинокулярных клеток с удлиненными рецептивными полями и отсутствием ориентационной селективности. Эта направленность на периферическую сенсорную систему – не единичный случай, поскольку большинство сенсорных афферентов, входящих в клауструм, несут информацию из периферических сенсорных систем. Более того, клауструм обладает отчетливой топологической организацией для каждой сенсорной модальности, а также плотной связностью с фронтальными корковыми областями. Например, в зоне зрительной обработки клаустра наблюдается ретинотопическая организация, отражающая структуру кор коры зрительных ассоциаций и V1, подобно (но менее сложно) ретинотопической сохранности в латеральном коленчатом теле. Локальные интернейроны связаны как химическими, так и электрическими синапсами, обеспечивая широкое и синхронное ингибирование локальных цепей клаустра. В недавних исследованиях клаустра у мышей было обнаружено, что возбуждающие нейроны клаустра, проецирующие в кору, формируют синапсы вдоль передне-задней оси и преимущественно связываются с нейронами, не имеющими общих целей проекции, что, возможно, служит для объединения активности различных афферентных модулей. Наконец, во многих исследованиях показано, что клауструм структурно лучше всего характеризуется выраженным сплетением волокон, положительных по парвальбумину, формируемым ингибиторными клетками, экспрессирующими парвальбумин. Для оценки типов клеток клаустра у мышей использовались различные подходы, включая электрофизиологические, морфологические, генетические и коннектомические методы. Несмотря на отсутствие единого мнения относительно точного числа типов возбуждающих клеток, недавние исследования предполагают, что кортикально и субкортикально проецирующие нейроны клаустра, вероятно, различны и варьируются по нескольким параметрам, таким как их внутренние электрофизиологические профили, афферентные проекции и нейромодуляторные профили.
Функция
Клауструм демонстрирует широкую активность в отношении многочисленных корковых структур, все из которых связаны с компонентами сознания и поддержанием внимания. Это обусловлено обширными связями с фронтопариетальными областями, поясной корой и таламусом. Поддержание внимания обеспечивается связями с поясной корой, височной корой и таламусом. Крик и Кох предполагают, что клауструм выполняет роль, аналогичную дирижеру в оркестре, стремясь координировать функции всех этих связей, а также участвует в регуляции медленноволнового сна.
Внимание
Клауструм обладает уникальной способностью отбирать информацию, релевантную для выполняемой задачи, и игнорировать нерелевантную, обеспечивая направленное внимание. Он содержит самую высокую плотность проводящих путей белого вещества в коре головного мозга. Это подтверждает концепцию сетевой организации и координации между различными областями мозга. Аналогичный эффект наблюдается и у людей. Стимуляция левого клауструма у людей вызывала «полную остановку произвольного поведения, отсутствие реакции и амнезию без негативных двигательных симптомов или простой афазии», что указывает на его участие в процессах сознания. Кроме того, повышенная интенсивность сигнала связана с очаговыми дискогнитивными приступами – приступами, вызывающими нарушение осознания или сознания без судорог. В ходе приступа человек теряет ориентацию в окружающей среде, и это проявляется в виде пустого или отсутствующего взгляда в течение определенного времени. Использование задач оперативного обусловливания в сочетании с высокочастотной стимуляцией (HFS) клауструма приводило к значительным изменениям в поведении крыс, включая модулированные двигательные реакции, снижение активности и уменьшение реактивности. (Ссылка на Koubessi) Помимо этого, исследования показали, что клауструм активен во время фазы быстрого сна (REM), наряду с другими структурами, такими как зубчатая извилина. Эти структуры играют роль в ассоциативной пространственной памяти, что позволяет предположить, что в этих областях происходит консолидация памяти. Подтверждена обратная корреляция между объемом серого вещества и степенью выраженности галлюцинаций, в частности, слуховых галлюцинаций при шизофрении. Для полной потери функции клауструма необходимо поражение обоих клауструмов в каждом полушарии. Исследование 2020 года, в котором использовалась искусственная активация клауструма с помощью оптогенетической световой стимуляции, привело к подавлению мозговой активности во всей коре головного мозга – феномен, известный как состояние «молчания» (Down state), который наблюдается у мышей во время сна или спокойного бодрствования.
Псилоцибин
Клауструм характеризуется высокой плотностью рецепторов 5HT2A, что означает, что он существенно подвержен влиянию серотонергических психоделиков, таких как псилоцибин. Псилоцибин, по-видимому, влияет на функциональную связность клауструма с сетью пассивного режима работы мозга (DMN) и сетью фронтопариетального контроля (FPTC). Было обнаружено, что псилоцибин значительно снижает функциональную связность правого клауструма с сетью пассивного режима работы мозга и увеличивает связность правого клауструма с сетью фронтопариетального контроля.
Паркинсонизм
Команда исследователей под руководством нейробиологов из Медицинского центра Бет-Исраэль Диконесс выявила поражения клауструма как наиболее вероятную причину развития паркинсонизма при различных состояниях. Для определения источников паркинсонизма у 29 пациентов, у которых симптомы были вызваны не болезнью Паркинсона, а повреждением мозга – аномалией или травмой, видимой на нейровизуализации, команда использовала новую методику, называемую картированием сети поражений. Анализ 29 поражений, расположенных в различных областях мозга, показал, что связь с клауструмом является наиболее чувствительным и специфичным маркером паркинсонизма, вызванного поражением мозга.
Тревога и стресс
У мышей подавление клауструма снижает тревожность/стресс и повышает устойчивость к хроническому стрессу.
Другие животные
У животных, посредством картирования путей, было показано, что клауструм имеет обширные связи с различными областями коры, включая сенсорные и моторные области, а также с гиппокампом. Для исследований использовались различные модели животных, такие как кошки, грызуны и обезьяны.
Кошки
У кошек высокочастотная стимуляция (HFS) клаустра может изменять двигательную активность, вызывать автономные изменения и провоцировать "синдром инактивации", описываемый как "снижение уровня сознания". Записи, преимущественно у кошек и приматов, показывают, что нейроны клаустра реагируют на сенсорные стимулы и во время произвольных движений. В отношении соматосенсорной системы, клауструм кошки получает обильные входящие сигналы от первичной соматосенсорной коры (S1), но менее выраженные – от вторичной соматосенсорной коры (S2). Входящие сигналы из S1 частично совпадают с входящими сигналами из первичной моторной коры (по крайней мере, из областей, отвечающих за представление передних лап). Клауструм грызунов не получает входящие сигналы от S1 или S2 и в основном активируется моторной корой.
Грызуны
У крыс области, отвечающие за моторику усов, получают входящие сигналы из ипсилатерального клаустра, но затем проецируются в контралатеральный клаустр. Сенсорная стволовая кора и первичная зрительная кора также получают входящие сигналы из ипсилатерального клаустра, но отправляют очень мало проекций обратно в клаустр. Таким образом, исследования указывают на различную организацию связей клаустра с разными областями коры. Это позволяет предположить, что клаустр выполняет не диффузную, а специализированную роль в обработке информации корой головного мозга. У мышей волокна, содержащие парвалюмин, тесно связаны между собой химическими и электрическими синапсами. Они также тесно связаны с клаустрокортикальными нейронами, что позволяет предположить, что эти тормозные интернейроны сильно модулируют их активность. Эти локальные сети, вероятно, синхронизируют активность клаустрокортикальных проекций, тем самым влияя на мозговые ритмы и координированную активность различных областей коры. Существуют и другие классы тормозных интернейронов с локальными связями внутри клаустрокортикальных нейронов. Эксперименты на мышах, отслеживающие аксональную активность клаустрокортикальных нейронов в ответ на изменяющиеся зрительные стимулы, показывают, что клауструм сигнализирует об изменениях стимулов. Хотя клаустрокортикальные входы в зрительные области коры были активированы, наиболее сильные реакции были зарегистрированы в областях коры высшего порядка, включая переднюю поясную кору, которая густо иннервируется проекциями из клаустра.
Обезьяны
У обезьяны имеются обширные связи клаустра с аллокортикальными и неокортикальными областями. Эти связи проецируются в лобную долю, зрительные области коры, височную кору, теменно-затылочную кору и соматосенсорные области, в частности. Подкорковые области, получающие проекции, включают миндалевидное тело, хвостатое ядро и гиппокамп. Неизвестно, существуют ли корковые области, не получающие входящие сигналы от клаустра. Кроме того, в мозге обезьяны обнаружены крупные и мелкие типы безшипных нейронов, классифицируемые как "нейроны местных цепей". Дорсальный клауструм имеет двунаправленные связи с двигательными структурами коры. Взаимосвязь между движениями животного и активностью нейронов в дорсокаудальном клауструме такова: 70% двигательных нейронов неспецифичны и могут активироваться при любом толчке, тяге или повороте передней конечности, а остальные более избирательны и реагируют только на один из этих трех типов движений.