Нигростриатный путь мозга: структура и функции.

Введение

Двусторонний путь в мозге

Нигростриатальный путь — это двусторонний дофаминергический путь в мозге, соединяющий черную субстанцию компактную (SNc) в среднем мозге со спинной полосой (то есть хвостатым ядром и скорлупой) в переднем мозге. Он является одним из четырех основных дофаминовых путей в мозге и играет решающую роль в выработке движений как часть системы, называемой моторной петлей базальных ганглиев. Дофаминергические нейроны этого пути высвобождают дофамин из аксонных окончаний, которые образуют синапсы с GABAергическими средними колючими нейронами (MSN), также известными как колючие проекционные нейроны (SPN), расположенными в стриатуме. Дегенерация дофаминергических нейронов в SNc является одной из основных патологических характеристик болезни Паркинсона, приводящей к значительному снижению дофаминергической функции и симптоматическим двигательным нарушениям при болезни Паркинсона, включая гипокинезию, тремор, ригидность и нарушение равновесия.

Анатомия

Связь между компактной частью черной субстанции и спинной полосатой структурой опосредована дофаминергическими аксонами.

Substantia nigra pars compacta (SNc) (Земля черная, соединенная с землей)

Черная субстанция расположена в вентральной части среднего мозга каждого полушария. Она состоит из двух различных отделов: pars compacta (SNc) и pars reticulata (SNr). Pars compacta содержит дофаминергические нейроны из группы клеток A9, формирующие нигростриатальный путь, который, доставляя дофамин в стриатум, передает информацию в базальные ганглии. В отличие от этого, pars reticulata содержит преимущественно GABAергические нейроны. SNc состоит из тонкой полосы клеток, перекрывающей SNr и расположенной латерально к группе дофаминергических нейронов A10 в вентральной тегментальной области (VTA), формирующей мезолимбический дофаминовый путь. SNc легко визуализируется на срезах мозга человека, поскольку дофаминовые нейроны содержат черный пигмент, называемый нейромеланином, который, как известно, накапливается с возрастом. Дофаминергические тела клеток в SNc плотно упакованы, насчитывая примерно 200 000–420 000 дофаминовых клеток в SNc человека и 8 000–12 000 дофаминовых клеток в SNc мыши. Эти тела дофаминовых клеток локализованы в одном из двух химически определенных слоев. Клетки верхнего слоя (или дорсального яруса) содержат связывающий белок, называемый кальбидин D28K, который способен буферизовать уровень кальция внутри клетки при его избыточном повышении или токсичности. Дофаминовые клетки нижнего слоя (или вентрального яруса) лишены этого белка и более уязвимы к воздействию нейротоксинов (например, MPTP), способных вызывать симптомы, сходные с болезнью Паркинсона. Дофаминовые клетки дорсального яруса имеют дендриты, радиально расходящиеся по pars compacta, в то время как дофаминовые клетки вентрального яруса имеют дендриты, простирающиеся вентрально в pars reticulata.

Дофаминергические аксоны

Аксоны дофаминовых нейронов отходят от первичного дендрита и проецируются ипсилатерально (на той же стороне) через медиальный пучок переднего мозга к спинному стриатуму. Существует приблизительная топографическая корреляция между анатомическим расположением тела дофаминовой клетки в пределах SNc и областью терминации в спинном стриатуме. Дофаминергические клетки в латеральных частях SNc преимущественно проецируются в латеральные и каудальные (задние) отделы стриатума, в то время как дофаминовые клетки в медиальном SNc проецируются в медиальный стриатум. Хотя все дофаминовые клетки SNc проецируются как в стриосомы (или пластыри), так и в матричные нейрохимические компартменты стриатума, большая часть аксональной территории нейрона дорсального яруса находится в матричном компартменте, а большая часть аксонального поля вентральных нейронов – в стриосомах. Небольшое количество дофаминовых нейронов дорсального яруса SNc также проецируется непосредственно в кору, хотя основная часть дофаминергической иннервации коры исходит от соседних дофаминовых нейронов VTA. Стриатум разделен на две части: хвостовое ядро и путамен. У грызунов внутренняя капсула развита слабо, поэтому хвостовое ядро и путамен не разделены, а формируют единое целое, называемое хвостовым путаменом (CPu). Большинство (около 95%) клеток спинного стриатума – это GABAергические средние колючие нейроны (MSN), также известные как колючие проекционные нейроны (SPN). Примерно половина этих MSN содержит дофаминовые рецепторы D1 и проецируется непосредственно в черную субстанцию, формируя прямой путь базальных ганглиев, в то время как другая половина экспрессирует дофаминовые рецепторы D2, которые проецируются косвенно в черную субстанцию через бледное тело и субталамическое ядро, формируя косвенный путь базальных ганглиев. Оставшиеся 5% клеток – это интернейроны, которые являются либо холинергическими нейронами, либо одним из нескольких типов GABAергических нейронов. Аксоны и дендриты этих интернейронов остаются внутри стриатума. Хвостовое ядро и путамен получают возбуждающую информацию из всех областей коры головного мозга. Эти глутаматергические входы обычно топографически организованы таким образом, что путамен получает информацию преимущественно из сенсомоторной коры, а хвостовое ядро – преимущественно из ассоциативной коры, а также незначительные возбуждающие входы из гиппокампа и миндалины. Дорсальный стриатум содержит нейрохимически определенные компартменты, называемые стриосомами (также известные как пластыри), которые демонстрируют высокую плотность окрашивания μ-опиоидных рецепторов, встроенных в матричный компартмент, содержащий более высокие уровни ацетилхолинестеразы и кальбидина D28K. Дофаминергические аксонные терминации нигростриатального пути синаптируют с GABAергическими MSN в спинном стриатуме. Они формируют синапсы на теле клетки и в областях дендритных стволов, но преимущественно на шейках дендритных шипов, которые также получают глутаматергический вход в головки тех же дендритных шипов. Это имеет значение для процессов вознаграждения и формирования зависимости. Нигростриатальные дофаминергические нейроны демонстрируют тонические и фазические паттерны нейронной активности. Это может приводить к различным паттернам высвобождения дофамина из аксонных терминалей в спинном стриатуме, а также из тела клетки (сомы) и дендритов в SNc и SNr. Помимо высвобождения дофамина, некоторые аксоны в нигростриатальном пути также могут ко-высвобождать ГАМК. Нигростриатальный путь влияет на движение через два пути: прямой путь движения и косвенный путь движения.

The axons from dopamine neurons emanate from a primary dendrite and project ipsilaterally (on the same side) via the medial forebrain bundle to the dorsal striatum. There is a rough topographical correlation between the anatomical localization of the dopamine cell body within the SNc and the area of termination in the dorsal striatum. Dopaminergic cells in the lateral parts of the SNc project mainly to the lateral and caudal (posterior) parts of the striatum, whereas dopamine cells in the medial SNc project to the medial striatum. Although all SNc dopamine cells project to both the striosome (or patch) and matrix neurochemical compartments of the striatum, most of the axonal territory of a dorsal tier neuron is in the matrix compartment while the majority of the axonal field of ventral tier neurons is in the striosomes. A small number of SNc dorsal tier dopamine neurons also project directly to the cortex, although most of the dopaminergic innervation of the cortex comes from the adjacent VTA dopamine neurons. into two parts: the caudate nucleus and the putamen. In rodents, the internal capsule is poorly developed such that the caudate and putamen are not separated but form one large entity called the caudate putamen (CPu). The majority (about 95%) of cells in the dorsal striatum are GABAergic medium spiny neurons (MSNs), also known as spiny projection neurons (SPNs). Approximately half of these MSNs contain dopamine D1 receptors and project directly to the substantia nigra to form the direct pathway of the basal ganglia, whereas the other half express dopamine D2 receptors that project indirectly to the substantia nigra via the globus pallidus and subthalamic nucleus to form the indirect pathway of the basal ganglia. The remaining 5% of cells are interneurons that are either cholinergic neurons or one of several types of GABAergic neurons. The axons and dendrites of these interneurons stay within the striatum. The caudate nucleus and putamen receive excitatory information from all areas of the cerebral cortex. These glutamatergic inputs are generally topographically arranged such that the putamen takes information largely from the sensorimotor cortex, whereas the caudate nucleus obtains information largely from the association cortex. and minor excitatory inputs from the hippocampus and amygdala. The dorsal striatum contains neurochemically defined compartments called striosomes (also known as patches) that exhibit dense μ opioid receptor staining embedded within a matrix compartment that contains higher acetylcholinesterase and calbindin D28K. The dopaminergic axon terminals of the nigrostriatal pathway synapse onto GABAergic MSNs in the dorsal striatum. They form synapses on the cell body and dendritic shaft regions but mostly on the necks of dendritic spines that also receive glutamatergic input to the heads of the same dendritic spines. reward, and addiction. Nigrostriatal dopaminergic neurons exhibit tonic and phasic patterns of neuronal firing activity. This can lead to different patterns of dopamine release from the axon terminals in the dorsal striatum and also from the cell body (soma) and dendrites in the SNc and SNr. As well as releasing dopamine, some axons in the nigrostriatal pathway can also co release GABA. The nigrostriatal pathway influences movement through two pathways, the direct pathway of movement and the indirect pathway of movement.

Прямой путь движения

Прямой путь участвует в облегчении желательных движений. Проекции от дофаминовых D1-рецепторов, содержащих средние шипастые нейроны в хвостатом ядре и путамене, синаптически связаны с тонически активными ГАБАергическими клетками в ретикулярной части черной субстанции и внутреннем сегменте бледного шара (GPi), которые затем проецируются в таламус. Поскольку стриатонигральные / стриатоэнтопедункулярные и нигроталамические пути являются тормозными, активация прямого пути создает общий чистый возбуждающий эффект на таламус и на движение, генерируемое моторной корой.

Косвенный путь движения

Непрямой путь участвует в подавлении нежелательных движений. Проекции от дофаминовых D2-рецепторов, содержащих средние шипастые нейроны в хвостатом ядре и путамене, синаптически связаны с тонически активными ГАМКергическими клетками во внешнем сегменте бледного шара (GPe), которые затем проецируют в черную субстанцию pars reticulata через возбуждающее субталамическое ядро (STN). Поскольку стриатопаллидальные и нигроталамические пути являются тормозными, а субталамический путь к черной субстанции – возбуждающим, активация непрямого пути создает общий результирующий тормозной эффект на таламус и на движение, осуществляемое моторной корой.

Болезнь Паркинсона

Болезнь Паркинсона характеризуется выраженными двигательными нарушениями, главным образом гипокинезией, ригидностью, тремором и нарушением постурального равновесия. Потеря дофаминергических нейронов в нигростриатальном пути является одной из основных патологических особенностей болезни Паркинсона. Дегенерация дофаминпродуцирующих нейронов в компактной части черной субстанции и комплексе хвостатого ядра и скорлупы приводит к снижению концентрации дофамина в нигростриатальном пути, что влечет за собой снижение функции и характерные симптомы. Симптомы заболевания обычно не проявляются до тех пор, пока не будет утрачено 80–90% дофаминергической функции. Другая гипотеза предполагает, что болезнь Паркинсона представляет собой дисбаланс между дофамином (D.A.) и ацетилхолином (АХ) в дорсальном стриатуме, а не только дефицит дофамина.

Леводопа-индуцированная дискинезия

Леводопа-индуцированные дискинезии (ЛИД) – это осложнение, связанное с длительным применением леводопы в лечении болезни Паркинсона, характеризующееся непроизвольными движениями и мышечными сокращениями. Это расстройство возникает у до 90% пациентов через 9 лет лечения. Использование леводопы может приводить к нарушению нигростриатальных дофаминергических проекций, а также к изменениям в постсинаптических нейронах базальных ганглиев.

Шизофрения

Пресинаптический метаболизм дофамина нарушен при шизофрении.