Базальные ганглии: структура и функции подкорковых ядер.

Введение

Группа подкорковых ядер, участвующих в двигательной и системе вознаграждения – базальные ганглии позвоночных.

Базальные ганглии (BG) или базальные ядра – это группа подкорковых ядер, обнаруженных в мозге позвоночных. У человека и других приматов существуют различия, главным образом в разделении бледного шара на внешние и внутренние отделы, а также в разделении стриатума. Расположенные у основания переднего мозга и верхней части среднего мозга, они имеют тесные связи с корой головного мозга, таламусом, стволом мозга и другими областями мозга. Базальные ганглии связаны с различными функциями, включая регуляцию произвольных движений, процедурное обучение, формирование привычек, обучение по ассоциациям, движения глаз, когнитивные функции и эмоции. Основные функциональные компоненты базальных ганглий включают стриатум, состоящий из спинного стриатума (хвостатое ядро и скорлупа) и вентрального стриатума (прилежащее ядро и обонятельная бугорка), бледный шар, вентральный бледный шар, черную субстанцию и субталамическое ядро. Каждый из этих компонентов обладает сложной внутренней анатомической и нейрохимической структурой. Крупнейший компонент – стриатум (спинной и вентральный) – получает информацию из различных областей мозга, но отправляет сигналы только другим компонентам базальных ганглий. Бледный шар получает входные сигналы от стриатума и посылает ингибиторные сигналы в ряд областей, связанных с движением. Черная субстанция является источником стриатального поступления нейромедиатора дофамина, который играет важную роль в функционировании базальных ганглий. Субталамическое ядро в основном получает входные сигналы от стриатума и коры головного мозга и проецирует их в бледный шар. Считается, что базальные ганглии играют ключевую роль в выборе действий, помогая в выборе поведения для реализации. В частности, они регулируют моторные и премоторные области коры, облегчая плавные произвольные движения. Экспериментальные исследования показывают, что базальные ганглии оказывают ингибирующее влияние на ряд двигательных систем, и снятие этого ингибирования позволяет двигательной системе активироваться. На «переключение поведения», происходящее в базальных ганглиях, влияют сигналы из многих частей мозга, включая префронтальную кору, которая играет ключевую роль в исполнительных функциях. Также было высказано предположение, что базальные ганглии отвечают не только за выбор двигательных действий, но и за выбор более когнитивных действий. Это учитывается в вычислительных моделях выбора действий в базальных ганглиях. Базальные ганглии имеют большое значение для нормальной функции мозга и поведения. Их дисфункция приводит к широкому спектру неврологических состояний, включая расстройства контроля поведения и движений, а также когнитивные дефициты, сходные с теми, что возникают при повреждении префронтальной коры. К поведенческим расстройствам относятся синдром Туретта, обсессивно-компульсивное расстройство и зависимость. К расстройствам движения относятся, прежде всего, болезнь Паркинсона, которая включает дегенерацию дофаминпродуцирующих клеток в черной субстанции, и болезнь Хантингтона, которая в первую очередь включает повреждение стриатума.

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

Стриатум представляет собой подкорковую структуру, обычно разделенную на спинную и вентральную части, хотя медиолатеральная классификация была предложена как более релевантная с точки зрения поведения и все шире используется. Стриатум состоит в основном из среднеколючих нейронов. Эти ГАМКергические нейроны проецируются во внешний (латеральный) бледный шар и внутренний (медиальный) бледный шар, а также в pars reticulata черной субстанции. Проекции в бледный шар и черную субстанцию преимущественно дофаминергические, хотя экспрессируются также энкефалин, динорфин и субстанция P. Стриатум также содержит интернейроны, классифицируемые на нитрогенные нейроны (в связи с использованием оксида азота в качестве нейротрансмиттера), тонически активные (то есть постоянно высвобождающие нейротрансмиттер, если не ингибированы) холинергические интернейроны, нейроны, экспрессирующие парвальбумин, и нейроны, экспрессирующие кальретинин. Спинной стриатум получает значительные глутаматергические входы из коры, а также дофаминергические входы из pars compacta черной субстанции. Считается, что спинной стриатум в основном участвует в сенсомоторной деятельности. Вентральный стриатум получает глутаматергические входы из лимбических областей, а также дофаминергические входы из вентральной области покрышки (VTA) через мезолимбический путь. Считается, что вентральный стриатум играет роль в вознаграждении и других лимбических функциях. Внутренняя капсула разделяет спинной стриатум на хвостатое ядро и путамен, в то время как вентральный стриатум состоит из ядра прилежания и обонятельной луковицы. Хвостатое ядро имеет три основные области связности, при этом головка хвостатого ядра демонстрирует связность с префронтальной корой, поясной корой и миндалевидным телом. Тело и хвост демонстрируют различия между дорсолатеральным краем и вентральным хвостатым ядром, проецируясь соответственно в сенсомоторные и лимбические области стриатума. Стриатопаллидарные волокна соединяют стриатум с бледным шаром.

Паллидум

Паллидум состоит из крупной структуры, называемой globus pallidus ("бледный шар"), вместе с меньшим вентральным отростком, называемым вентральным паллидумом. Globus pallidus выглядит как единая нейронная масса, но может быть разделен на две функционально различные части, называемые внутренним (или медиальным) и наружным (латеральным) сегментами, обозначаемыми аббревиатурами GPi и GPe. Модель организации цепей развивалась с момента первой предложенной в 1990-х годах ДеЛонгом модели параллельной обработки, в которой кора и pars compacta substantia nigra проецируются в спинную полосатую структуру, формируя ингибирующий непрямой и возбуждающий прямой пути. Ингибирующий непрямой путь включает ингибирование globus pallidus externus, что позволяет дезингибировать globus pallidus internus (через STN), позволяя ему ингибировать таламус. Прямой или возбуждающий путь включает дезингибирование таламуса посредством ингибирования GPi/SNr. Однако скорость прямого пути в этой модели не соответствовала бы скорости непрямого пути, что создавало проблемы. Для решения этой проблемы были предложены гиперпрямой путь, при котором кора посылает глутаматергические проекции через субталамическое ядро, возбуждая ингибирующий GPe в соответствии с моделью "центр-окружение", а также более короткий непрямой путь. В целом, цепи базальных ганглиев делятся на пять путей: один лимбический, два ассоциативных (префронтальных), один окуломоторный и один моторный. (Моторный и окуломоторный пути иногда объединяются в один моторный путь.) Пять основных путей организованы следующим образом:

Моторная петля, включающая проекции из дополнительной моторной области, дугообразной предмоторной области, моторной коры и соматосенсорной коры в путамен, который проецируется в вентролатеральную GPi и каудолатеральную SNr, а затем в кору через pars medialis ventralis lateralis и pars oralis ventralis lateralis. Окуломоторная петля включает проекции из лобных глазных полей, дорсолатеральной префронтальной коры (DLPFC) и задней теменной коры в хвостатое ядро, затем в каудально-дорсомедиальную GPi и вентролатеральную SNr, и, наконец, возвращается в кору через pars magnocellularis ventralis anterior lateralis (VAmc). Первый когнитивный/ассоциативный путь предполагает путь от DLPFC в дорсолатеральное хвостатое ядро, за которым следует проекция в латерально-дорсомедиальную GPi и ростральную SNr, прежде чем проецироваться в латеральную VAmc и медиальную pars magnocellularis. Второй предложенный когнитивный/ассоциативный путь представляет собой цепь, проецирующуюся из латеральной орбитофронтальной коры, височной извилины и передней поясной коры в вентромедиальное хвостатое ядро, за которым следует проекция в латеромедиальную GPi и ростролатеральную SNr, прежде чем вернуться в кору через медиальную VAmc и медиальную pars magnocellularis. Лимбическая цепь включает проекции из ACC, гиппокампа, энторинальной коры и инсулы в вентральную полосатую структуру, затем в ростродорсальную GPi, вентральный паллидум и ростродорсальную SNr, за которой следует петля обратно в кору через постеромедиальную часть ядра medialis dorsalis. Однако было предложено больше подразделений петель, до 20 000. Прямой путь, начинающийся в спинной полосатой структуре, ингибирует GPi и SNr, что приводит к чистой дезингибиции или возбуждению таламуса. Этот путь состоит из среднеколючих нейронов (MSN), экспрессирующих дофаминовый рецептор D1, мускариновый ацетилхолиновый рецептор M4 и аденозиновый рецептор A1. Предполагается, что этот путь приводит к глобальному моторному ингибированию (ингибированию всей двигательной активности) и прекращению реакций. Был предложен другой, более короткий непрямой путь, который включает кортикальное возбуждение субталамического ядра, приводящее к прямому возбуждению GPe и ингибированию таламуса. Предполагается, что этот путь приводит к ингибированию специфических моторных программ, основанных на ассоциативном обучении. Предполагается, что этот гиперпрямой путь ингибирует преждевременные реакции или глобально ингибирует базальные ганглии, чтобы обеспечить более специфический контроль сверху вниз со стороны коры.

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.

Функциональная связь

Функциональная связность, измеряемая региональной коактивацией во время исследований функциональной нейровизуализации, в целом соответствует моделям параллельной обработки функций базальных ганглиев. Путамен обычно коактивировался с моторными областями, такими как дополнительная моторная область, каудальная передняя поясная кора и первичная моторная кора, в то время как хвостатое ядро и ростральный путамен чаще коактивировались с ростральной ACC и DLPFC. Вентральная полосатая структура значительно ассоциировалась с миндалевидным телом и гиппокампом, которые, хотя и не были включены в первые формулировки моделей базальных ганглиев, стали дополнением к более поздним моделям.

Движения глаз

Одна из наиболее интенсивно изучаемых функций базальных ганглий – их роль в контроле движений глаз. На движения глаз влияет обширная сеть областей мозга, которая сходится в области среднего мозга, называемой верхним бугорком (SC). SC – это слоистая структура, слои которой формируют двухмерные ретинотопные карты зрительного пространства. "Пик" нейронной активности в глубоких слоях SC запускает движение глаза, направленное к соответствующей точке в пространстве. SC получает мощную тормозную проекцию от базальных ганглий, исходящую из черной субстанции pars reticulata (SNr).

Принятие решений

Для базальных ганглий предложено две модели. Согласно первой, действия генерируются "критиком" в вентральной полосатой массе, который оценивает их ценность, а "актор" в спинной полосатой массе осуществляет эти действия. Другая модель предполагает, что базальные ганглии функционируют как механизм отбора: действия генерируются в коре головного мозга и отбираются базальными ганглиями в зависимости от контекста. CBGTC-петля также участвует в дисконтировании вознаграждения, при этом частота активации нейронов возрастает при получении неожиданно большого или больше ожидаемого вознаграждения. Один из обзоров поддержал идею о том, что кора головного мозга участвует в обучении действиям вне зависимости от их исхода, в то время как базальные ганглии отвечают за выбор наиболее подходящих действий на основе ассоциативного обучения с подкреплением методом проб и ошибок.

Терминология

Номенклатура базальных ганглиев и их компонентов всегда была проблематичной. Ранние анатомы, наблюдая макроскопическую анатомическую структуру, но не имея знаний о клеточной архитектуре или нейрохимии, объединяли компоненты, которые сейчас считаются выполняющими различные функции (например, внутренний и наружный отделы бледного шара), и давали разные названия компонентам, которые теперь рассматриваются как функциональные части единой структуры (например, хвостатое ядро и скорлупа). Термин "базальный" происходит от того факта, что большинство его элементов расположены в базальной части переднего мозга. Термин "ганглии" является неточным: в современной терминологии нейронные скопления называются "ганглиями" только в периферической нервной системе; в центральной нервной системе они называются "ядрами". По этой причине базальные ганглии также иногда называют "базальными ядрами". Terminologia Anatomica (1998), международный авторитет в области анатомической номенклатуры, сохранил термин "nuclei basales", однако он не получил широкого распространения. Международное общество по изучению базальных ганглиев (IBAGS) неофициально рассматривает базальные ганглии как состоящие из полосатого тела, бледного шара (с двумя ядрами), черной субстанции (с двумя отчетливыми отделами) и субталамического ядра, в то время как Terminologia Anatomica исключает последние два. Некоторые неврологи включают центральное ядро таламуса в состав базальных ганглиев, а некоторые – также ядро педункулопонтина.

Другие животные

Базальные ганглии являются одним из основных компонентов переднего мозга и могут быть обнаружены у всех видов позвоночных. Даже у миноги (обычно считающейся одним из наиболее примитивных позвоночных) можно идентифицировать стриатальные, паллидальные и нигральные элементы на основании анатомии и гистохимии. Названия различных ядер базальных ганглий отличаются у разных видов. У кошек и грызунов внутренний бледный шар известен как энтопедункулярное ядро. У птиц стриатум называется палеостриатум агментатум, а внешний бледный шар – палеостриатум примитивным. Важным вопросом, возникающим в сравнительной анатомии базальных ганглий, является развитие этой системы в ходе филогенеза как конвергентной кортикально-возвратной петли в сочетании с развитием и расширением коры головного мозга. Однако существуют споры относительно того, в какой степени происходит конвергентная селективная обработка по сравнению с сегрегированной параллельной обработкой внутри возвратных замкнутых контуров базальных ганглий. В любом случае, трансформация базальных ганглий в кортикально-возвратную систему в эволюции млекопитающих происходит за счет перенаправления паллидального (или "paleostriatum primitivum") выхода из среднемозговых структур, таких как верхний бугорок, как это наблюдается в мозге сауропсид, в определенные области вентрального таламуса и оттуда обратно в специфические области коры головного мозга, которые составляют подмножество кортикальных областей, проецирующих в стриатум. Резкое ростральное перенаправление пути от внутреннего сегмента бледного шара в вентральный таламус – по пути ансы лентикулярис – можно рассматривать как отпечаток этой эволюционной трансформации выходов базальных ганглий и направленного влияния.