Система базальных ганглиев
Трехмерное изображение — активный мозг, вид сбоку.
Трехмерное изображение — активный мозг, вид снизу.
Базальные ганглии — это комплекс крупных образований, расположенных в центральной части мозга окружающих центральную лимбическую систему.
Базальные ганглии участвуют в процессах интегрирования чувств, мыслей и движений, а также в регулировании моторной функции. Базальные ганглии задают наше у организму режим, а котором он работает а состоянии покоя или уровень тревожности. Кроме того, они способствуют модулированию мотивации и, по всей вероятности, отдают за ощущения удовольствия и экстаза. Рассмотрим каждую из этих функций более подробно.
Итак, в базальных ганглиях происходит процесс интеграции чувств, мыслей и движений. Именно поэтому, приходя в возбуждение, вы вскакиваете, нервничая — дрожите, пугаясь — застываете на месте, или стоите, будучи не в состоянии вымолвить ни слова, когда начальник устраивает вам разнос. Базальные ганглии отвечают за постепенную интеграцию эмоций, мыслей и движений, поэтому при перегрузке просто отключаются. Один из моих пациентов получил тяжелые ожоги в ДТП. Когда он, объятый пламенем, лежал на асфальте, те, кто находились поблизости, от ужаса застыли без движения и не могли сделать ни шагу, чтобы оказать ему помощь. Долгие годы он не мог отделаться от неприятного чувства и понять, отчего никто не шевельнулся, чтобы ему помочь. Его мучили мысли: «Неужели им было все равно? Неужели я недостоин помощи?» Долгие годы этот человек жил с физической болью от полученных травм и с душевной болью от безучастности, с которой он столкнулся. С каким же облегчением он узнал, что дело не в безучастности. Эмоциональное потрясение от самого вида аварии создало чрезмерную нагрузку на базальные ганглии очевидцев. В результате они просто утратили способность двигаться, несмотря на то что, скорее всего, хотели помочь.
Когда базальные ганглии гиперактивны (как это бывает у лиц с повышенной тревожностью), возрастает вероятность того, что для такого человека стрессовая ситуация окажется чрезмерной, а сам он и мысли его замрут. Людей со сниженной активностью базальных ганглиев (как у лиц с синдромом дефицита внимания) именно стрессовая ситуация может подтолкнуть к действию. Именно такие люди первыми оказываются на месте происшествия и довольно бесстрашно реагируют на стрессовую ситуацию. Например, один из моих друзей, страдающий СДВ, в критических ситуациях действует гораздо быстрее, чем я. (Как я уже упоминал в главе 2, у меня врожденная повышенная активность базальных ганглиев.) Помню, однажды мы с ним собирались уходить из кафе и встали к кассе оплатить свой чек, как вдруг стоявшая перед нами женщина рухнула на землю. Мой друг стал быстро оказывать ей помощь, а сам я от неожиданности и стресса застыл без движения. При этом сам-то я — медик, а мой приятель — нет! Раньше из-за неспособности быстро реагировать в подобные моменты я постоянно терзался чувством вины. Впоследствии я с облегчением понял, что действовать быстро в критических ситуациях мне не позволяет мой мозг, точнее, деятельность базальных ганглиев.
Базальные ганглии отвечают и за мелкую моторику, координацию движений, письмо и т. д. Давайте в качестве примера вновь обратимся к синдрому дефицита внимания. У многих пациентов с СДВ, как детей, так и взрослых, ужасный почерк. Им тяжело дается сам процесс письма. Многие взрослые и подростки с СДВ предпочитают писать печатными буквами, поскольку такое действие не требует длительного непрерывного и плавного движения. Многие, страдающие СДВ, жалуются, что им трудно формулировать свои мысли и излагать их на бумаге. Мы знаем, что при СДВ помогают лекарственные препараты — психостимуляторы Ritalin, Dexedrine или Adderall, стимулирующие выработку базальными ганглиями нейротрансмиттера дофамина. После приема этих препаратов нередко наблюдается значительное улучшение почерка и способности письменно излагать свои мысли. Кроме того, сами пациенты рассказывают, что прием этих препаратов в целом улучшает их двигательную координацию. В качестве примера вот два образца почерка одного и того же пациента Томми (14 лет) до и после лечения.
Лучше разобраться в том, за какие моторные функции отвечают базальные ганглии, можно, рассмотрев два заболевания: болезнь Паркинсона и синдром Туретта. Болезнь Паркинсона вызвана дефицитом дофамина в базальных ганглиях. Она проявляется тремором рук, мышечной ригидностью, затрудненными движениями, бедной мимикой, неловкостью и снижением двигательной активности. Часто применение таких препаратов, стимулирующих выработку дофамина, как I-dopa, значительно облегчает эти симптомы, давая больным возможность двигаться легче и более плавно. Базальные ганглии отвечают и за подавление нежелательной двигательной активности. Когда в этой части мозга возникают нарушения, повышается риск развития синдрома Туретта, проявляющегося в сочетании моторных и вокальных тиков. К рассмотрению этого состояния мы еще вернемся.
Основываясь на полученных изображениях мозга, мы видим, что базальные ганглии отвечают за управление организмом в состоянии покоя или за уровень тревожности. Повышенная активность базальных ганглиев часто связана с тревожностью, напряжением, настороженностью и повышенным страхом. Недостаток активности базальных ганглиев вызывает проблемы, связанные с мотивацией, энергетикой и способностью действовать.
Любопытно, что среди лиц с самой высокой степенью мотивации (например, генеральные директора компаний), которые прошли процедуру сканирования, мы отметили высокую активность этой части мозга. Таким образом, мы можем предположить, что в некоторых случаях повышенная активность базальных ганглиев стимулирует мотивацию, благодаря чему эти люди становятся «двигателями» общества. Скажем, моя мать, у которой, как и у меня, активность базальных ганглиев слегка повышена, временами бывает немного тревожна, но при этом она очень активная женщина. Четыре или пять раз в неделю она играет в гольф, без видимого напряжения вырастила семерых детей и вечно хлопочет, делая что-то для других. Я полагаю, что, используя таким образом избыток энергии, образующийся при повышенной активности базальных ганглиев, она тем самым не дает развиться тревожности.
Еще одно любопытное открытие состоит в том, что, по всей видимости, базальные ганглии участвуют в управлении чувством удовольствия. В нью-йоркской лаборатории Brookhaven National Laboratory группа под руководством Норы Волковой исследовала изображения мозга, чтобы понять, на какие центры воздействуют кокаин и Ritalin. Оба вещества поглощаются главным образом базальными ганглиями. К кокаину привыкание развивается, а к Ritalin, в дозах, которые назначаются при СДВ, — нет. Это исследование позволило с уверенностью ответить на вопрос, отчего так происходит. Кокаин сильно увеличивает потребление дофамина тканями мозга. Концентрация этого вещества стремительно возрастает, а затем так же стремительно снижается. Человека, употребляющего кокаин, подхватывает волна удовольствия, но потом она уходит, и тогда ему (или ей) хочется вновь пережить это ощущение. В отличие от кокаина, Ritalin, тоже обеспечивая в базальные ганглии приток дополнительных объемов дофамина, действует мягче, причем после его применения уровень дофамина снижается медленнее. Группа Волковой выдвинула гипотезу, по которой тяга к кокаину вызывается и закрепляется активизацией базальных ганглиев. Ritalin, в свою очередь, повышает мотивацию, способность сосредоточиваться и фокусировать внимание на протяжении длительных отрезков времени, но при этом не вызывает «прихода» и стремления принять его еще. (Мы не рассматриваем случаи, когда человек использует этот препарат в дозах, значительно превышающих используемые в клинической практике.) Таким образом, привыкания не возникает. На самом деле, назначая этот препарат подросткам с СДВ, я нередко сталкиваюсь с тем, что они попросту забывают его принимать.
Сильное любовное чувство воздействует на мозг во многом подобно кокаину, высвобождая мощный заряд дофамина в базальных ганглиях. Любовь на самом деле производит выраженный физический эффект. Как-то раз я сканировал головной мозг своего приятеля Билла вскоре после того, как он познакомился со своей возлюбленной. Он был влюблен в нее, что называется, по уши. После третьего свидания, которое они провели на берегу океана в объятиях друг друга, он пришел ко мне на работу рассказать о своей новой любви. Он был так счастлив, что его состояние напоминало эйфорию. И так уж случилось, что, пока Билл сидел у меня, ко мне зашел наш техник и сообщил, что у нас осталась лишняя доза изотопа, а потому, если мне надо сделать внеплановое сканирование, то такая возможность есть. У меня уже был снимок мозга моего приятеля, который я сделал для контрольной группы, в которой хранятся снимки с нормальной мозговой функцией. И тут я решил сделать ему повторный снимок. То, что я увидел, меня без преувеличения потрясло. Его мозг выглядел так, как если бы он находился под воздействием большой дозы кокаина. Активность базальных ганглиев и слева, и справа была чрезвычайно высокой, почти как во время судорог. Любовь оказывает на мозг такое же мощное воздействие, как наркотические средства.
Базальные ядра: функции, норма и патология
Для того, чтобы организм человека ежедневно выполнял сложнейшие двигательные программы, существуют специализированные структуры головного мозга, такие как мозжечок и базальные ядра, которые находятся в тесной связи с областями коры больших полушарий.
В то время, как мозжечок обеспечивает синхронизацию движений и их одномоментное соответствие требованиям, базальные ядра позволяют организму планировать сложные двигательные программы, а самое главное — их осуществлять. Помимо регуляции движений, подкорковые ядра участвуют в познавательной деятельности мозга, а значит и в формировании эмоций. Именно о них и пойдёт речь в данной статье.
Чтобы лучше понимать механизмы нормальных и патологических процессов, для начала стоит рассмотреть строение подкорковых ядер: их расположение и образование многочисленных связей с таламусом и корковыми областями. С анатомических позиций базальные ядра включают хвостатое ядро, скорлупу, бледный шар и ограду. Указанные четыре ядра составляют полосатое тело. Однако часто используемое понятие «стриатум» включает только два образования — скорлупу и хвостатое ядро. Данные образования располагаются в основном латеральнее таламуса и занимают большую часть внутренних регионов полушарий мозга.
Вся информация, которая поступает в базальные ядра в виде сигналов, распределяется независимо друг от друга по особым параллельным путям обработки информации. Эти пути образуют функциональные круги, которые также являются независимыми и включают в себя различные регионы коры. Поэтому специфическая роль ядер определяется именно той областью коры, которая находится в одном функциональном круге с ядром.
Двигательные возбуждающие сигналы комплекс базальных ганглиев принимает от премоторных зон коры, перерабатывает их и вновь возвращает в кору, но уже в первичную моторную область. «Замысел» движения возникает в премоторной коре, оттуда стриатум получает двигательные команды. Благодаря такой связи базальные ганглии способны «включать» двигательные поведенческие программы еще до их совершения. При этом сами программы в ганглиях уже заложены, и им предстоит только принять решение — к какому действию прибегнуть и прибегать ли вовсе. Выполнение сложных двигательных актов, запускаемых корой, обеспечивается с помощью прямого нервного пути. Его функция заключается в следующем: базальные ядра облегчают действия, задаваемые корой, и подавляют лишние сопутствующие.
Вся информация, которая поступает к базальным ядрам, собирается из нескольких регионов коры. Чувствительные волокна образуют возбуждающие глутаматергические синапсы с нейронами стриатума, которые объединяются в функциональные модули, перерабатывающие информацию однотипными механизмами. Поскольку моторные и сенсорные волокна различаются по характеру информации, передающейся ими с помощью импульса, то и модули, к которым направляются волокна, будут различны. По этой причине пучки волокон, направляющихся к разным модулям, образуют отдельные полоски, из-за которых стриатум получил своё название (лат. corpus striatum — полосатое тело).
Нейроны стриатума в свою очередь образуют ГАМК-ергические синапсы с клетками внутреннего сегмента бледного шара и части черной субстанции (первое последовательное тормозное переключение). Нейроны данных структур образуют тормозные ГАМК-ергические синапсы на переднем и вентральном ядрах таламуса (второе последовательное тормозное переключение), что приводит к постоянному торможению прохождения возбуждения от таламуса к коре. Отростки нейронов ядер таламуса, которые направляются к коре, образуют главные эфферентные глутаматергические пути. Поэтому при угнетении внутреннего сегмента бледного шара и части черной субстанции возбуждающее действие таламуса на кору усиливается, что обеспечивает облегчение выполнения движения.
Поскольку передача информации между структурами головного мозга обеспечивается химическими рецепторами, вопрос о постоянном синтезе медиатора является особенно важным. Роль поставщика биологически активных веществ в данном случае играет черная субстанция, получившая свое название из-за пигмента — нейромеланина, который придает ей соответствующую окраску. Черная субстанция вырабатывает дофамин, который работает как возбуждающий нейромедиатор и также служит важной частью «системы поощрения» мозга.
На нейронах прямого пути локализованы возбуждающие дофаминовые рецепторы типа Д1, благодаря чему химические сигналы от черной ситуации возбуждают этот путь. От того, в каком соотношении будут находиться концентрации дофамина и глутамата, зависят фазический и тонический компоненты движений человека. При преобладании дофамина происходит усиление фазического, быстрого компонента движения, при преобладании глутамата, ацетилхолина и ГАМК — тонического , медленного компонента. Вместе с усилением фазического компонента возрастает и скорость движений, однако происходит снижение тонуса.
Для поддержания нормального функционирования двигательных систем необходимо соблюдение как анатомической целостности путей, так и поддержание определенного уровня медиатора. Соответственно, поражение структур или избыток/недостаток нейромедиатора влекут за собой серьезные последствия. При поражении базальных ядер возникают расстройства двигательной активности — дискинезии (гипокинезы или гиперкинезы) и изменения мышечного тонуса (гипотония или ригидность мышц). При функциональных нарушениях бледного шара наблюдаются спонтанные и, часто, постоянные волнообразные движения кисти, руки, шеи или лица. Такие движения называют атетозом.
Поражение субталамического ядра (также относится к базальным ганглиям) ведет к возникновению размашистых движений всей конечности. Такое состояние называют гемибаллизмом. Множественные мелкие поражения в скорлупе ведут к появлению быстрых подергиваний в кистях, лице и других частях тела, что называется хореей. Поражения черной субстанции ведут к распространенному и чрезвычайно тяжелому заболеванию, связанному с акинезией и тремором. Это заболевание известно как болезнь Паркинсона.
Основными клиническими проявлениями болезни Паркинсона являются гипокинезия и мышечная ригидность. Гипокинезия проявляется в очень медленном совершении активных двигательных действий: начало двигательного акта затруднено, отсутствует содружественное движение верхних конечностей — синкинезия, при ходьбе они неподвижны (ахейрокинез). Мышечная ригидность является своеобразным сопротивлением пассивным движениям, появляется не только в начальной фазе движения, но и во всех последующих фазах растяжения мышц. Конечность как бы застывает в той позе, которую ей придают.
Помимо вышеописанных проявлений, также наблюдается маскообразное лицо — амимичное, с неподвижным взглядом, редким миганием, иногда отсутствующим в течение нескольких минут, бледной жестикуляцией. Гипокинезия и ригидность могут наблюдаться изолированно, но к ним нередко присоединяется гиперкинез в виде тремора пальцев кисти (по типу счета монет), подбородочной области и нижних конечностей. Несмотря на то, что тремор является одним из клинических признаков паркинсонизма, его патогенез так и остается неясным. Хотя с точки зрения неврологии, в отличие от других двигательных признаков, тремор имеет точные электрофизиологические характеристики (частота, фаза и мощность).
Целью различных клинических испытаний является нахождение взаимосвязи между тремором и дофамином. Однако было выяснено, что изменения характеристик тремора в ответ на действие дофаминергических препаратов достаточно вариабельны. Эти уникальные особенности тремора и новые методы нейровизуализации способствуют возникновению новых исследований в области изучения этой патологии.
В статье Helmich R.C., посвященной церебральным основам возникновения паркинсонического тремора, подробно рассматриваются гипотезы его возникновения вследствие усиления взаимодействия между подкорковыми ядрами и мозжечково-таламо-кортикальной цепью. Обычно усиление этих связей обуславливается увеличением количества дофаминергических рецепторов в ядрах из-за воздействия различных факторов (например, психологический стресс).
Также авторами статьи подробно рассматриваются модели, которые помогают понять патогенез тремора. Одним из примеров может служить «dimmer-switch» модель, согласно которой церебральная активность, связанная с тремором при паркинсонизме, сначала возникает в базальных ядрах, а затем усиливается и распространяется на мозжечково-таламо-кортикальный контур (распространение обеспечивается активацией возбуждающих синапсов).
Помимо всем известной функции базальных ядер, заключающейся в контроле двигательной активности, существуют также менее изученные, но не менее интересные «обязанности» у данных подкорковых структур.
В своей статье Lukas Maurer с коллегами предложил концепцию, описывающую нарушения «цепей мозга» для объяснения множества психоневрологических заболеваний. Заболевания характеризуются патологическими изменениями в структуре нейронных сетей, включая изменения в осцилляторной сигнализации корково-подкорковых цепей в системе базальных ядер. Часть этих цепей играет значительную роль в поддержании энергетического баланса организма. Поэтому статья посвящена взаимосвязи между ожирением и изменениями в осцилляторной сигнализации лимбических кортико-базальных цепей.
Ученые проводили многократную электрофизиологическую запись потенциалов действия на мембранах нейронов этой кортико-базальной цепи. Подопытными стали живые крысы, находящиеся под уретановой анестезией, которых перед исследованием в течение четырёх недель кормили в соответствии с HFD (диета с высоким содержанием жиров). Регистрация потенциалов проводилась как при отсутствии внешнего стимула, так и при воздействии глюкозы. Анализ полученных данных демонстрирует повышенную бета-активность в NAC — nucleus accumbens (прилежащее ядро), связанную с пониженной когерентностью между этим ядром и корой у животных, соблюдавших HFD.
Таким образом, можно сделать вывод, что спонтанная бета-активность строго коррелирует с эндокринными показателями ожирения. Однако проба с глюкозой увеличивала бета-активность у тех животных, которые не соблюдали HFD. Причём интравентрикулярное введение инсулина также увеличивало активность NAC. Благодаря исследованию удалось подтвердить гипотезы о наличии корреляции между лимбической кортико-базальной петлей, ожирением и уровнем сывороточного инсулина. Поэтому можно рассматривать резистентность к инсулину и ожирение как следствия осцилляторных нарушений в клетках лимбической кортико-базальной цепи.
Эта цепь играет мозга, которая отвечает за обработку информации, связанной с потреблением пищи и наградой. Кроме того, она неразрывно связана с гипоталамическими областями среднего мозга, которые регулируют гомеостатические функции организма. При сравнении двух пациентов, у индивидуума с ожирением наблюдалась повышенная активность кортико-базальных структур во время ожидания пищи и снижение этой активности при получении «награды». В соответствии с этим ожирение можно рассматривать как нервно-психическое расстройство, сходное с наркоманией, поскольку оно также основано на зависимости, только в данном случае — пищевой.
Рассмотрев две совершенно разные функции базальных ядер, можно сделать вывод о том, насколько сложна и запутанна природа любой структуры головного мозга. Но именно такая сложность будет и далее привлекать человека, стремящегося познать новое.
Источники:
- Helmich R. C. The cerebral basis of Parkinsonian tremor: A network perspective //Movement Disorders. – 2021.
- Maurer L. et al. High-fat diet-induced obesity and insulin resistance are characterized by differential beta oscillatory signaling of the limbic cortico-basal ganglia loop //Scientific Reports. – 2021. – Т. 7. – №. 1. – С. 15555.
- Ерофеев Н. Физиология центральной нервной системы: учебное пособие. – Litres, 2021.
- Гайтон А. К., Холл Д. Э. Медицинская физиология. – Logobook. ru, 2008.
Роль базальных ганглиев и мозжечка в регуляции движений.
Составными компонентами базальных ганглиев являются хвостатое ядро и скорлупа, которые вместе образуют полосатое тело (неостриатум), бледный шар (паллидум), ограду (клауструм).
Система базальных ганглиев связана с черной субстанцией среднего мозга и субталамическим ядром. Вход в систему базальных ганглиев осуществляется из ассоциативной коры к нейронам полосатого тела. Кора оказывает активирующее влияние на полосатое тело (медиатор глутаминовая кислота). Полосатое тело связано с бледным шаром. Из бледного шара информация поступает в вентролатеральный таламус (моторные ядра таламуса), а от них в моторную кору. Полосатое тело оказывает угнетающее действие на бледный шар. Бледный шар — это хранилище программ медленных стереотипий осевой мускулатуры. Черная субстанция оказывает тормозящее влияние на полосатое тело (медиатор дофамин). Таким образом, система базальных ганглиев не получает афферентных входов от рецепторов скелетных мышц и не связана непосредственно со скелетными мышцами.
Функции базальных ганглиев
1. На основе базовых программ участвуют в формировании медленных стереотипных движений.
2. Участвуют в мотивационном поведении.
3. Участвуют в смене цикла сон — бодрствование коры.
4. Участвуют в формировании условных рефлексов.
Нарушения функции базальных ганглиев
1. Акинезии — трудно начать движение и трудно его закончить, ригидность — длительное сохранение позы, тремор покоя, лицо в виде маски, скованная походка.
2. Гиперкинезы — навязчивые неуправляемые движения.
Познотонические рефлексы по Магнусу.
Исследования роли ствола мозга в регуляции мышечного тонуса и позы тела проводились на таламических кошках, т. е. перерезка проводилась выше уровня промежуточного мозга. В возникновении рефлексов участвуют рецепторы вестибулярного аппарата, проприорецепторы мышц, суставов и связок области шеи, механорецепторы кожи. Сигналы от этих рецепторов поступают к ядрам ствола мозга — красному, ядру Дейтерса, ядрам ретикулярной формации.
1. Статические рефлексы — это рефлекторное перераспределение мышечного тонуса при изменении положения головы относительно тела. Наблюдаются при движениях без ускорения, т. е. стоянии, сидении, лежании. Функция: поддержание равновесия при изменении положения головы в пространстве. Делятся на две группы: рефлексы положения (позно-тонические) и рефлексы выпрямления.
а) Рефлексы положения: шейные тонические — при изменении положения головы и возбуждении рецепторов шеи происходит изменение тонуса мышц передних и задних конечностей:
— поворот головы в сторону приводит к повышению тонуса мышц экстензоров на стороне поворота и флексоров на контралатеральной стороне;
— при наклоне головы вниз происходит повышение тонуса флексоров передних конечностей и экстензоров задних конечностей;
— при наклоне головы назад передние конечности выпрямляются (повышение тонуса экстензоров), задние сгибаются (повышение тонуса флексоров);
— в положении лежа на спине активируются разгибатели, сгибатели тормозятся;
— в положении лежа на животе активируются сгибатели, тормозятся разгибатели.
б) Выпрямительные рефлексы проявляются при изменении позы тела. Развиваются последовательно:
— установка головы теменем вверх, глаза по линии горизонта;
— выпрямление туловища;
— установка конечностей (перераспределение тонуса).
2. Статокинетические рефлексы развиваются при действии угловых ускорений. Вращение туловища или головы приводит к активации рецепторов полукружных каналов и вращению головы и глаз в сторону, противоположную вращению. Имеют значение для сохранения ориентации в пространстве.
При действии линейных ускорений активируются рецепторы отолитового аппарата. Влияние этой афферентации можно увидеть в так называемых лифтных рефлексах:
а) при движении лифта вниз повышается тонус экстензоров;
б) при движении лифта вверх повышается тонус флексоров.
Эти рефлексы участвуют в сохранении равновесия при беге и прыжках.
