Анатомические особенности. Базальные ганглии, или базальные ядра, – это скопление серого вещества мозга в толще белого вещества полушарий большого мозга (преимущественно в лобных долях). Их называют подкорковыми ядрами основания конечного мозга. В настоящее время к базальным ядрам в каждом полушарии относят полосатое тело (corpus striatum), которое включает хвостатое ядро (nucleus caudatus), чечевицеобразное ядро (nucleus lentiformis), ограду (claustrum) и миндалевидное тело (corpus amygdaloideum). Хвостатое ядро состоит из головки, тела и хвоста. Чечевицеобразное ядро, которое расположено кнаружи от хвостатого ядра, состоит из трех ядер, разделенных небольшими прослойками белого вещества. Это латеральное ядро – скорлупа (putamen), и еще два медиально расположенных ядра – медиальный бледный шар и латеральный бледный шар (globus pallidus medialis et lateralis). Ограда расположена кнаружи от чечевицеобразного ядра. Миндалевидное тело находится в толще височной доли в области височного полюса (его некоторые авторы относят к структурам архипалеокортекса). Функционально к базальным ядрам относят черную субстанцию среднего мозга.
Ранее термином «базальные ганглии» обозначали структуры переднего мозга: хвостатое ядро, скорлупу чечевицеобразного тела, или просто скорлупу, бледный шар и субталамическое ядро, а также расположенную в среднем мозге черную субстанцию. При этом под термином «полосатое тело» (неостриатум) понимали хвостатое ядро и скорлупу, а под термином «стриопаллидарная система» – полосатое тело вместе с бледным шаром (паллидум, или палеостриатум). Заметим, что в 19 столетии понятием «базальные ганглии» обозначали все серые образования, находящиеся в подкорке, включая таламус и и гипоталамус.
В эволюции структуры базальных ядер развивались постепенно. Бледный шар (паллидум) считается более древним образованием (палеостриатум), чем скорлупа и, особенно хвостатое ядро. Он содержит преимущественно крупные нейроны двигательного типа, аксоны которых направляются к ядрам ретикулярной формации, таламусу, гипоталамусу, мозжечку, к черной субстанции среднего мозга.
В эмбриональном периоде скорлупа и хвостатое ядро возникают как единое образование конечного мозга, которое разделяется на две структуры лишь в процессе индивидуального развития. Хвостатое ядро и скорлупу принято называть неостриатумом. Эти образования хорошо развиты у приматов. Они имеют сходное гистологическое строение. В этих структурах содержатся нейроны, обладающие различной фармакологической реактивностью. Среди них выделяют мелкие нейроны с короткими аксонами и крупные нейроны с длинными аксонами, которые выходят за пределы неостриатума. Крупных нейронов в 20 раз меньше, чем мелких. Это свидетельствует о том, что неостриатум воспринимает гораздо больше сигналов, чем передает. В целом, полагают, что хвостатое ядро и скорлупа, как эволюционно более молодые структуры, тормозят активность палеостриатума, т.е. бледного шара, что, вероятно, осуществляется с участием крупных нейронов.
Ограда состоит из полиморфных клеток. В отделах, прилегающих к коре, эти клетки напоминают клетки коры, в более глубоких слоях – это треугольные, мультиполярные, пирамидные нейроны. В левом полушарии размеры ограды несколько больше, чем в правом. У низкоорганизованных животных (мыши, ежи) ограда тесно связана с корой островка. Некоторые считают, что ограда морфологически аналогична IV и V слоям коры.
Афферентные связи базальных ядер. Считается, что афферентным входом базальных ядер является неостриатум, т.е. хвостатое тело и скорлупа. Выделяют три основных входящих потока афферентации. Первый (ретикулоталамостриарный путь) несет сенсорную информацию от таламуса. Второй поток афферентации идет от среднего мозга (преимущественно от черной субстанции), а третий (кортико-стриарный путь) – от коры больших полушарий, в том числе от сенсорных зон коры, от двигательных зон (пирамидная и экстрапирамидная кора), от передней ассоциативной области, а также от поясной извилины. Представительства зон коры в неостриатуме имеют хорошо очерченные соматотопические проекции. Например, передние области мозга связаны с головкой хвостатого ядра.
Эфферентные и внутрибазальные связи базальных ядер. Установлено, что бледный шар является основной структурой базальных ядер, от которой идут эфферентные пути практически со всеми отделами центральной нервной системы. Многочисленные связи бледного шара, в том числе с таламусом, скорлупой, хвостатым ядром, средним мозгом, гипоталамусом и соматосенсорной системой коры свидетельствуют об его участии в организации простых и сложных форм поведения.
От неостриатума, т.е. хвостатого ядра и скорлупы, также идут многочисленные пути. Самый мощный из них – это путь к бледному шару, посредством которого неостриатум также связан практически со всей ЦНС. Кроме того, от неостриатума идут прямые пути к черной субстанции, к красному ядру, к вестибулярным ядрам, к ограде, к медиальной группе ядер таламуса, к мозжечку, а также к спинному мозгу (к гамма-мотонейронам). Не исключено наличие прямых путей к коре больших полушарий, хотя основная часть информации от хвостатого ядра и скорлупы к коре проходит последовательно через бледный шар и таламус. В целом, между неостриатумом и корой больших полушарий имеется замкнутый круг связей: неостриатум – бледный шар – таламус – кора полушарий головного мозга – неостриатум.
Особый интерес представляют связи неостриатума с черной субстанцией, так как нарушение этих связей приводит к развитию патологии (например, болезни Паркинсона). Взаимодействие черной субстанции и хвостатого ядра основано на прямых и обратных связях между ними. Так, показано, что стимуляция хвостатого ядра усиливает активность нейронов черной субстанции. С другой стороны выявлено, что стимуляция черной субстанции увеличивает содержание дофамина в хвостатом ядре, а разрушение черной субстанции снижает его. Показано, что дофамин синтезируется в клетках черной субстанции, а затем со скоростью 0,8 мм/ч транспортируется к синапсам нейронов хвостатого ядра. При недостатке дофамина в хвостатом ядре (например, при дисфункции черной субстанции) бледный шар растормаживается, активизирует спинно-стволовые системы, что приводит к двигательным нарушениям в виде ригидности мышц (болезнь Паркинсона).
В отношении ограды известно, что она образует двусторонние связи с различными долями коры больших полушарий головного мозга, с обонятельными луковицами, с черной субстанцией среднего мозга, со скорлупой, хвостатым ядром, миндалевидным комплексом, таламусом и бледным шаром. Это указывает на то, что ограда играет какую-то важную функцию, в том числе в регуляции движений. Но в целом, вопрос, касающийся функций ограды, остается открытым.
Общее представление о двигательных функциях базальных ядер. Считается, что базальные ядра совместно с черной субстанцией регулируют двигательные автоматизмы, обеспечивают нормальное распределение тонуса и адекватную динамику движения. Одной из основных функций базальных ядер, по мнению многих исследователей, является их участие в формировании двигательных программ. В частности, предполагается, что базальные ядра, подобно мозжечку, используются в качестве системы, в которой уточняется программа выполнения сложных движений (автоматизмов и произвольных движений). Иначе говоря, базальные ядра, подобно мозжечку, рассматриваются как составная часть экстрапирамидной системы. При этом полагают, что для формирования двигательной программы информация от ассоциативных участков коры, т.е. от мест, где зарождается «замысел» движения (параллельно потоку информации к мозжечку), поступает к неостриатуму, т.е. к хвостатому ядру и скорлупе. От неостриатума информация идет по двум каналам: 1) к черной субстанции, от которой она возвращается к неостриатуму (дофаминергический путь) и одновременно идет через таламус к двигательной коре больших полушарий; 2) информация от неостриатума поступает к бледному шару, а от него через таламус достигает двигательной коры. Таким образом, вся информация, поступающая к двигательной коре от неостриатума, бледного шара и черной субстанции, идет через таламус. Поступив в двигательную кору, информация (т.е. уточненная программа действия), используется для управления движением. С этой целью двигательная кора посылает к мышцам двигательные команды по пирамидному и экстрапирамидному путям к альфа-мотонейронам спинного мозга. При нарушении всех описанных выше связей происходят изменения в двигательной сфере человек
Имеются сведения о том, что от черной субстанции идут также нисходящие пути к гамма-мотонейронам спинного мозга и (или) к клеткам Реншоу, благодаря чему черная субстанция способна непосредственно контролировать активность альфа-мотонейронов спинного мозга. Не исключается, что и бледный шар имеет прямой выход к структурам ствола мозга, в частности – к ретикулярной формации, а от нее – к ретикулоспинальному пути. Но эти влияния, вероятно, не имеют решающего значения в процессах управления движением. Итак, путь «ассоциативная кора – неостриатум – бледный шар (и параллельно – черная субстанция) – таламус – двигательная кора» играет важную роль в процессах управления движением
Рассмотрим более подробно сведения об участии неостриатума, черной субстанции и бледного шара в процессах управления движением.
Двигательгные функции неостриатмума (хвостатого ядра и скорлупы). Наличие и обилие сложных связей хвостатого ядра и скорлупы с различными мозговыми структурами, начало связей между ними со стороны неостриатума и окончание данных связей на нем же свидетельствует о крайне важной роли неостриатума в организации и контроле реакций организма.
В настоящее время сделан вывод о том, что хвостатое ядро и скорлупа осуществляют тормозный контроль над поведенческими реакциями организма. В частности, неостриатум осуществляет тормозной контроль за деятельностью бледного шара, в результате чего достигается максимальная точность и экономичность совершаемых двигательных актов. Так, в экспериментах на животных показано, что при раздражении хвостатого ядра происходит мгновенная остановка начавшихся пищедобывающих, ориентировочных и других поведенческих реакций. Животное, по образному выражению Дельгадо, «застывает в своем движении» как если бы кинолента с движущимся изображением была остановлена.
Значение неостриатума отчетливо выявляется при сравнении поведения стриарных и таламических кошек (т.е. с сохраненными базальными ядрами и без них соответственно). Таламические кошки, в отличие от стриарных, не могли самостоятельно умываться, находить и поедать пищу, выполнять другие более сложные движения. При поднесении таламической кошке пищи ко рту, животное облизывает ее, но не захватывает в рот, жует, но не глотает, хотя при помещении пищи на корень языка – глотает. Все это связано с тем, что таламические кошки имели повышенную двигательную активность, которая носила хаотичный и непоследовательный характер. Эти данные говорят о том, что одна из важных функций неостриатума состоит в обеспечении необходимой последовательности реакций при реализации сложных безусловных рефлексов.
Эффекты повреждения хвостатого ядра. При различных способах (включая химические) повреждения хвостатого ядра у животных отмечаются расстройства движений. Наблюдается безудержное стремление двигаться вперед (при двухстороннем разрушении) или манежные движения (при одностороннем повреждении), нарушение (у собак) координации движений, последовательности движений конечностей. Кроме того, усиливается (у обезьян и других животных) общая двигательная активность, но нарушаются тонкие движения пальцев.
У людей поражение неостриатума т.е. скорлупы и хвостатого ядра, а также разрушение его связей с бледным шаром и субталамическим ядром приводит к выраженной гипотонии и гиперкинезам. Гиперкинезы проявляются в таких явлениях как атетоз (медленные тонические червеобразные движения дистальных отделов конечностей, например, пальцев рук), хорея (быстрые, излишние движения конечностей, языка, лица, мягкого неба; они проявляется тем, что пациенты гримасничают, причмокивают, прищуривают глаза, вытягивают губы, а их походка напоминает своеобразный танец), торсионный спазм, или торсионная дистоция (медленные, вычурные вращательные, или штопорообразные, движения туловища), спастическая кривошея, баллизм, или гемибаллизм (размашистые движения, преимущественно в проксимальных отделах конечностей одной половины тела). Полагают, что эти явления возникают из-за того, что неостриатум перестает оказывать тормозное влияние на бледный шар и черную субстанцию, что и приводит к непроизвольным движениям. Отметим, что появление гиперкинезов типа торсионного спазма и хореи связывают с изолированным или преимущественным поражением скорлупы. Эффективное лечение гиперкинезов достигается в отдельных случаях разрушением бледного шара, а также путей, идущих от него к таламусу или от таламуса к коре.
Эффекты электрического раздражения хвостатого ядра. У животных (кошек, собак, обезьян) в ответ на раздражение хвостатого ядра возникают сложные движения поведенческого характера (и тем сложнее, чем выше на эволюционной лестинице находится животное). Это объясняется наличием в неостриатуме механизмов сложнейших биологических реакций и двигательных программ. Например, у рыб стимуляция неостриатума вызывает неспециализированные реакции типа оборонительных. У птиц при этом возникают разные виды ориентировочных, оборонительных и пищевых реакций, у млекопитающих – ориентировочные, поисковые, пассивно-оборонительные, позно-тонические, пищевые реакции, настороженность. При этом не исключается, что в основе возникновения двигательных реакций при раздражении хвостатого ядра и скорлупы лежит активация путей, несущих импульсы к вестибулярным ядрам ствола мозга. Однако у обезьян раздражение хвостатых ядер вызывает в основном реакции тормозного типа. С другой стороны показано, что и у животных раздражение хвостатого ядра тормозит движение, вызванное раздражением коры, тормозит выполнение произвольных движений (например, прыжков у кошки), а также угнетает пищевые реакции и агрессивное поведение. У человека во время нейрохирургических операций при раздражении хвостатого ядра помимо нарушения восприятия окружающих событий и процессов памяти, происходит остановка речи и выпадение повторных движений. Регистрация электрической активности мозга показывает, что удаление хвостатого ядра сопровождается усилением электрической активности бледного шара, а раздражение хвостатого ядра снижает эту активность.
В целом, имеющиеся данные позволяют считать, что у хвостатого ядра имеется две функции – тормозная (основная) и возбуждающая. Благодаря этому хвостатое ядро обеспечивает переход одного вида движения в другое, т. е. прекращение одного движения и обеспечение нового путем формирования установочных изолированных движений. Очевидно, что, осуществляя тормозное действие, хвостатое ядро (на основе механизмов оперативной памяти) создает условия для перехода одного действия к другому.
Особенности участия скорлупы в процессах управления движениями. Не исключено, что функции скорлупы в определенной степени отличаются от функции хвостатого ядра. Например, у животных изолированное повреждение хвостатого ядра сопровождается повышением агрессивности и двигательной активности, в то время как повреждение скорлупы не вызывает этого явления. Полагают, что такая особенность в деятельности скорлупы связана с ее более ранним появлением в филогенеза (впервые она появляется у рыб) по сравнению с хвостатым ядром, которое возникает в тот период, когда у организма возникла необходимость тормозить излишнюю двигательную активность (например, при пищевом и половом поведении) и агрессивность.
Роль бледного шара и черной субстанции в регуляции движений. В настоящее время данные о функциях этих структур, особенно бледного шара, малочисленны, хотя распространенность болезни Паркинсона, которая является следствием нарушения деятельности бледного шара и черной субстанции, во всем мире очень высокая.
В экспериментах на животных показано, что раздражение бледного шара приводит к сокращению мышц конечностей и туловища, а также к включению контроля (возбуждающего и тормозного) гамма-мотонейронов спинного мозга. Кроме того, электростимуляция бледного шара провоцирует ориентировочную реакцию, движения конечностей, пищевое поведение (обнюхивание, жевание, глотание и т. д.). Разрушение бледного шара вызывает гиперкинезы, развивающиеся на фоне гипотонуса.
Выше уже приводились данные о том, что черная субстанция, связанная с хвостатым ядром двусторонними связями, а также с бледным шаром, содержит дофаминергические нейроны. В настоящее время показано, что нарушение функций этих нейронов приводит к формированию так называемого акинетико-ригидного синдрома, или болезни Паркинсона. При этой болезни наблюдаются такие явления как гипокинезия (вплоть до акинезии), мышечная гипертония, или ригидность (равномерное повышение тонуса во всех группах мышц, что получило название «вязкий тонус»), а также тремор головы и конечностей, усиливающийся при движении. Акинизия проявляется в маскообразности лица, в скованности движений, в нарушении содружественных движений рук при ходьбе («кукольная походка»), в исчезновении вспомогательных и реактивных движений при вставании, в сложности и длительности начала и завершения движений (симптом пропульсии). Кроме того, при повреждении бледного шара у людей наблюдаются крайне замедленные двигательные реакции на раздражение, монотонность речи, а также миоклония, т.е. быстрые подергивания отдельных мышечных групп или отдельных мышц рук, спины, лица.
Значение дофаминергических нейронов в патогенезе болезни Паркинсона доказывается успешностью лечения таких пациентов введением им L-Дофа, который является предшественником дофамина. Проходя через гематоэнцефалический барьер к тканям мозга, L-Дофа превращается в дофамин и тем самым восстанавливает функции дофаминергических нейронов. Еще раз напомним, что именно за цикл работ, касающихся изучения функций дофаминергических нейронов черной субстанции, Нобелевская премия 2000 года была присуждена шведскому ученому Арвиду Карлссону.
Таким образом, очевидно, что нарушение потока информации по кольцу «ассоциативная кора – неостриатум – черная субстанция – бледный шар – таламус – двигательная кора» приводит к значительному нарушению процессов управления движением.
Представленные данные, таким образом, дают основание считать, что черная субстанция как структура среднего мозга, участвуя в координации акта жевания и глотания, одновременно регулирует пластический тонус, а совместно с базальными ядрами – регулирует тонус мимических мышц и мышц верхних конечностей, обеспечивающих точные, мелкие движения пальцев рук, например, при письме.
Роль ограды в регуляции движений. Небольшие размеры этого образования до настоящего времени не позволяют точно говорить о роли ограды в регуляции движений. Обширные связи ограды с малой привязанностью к какой-либо определенной системе предполагают наличие каких-то сложных интегрирующих функций. Однако в литературе чрезвычайно мало работ по этому вопросу. Предполагается, что ограда участвует в организации речевой деятельности, влияет на организацию движений и ориентацию. В экспериментах показано, что электростимуляция ограды оказывает облегчающее влияние на нейроны спинного мозга, а также (в опытах на кошках) вызывает ориентировочную реакцию на различные раздражители, поворот головы, глотательные, жевательные, а иногда и рвотные движения. Стимуляция ограды во время еды тормозит поедание пищи.
Итак, представленные данные говорят о том, что базальные ядра являются интегративными центрами организации моторики.