Структурная организация моторного контроля

Основными звеньями системы регуляции моторного поведения являются сенсомоторная кора, мозжечок, красное ядро и система стриатума. Каждая из этих структур имеет свою специфику в анализе периферической афферентации и формировании моторной команды, которая реализуется через кортикоспинальную и другие нисходящие системы мозга.

Сокращения: АЦХ - ацетилхолин; ВПСП - возбуждающий постсинаптический потенциал; ДА - дофамин; РЯТ - ретикулярное ядро таламуса; СТЯ - субталамическое ядро; ТПСП - тормозной постсинаптический потенциал; AMPA-рецептор - рецептор а-амино-3-гидрокси-5-мутил-4- изоксазолпроприониловой кислоты; CNBD (cyclicnucleotide - bindingdomain) - локус субъединицы канала, связывающий вторичный посредник; HCN - название субъединицы канала соответствует укороченной аббревиатуре полного названия канала: hyperpolarization-activated cyclic nucleotide- gatedchannel; I_Ca2+_T - низкопороговый Ca²+-канал T-типа; І_ь-канал - активируемый гиперполяризацией регулируемый вторичными посредниками канал; NMDA-рецептор - рецептор ^метил^-аспартата.

регуляции моторного поведения также можно отнести четверохолмие, дающее начало тектоспинальной системе и формирующее, в частности, старт-рефлекс на внезапные зрительные и слуховые раздражения, и ретикулоспинальную систему, являющуюся одним из основных непирамидных нисходящих выходов.

Согласно классическим представлениям (Allen, Tsukahara, 1974; Komhuber, 1974), план движения возникает в ассоциативных областях коры и реализуется через мозжечок, формирующий программу быстрых движений, и базальные ганглии (для медленных движений) и моторную кору. Существенная роль отводится кортико-мозжечковым петлям. При этом считалось, что моторная кора контролирует спинальные мотонейроны по принципу «точка в точку», как система «высших мотонейронов» (Phillips, Porter, 1977; Porter, Lemon, 1993).

Современные исследования существенно изменили эти представления. Показано, что активность нейронов моторной коры коррелирует с разными параметрами движения, включая скорость, силу (Evarts, 1968), направление (Georgopoulos et al., 1982, 1992) движения в суставах, конечное положение конечности (Aflado, Graciano, 2007). Микростимуляция моторной коры может вызывать сложные движения (Gratiano et al., 2002). Предполагается, что моторная система использует метод «оптимального контроля» множества параметров при выполнении каждого конкретного движения (Todorov, Jordon, 2002). Показано участие моторной коры в контроле позы (Иоффе, 1991; Beloozerova et al., 2005) и в обучении новой позе (Ioffe et al., 1988, 2006).

Существенную роль играет пластичность и изменение функций разных отделов моторной коры и других структур в процессе обучения и при компенсации мозговых повреждений (Nudo et al., 1996, 2001; Plautz et al., 2000; Sanes, Donoghue, 2000; Hallett, 2001). Показано, что при обучении в моторной коре происходит активный синаптогенез (Kawato, Wolpert, 1998).

Мозжечок играет существенную роль в моторном программировании. Латеральный мозжечок получает информацию о плане движения от ассоциативных областей коры и формирует программу движения, которая через зубчатые ядра и ядра таламуса передается на премоторную и моторную кору, где формируется нисходящая моторная программа, копия которой через нижнюю оливу поступает в промежуточную и медиальную области мозжечка, где она сравнивается с афферентной информацией. Корректирующий сигнал передается на спинной мозг через соответствующие ядра мозжечка, красное ядро и вестибулярные ядра. Через последние мозжечок участвует в контроле позы и равновесия. Показана также роль мозжечка в позной подготовке к движению (Diener et al., 1990; Diedrichsen et al., 2005) и в организации ритмических движений (Аршавский и др., 1984).

Роль мозжечка в обучении была теоретически обоснована Г.С. Бриндли, Д. Марром и Дж.С. Олбусом (Brindley, 1964; Marr, 1969; Albus, 1971) и затем показана экспериментально в ряде исследований (Sasaki, Gemba, 1983; Llinas, Welsh, 1993; Houk et al., 1996; Thach, 1996; Ito, 1978, 1984, 2000).

Считается, что мозжечок формирует внутреннюю модель тела и объектов окружающей среды (Gomi, Kawato, 1996; Kawato, Wolpert, 1998; Imamizu et al., 2000), которая используется в процессе обучения. Согласно «вычислительной гипотезе обучения» (Doya, 1999, 2000), существует три вида обучения - обучение «с учителем», т.е. по обратной связи (supervised learning), обучение по подкреплению (reinforcement learning) и обучение по ассоциации (unsupervised learning).Мозжечок играет существенную роль в обучении по обратной связи, оценивая текущую ошибку движения, тогда как функция базальных ганглиев связана, в основном, с выбором реакции для достижения максимума подкрепления (reinforcement learning). Моторная кора, согласно этой гипотезе, вовлечена в обучение по ассоциации. Показано, однако, что мозжечок, базальные ганглии и моторная кора вовлечены «в обучение с учителем» (supervised learning) в ситуации обучения произвольному контролю положения центра тяжести по зрительной обратной связи (Ioffeetal, 2006).

Базальные ганглии, и в частности дофаминергическая система среднего мозга, привлекают наибольшее внимание в аспекте настоящей работы. Согласно современным представлениям, важную роль в функциях базальных ганглиев играет, во-первых, дофаминергический вход из компактной части черной субстации, нейроны которой, как и дофаминергические нейроны вентральной тегментальной области, реагируют на награду в ситуации обучения (Schultz, 1998), и, во-вторых, сложная организация выхода из стриатума (прямой и непрямой пути), обеспечивающая выбор реакции («принятие решения») и торможение ненужных движений (Redgrave et al., 1999; Hikosaka et al.,2000; Houk,2001).Стриатум получает также билатеральный кортикальный вход через нейроны переднего мозга и ипсилатераль- ный вход через коллатерали пирамидных нейронов (Ballionetal, 2008).

Базальные ганглии являются частью экстрапирамидной системы мозга, участвующей в моторном контроле. Центральной структурой базальных ганглиев является стриатум, состоящий из трех ядер. Прилежащее ядро, или nucleusaccumbens, относят к вентральному стриатуму (Mink, 2003). Nucleus caudatus, или хвостатое ядро, и рutamen, или скорлупа, относятся к структурам дорзального стриатума и составляют неостриатум.

КОР А МОЗГА

СТРПАТYM

гър

D.P

Г AJNIK 1

IAlYlK ■ НеПрЯМОЙ

Энкеф.Ij-Jy_rb

ГПвне

ЧСкч

ГАМК

С'уб-P

Дин

■ Прямой I Путь

ТАЛАМУС

РЯТ

I IIb I ^tI( J)M

ЭПОС M

СТВОЛ МОІГ11

Спинной мозг

Рис. 1. Связи дорзального стриатума

Сплошные линии - глютаматные связи (активирующие), крупные пунктирные линии - ГАМК-свя- зи (тормозные), мелкий пунктир - дофаминовые связи. ГПвн - globus pallidus внешний. ЧСкч - черная субстанция, компактная часть.

95% всех нейронов дорзального стриатума - это ГАМКергические средние звездчатые нейроны. Остальные 5% - это интернейроны: большие незвездчатые нейроны составляют 1-2% клеточной популяции стриатума. Они используют ацетилхолин как медиатор. Третий тип нейронов - это средние незвездчатые нейроны. Это также интернейроны, они используют соматостатин как передатчик. Четвертый тип нейронов - это маленькие незвездчатые нейроны, которые используют ГАМК как медиатор (Hikosakaetal, 2000; Mink, 2003). Всего интернейронов 5%, что очень мало для функционирования локальной сети. Нехватка интернейронов в дорзальном стриатуме компенсируется специальным строением аксонов и дендритов средних звездчатых нейронов стриатума, что позволяет им участвовать в функционировании локальной сети. Одиночный аксон средних звездчатых нейронов дорзального стриатума, идущий к нейронам паллидума и ретикулярной части черной субстанции, обладает коллатералями у самого основания аксона; они иннервируют дендритное дерево собственного и соседних средних звездчатых нейронов (Mink, 2003). Следовательно, средние звездчатые нейроны сами участвуют в локальной обработке информации дорзальным стриатумом, используя ГАМК как медиатор.

Иерархические сети дорзального стриатума имеют специфическое строение. Стриатум получает возбудительный вход практически от всех областей коры головного мозга (см. рис. 1). Корковый вход использует глутамат как собственный медиатор и заканчивается в значительной степени на головках дендридных шипи- ков средних звездчатых нейронов. Проекции от коры головного мозга к стриатуму имеют топографическую организацию. Например, соматосенсорная и моторная кора проецируются к заднему неостриатуму, а префронтальная кора проецируется к переднему хвостатому ядру.

Из рис. 2 видно, что активность из коры приходит к определенным частям хвостатого ядра или неостриатума, оттуда - к определенным частям внутреннего сегмента globuspallidus (или эндопендикулярного ядра у грызунов) и ретикулярной части черной субстанции, оттуда - к определенным ядрам таламуса и обратно в соответствующую область коры. Мы полагаем, что наличие параллельных разделенных сетей позволяет также понять механизм стереотипного поведения, который может функционировать наподобие параллельных сетей. Например, стереотипия круговых движений, челночных движения, жевания, лизания, грызения и тому подобное. К такому роду стереотипии можно отнести и реакцию самостимуляции, которая возникает в определенных условиях, при активации префронтальной коры. В эти поведенческие стереотипии вовлекается и nucleusaccumbens - ядро вентрального стриатума.

Хотя топография и соматотопия подразумевают определенную степень параллельной организации, есть также конвергенция и дивергенция в кортико-стриатных проекциях. Большие дендритные области средних звездчатых нейронов позволяют им получать вход от смежных проекций, которые приходят из различных областей коры. Входы больше чем от одной корковой области перекрываются (Flaherty, Graybiel, 1991; Mink, 2003; Miyachi, 2009), и вход от одиночной корковой области проецируется дивергентно к многочисленным зонам стриатума (Flaherty, Graybiel, 1991), например, сенсорно-двигательные корковые проекции - к стриатуму от областей руки в соматосенсорной коре (области 1, 2, и 3) и моторной коры (область 4). Таким образом, каждая корковая область проецируется к нескольким стриаталь- ным зонам, и несколько функционально связанных корковых областей проецируются к одной стриатальной зоне. Эта сходящаяся и расходящаяся организация

Рис. 2. Предполагаемые параллельные разделенные сети, соединяющие базальные ганглии, таламус и кору головного мозга

Эти пять сетей называют согласно первичной корковой цели для выходов из базальных ганглий: двигательная, глазодвигательная, дорзолатеральная префронтальная, боковая орбитофронтальная и передняя цингулятная. ДМО - дополнительная моторная область; АПО - аркуатная премоторная область; МК - моторная кора; СК - соматосенсорная кора; ФГО - фронтальные глазные области; ДЛП

- дорзолатеральная префронтальная кора; ЗПК - задняя париетальная кора; ЛОФ - латеральная орбитофронтальная кора; BBG - верхний височный gyrus; HBG - нижний височный gyrus; ПЦО - передняя цингулятная область; ГК - гиппокампальная кора; ЭК - энторинальная кора; PUT - putamen;, КАУД

- каудатус; ВС - вентральный стриатум, ГПв - внутренний сегмент globus pallidus; ЧСр - черная субстанция ретикулярная часть; VLo - передняя часть вентролатерального ядра; VLm - медиальная часть вентролатерального ядра; VAmc - магноцеллюлярная часть передневентрального ядра; MDpl - параламеллярная часть медиодорзального ядра; VApc - парвоцеллюлярная часть передневентрального ядра; MDpc - парвоцеллюлярная часть медиодорзального ядра; MDme - магноцеллюлярная часть медиодорзального ядра; BP - вентральный паллидум; т - тело; г - голова; cl - каудолатеральный; cdm

- каудальный дорзомедиальный; dl - дорзолатеральный; l - латеральный; ldm - латеральный дорзо- медиальный; m - медиальный; mdm - медиальный дорзомедиальный; pm - постеромедиальный; rd, ростродорзальный; rl - ростролатеральный; rm - ростромедиальный; vm - вентромедиальный; vl - вентролатеральный (Базян и др., 2011) служит анатомической основой для интеграции и преобразования информации от нескольких областей коры головного мозга, в том числе и при условнорефлекторном обучении. Эти дивергентые и конвергентные связи могут интегрировать разные представительства в коре мозга, в том числе и представительства условного и безусловного раздражителей.

Показано, что холинергическая система стриатума имеет отношение к контролю позного компонента выученного движения (Шаповалова, 1996, 2000). Эти исследования являются развитием классических представлений о роли базальных ганглиев в контроле позы (Martin, 1967). Показана связь дофаминергических и холинергических механизмов стриатума в его интегративной деятельности (Pisani et al., 2001).

При этом обнаружены независимые дофаминергические системы управления позой и движением (Шаповалова, Камкина, 2009). Существенная роль принадлежит также взаимодействию холинергической и серотонинергической систем стриатума (Lehmann et al., 2000). Показаны различия нарушений обучения при поражениях стриатума и мозжечка: мозжечок преимущественно участвует в подготовке к движению, а нарушения функций нигро-стриатной системы при болезни Паркинсона приводят к нарушениям внутренней оценки и выбора (Schugens et al., 1998).

Обнаружена пластичность кортико-стриатных входов. Синаптическая пластичность регулируется дофамином (Calabresi et al., 2007). После денервации стриа- тума путем ипсилатеральной корковой ишемии происходит мощный рост аксонов контралатеральных кортико-стриатных нейронов (Civellietal, 1993; Carmichael, Chesselet, 2002). В начальной стадии паркинсонизма возникает дефицит стриато- фронтальных проекций, что приводит к активации связей дорзальной премоторной коры с моторной корой (Buhmann et al, 2004).

Согласно современным представлениям, принятие решения и выбор правильной реакции для получения подкрепления обусловлены функциональной активностью дофаминергической системы (Schultzetal, 1997; Schultz, 1998). Показано, что уровень дофамина в нейронах среднего мозга изменяется в соответствии с вероятностью стимула предшествовать подкреплению (Tobler et al., 2005). Фазичес- кие ответы дофаминергических нейронов возникают при неожиданном подкреплении. После повторных сочетаний условного стимула с подкреплением эти ответы начинают возникать при предъявлении условного стимула. Активность дофами- нергических нейронов тормозится при неподкреплении условного стимула. Таким образом, дофаминергическая система кодирует возможную ошибку получения подкрепления и способствует обучению поведению, приводящему к максимуму подкрепления. Это поведение хорошо соответствует вычислительной модели (Suri, 2002). Через рецепторы D1, D2, D3, D4 и D5 дофамин снижает активность непрямого выхода из стриатума и повышает активность прямого выхода.

2.