基底神經(jīng)節(jié)

基底神經(jīng)節(jié)是位于大腦底部的一系列核團(tuán)，包括紋狀體、蒼白球、丘腦下核、黑質(zhì)等。

基底神經(jīng)節(jié)

基底神經(jīng)節(jié)最早被發(fā)現(xiàn)的功能是調(diào)控運(yùn)動(dòng)，這也是基底神經(jīng)節(jié)廣為流傳的功能?；咨窠?jīng)節(jié)中的紋狀體接受運(yùn)動(dòng)皮層的投射，隨后經(jīng)過蒼白球和黑質(zhì)的傳導(dǎo) ，通過丘腦返回運(yùn)動(dòng)皮層。基底神經(jīng)節(jié)依此通路來調(diào)控運(yùn)動(dòng)。

基底神經(jīng)節(jié)的病變，經(jīng)常出現(xiàn)在許多運(yùn)動(dòng)障礙疾病中。例如神經(jīng)退行性疾病帕金森癥，患者黑質(zhì)致密部的多巴胺神經(jīng)元退化，導(dǎo)致紋狀體內(nèi)多巴胺水平不足，在行為水平上病人會(huì)出現(xiàn)身體僵硬、顫抖、動(dòng)作緩慢等癥狀。再例如舞蹈癥（Huntington's disease），遺傳基因的原因致使基底神經(jīng)節(jié)退化，病人無法自主控制運(yùn)動(dòng)，身體經(jīng)常出現(xiàn)不自覺地抽搐、扭動(dòng)。

下面，我們深入到基底神經(jīng)節(jié)內(nèi)的神經(jīng)環(huán)路，來探究一下基底神經(jīng)節(jié)是如何促進(jìn)和抑制運(yùn)動(dòng)的。

基底神經(jīng)節(jié)內(nèi)的直接通路和間接通路

我們從基底神經(jīng)節(jié)的信號(hào)收集器——紋狀體(striatum)說起。

紋狀體接受來自很大范圍的皮層輸入，然后伸出纖維給基底神經(jīng)節(jié)的輸出核團(tuán)——蒼白球和黑質(zhì)。

• 紋狀體中棘神經(jīng)元

離開紋狀體的輸出纖維來自于一種名為中棘神經(jīng)元（Medium spiny neuron）的投射神經(jīng)元。中棘神經(jīng)元是紋狀體內(nèi)最主要的神經(jīng)元，占紋狀體的95%，是一種抑制性神經(jīng)元。中棘神經(jīng)元興奮時(shí)，會(huì)抑制和它有突觸連接的下游神經(jīng)元。

紋狀體中棘神經(jīng)元（MSN）示意圖

紋狀體中棘神經(jīng)元又分為兩類，一類細(xì)胞膜上表達(dá)多巴胺的D1受體，另一類表達(dá)多巴胺D2受體。我們簡稱為D1中棘神經(jīng)元和D2中棘神經(jīng)元。這兩類神經(jīng)元的分布是混雜在一起的。

伏隔核（NAc）內(nèi)交錯(cuò)分布的D1（紅色）和D2（綠色）中棘神經(jīng)元

D1與D2中棘神經(jīng)元的投射軸突有著不同的走向。

• D2中棘神經(jīng)元和直接通路

D1中棘神經(jīng)元投向內(nèi)蒼白球(GPi, internal globus pallidus)和黑質(zhì)網(wǎng)狀部(SNr，substantia nigra pars reticulata)，抑制其中的神經(jīng)元。而內(nèi)蒼白球和黑質(zhì)網(wǎng)狀部的神經(jīng)元又伸出纖維抑制丘腦內(nèi)的神經(jīng)元，丘腦內(nèi)神經(jīng)元又投射至運(yùn)動(dòng)皮層和腦干運(yùn)動(dòng)核團(tuán)，可興奮運(yùn)動(dòng)皮層和腦干運(yùn)動(dòng)核團(tuán)，促進(jìn)運(yùn)動(dòng)。這是一個(gè)長鏈條。

直接通路：紅色連線為抑制，藍(lán)色連線為興奮

我們?cè)囍鴣韱?dòng)這一鏈條。來自運(yùn)動(dòng)皮層興奮信號(hào)激活D1中棘神經(jīng)元，D1中棘神經(jīng)元會(huì)釋放抑制性神經(jīng)遞質(zhì)，抑制內(nèi)蒼白球和黑質(zhì)網(wǎng)狀部。由于內(nèi)蒼白球和黑質(zhì)網(wǎng)狀部激活時(shí)可抑制丘腦內(nèi)核團(tuán)，因此當(dāng)內(nèi)蒼白球和黑質(zhì)網(wǎng)狀部被抑制時(shí)，丘腦內(nèi)神經(jīng)元會(huì)去抑制，換句話說，丘腦內(nèi)神經(jīng)元會(huì)相對(duì)興奮起來。而丘腦內(nèi)神經(jīng)元的興奮，又會(huì)激活運(yùn)動(dòng)皮層，最終促進(jìn)運(yùn)動(dòng)。

這就是基底神經(jīng)節(jié)D1中棘神經(jīng)元介導(dǎo)的直接通路，可促進(jìn)運(yùn)動(dòng)。

那基底神經(jīng)節(jié)是如何抑制運(yùn)動(dòng)的呢？

• D2中棘神經(jīng)元和間接通路

這就涉及到另一條更長的鏈條，這一鏈條起始于紋狀體內(nèi)的D2中棘神經(jīng)元。

D2中棘神經(jīng)元并沒有直接投向內(nèi)蒼白球和黑質(zhì)網(wǎng)狀部，而是先繞了一個(gè)圈。D2中棘神經(jīng)元走出紋狀體的第一站是外蒼白球(GPe, external globus pallidus)。外蒼白球也是抑制性神經(jīng)元，它們的纖維瞄準(zhǔn)丘腦下核（STN，Subthalamic nucleus），丘腦下核里的神經(jīng)元是興奮性神經(jīng)元，會(huì)釋放興奮性遞質(zhì)到內(nèi)蒼白球和黑質(zhì)網(wǎng)狀部。之后的通路和直接通路一樣：內(nèi)蒼白球和黑質(zhì)網(wǎng)狀部伸出抑制纖維到丘腦，丘腦又伸出興奮性纖維到運(yùn)動(dòng)皮層和腦干。

來自D2中棘神經(jīng)元的信號(hào)繞了一條路，才到達(dá)內(nèi)蒼白球和黑質(zhì)網(wǎng)狀部。因此稱為間接通路。

間接通路

繞的這條路，讓間接通路的結(jié)果和直接通路相比，完全相反。

我們?cè)賮碓囍鴨?dòng)下間接通路。來自皮層的興奮性輸入激活D2中棘神經(jīng)元，D2中棘神經(jīng)元會(huì)進(jìn)一步抑制外蒼白球，這導(dǎo)致丘腦下核的去抑制，丘腦下核神經(jīng)元的興奮（去抑制）又會(huì)興奮內(nèi)蒼白球和黑質(zhì)網(wǎng)狀部，內(nèi)蒼白球和黑質(zhì)網(wǎng)狀部神經(jīng)元的興奮會(huì)抑制丘腦和腦干，運(yùn)動(dòng)皮層接受不到來自丘腦的信號(hào)，運(yùn)動(dòng)也便不再起始。

即，間接通路激活時(shí)，運(yùn)動(dòng)被抑制。

靈長類動(dòng)物基底神經(jīng)節(jié)內(nèi)的直接通路和間接通路示意圖

嚙齒類動(dòng)物基底神經(jīng)節(jié)直接通路和間接通路示意圖

'go/nogo'模型

基底神經(jīng)節(jié)直接通路促進(jìn)運(yùn)動(dòng)，而間接通路抑制運(yùn)動(dòng)，根據(jù)這一特性，科學(xué)家們提出了一個(gè)簡單直接的‘go/nogo’模型。

‘go/nogo’模型認(rèn)為，當(dāng)我們需要運(yùn)動(dòng)時(shí)，直接通路被激活。相反，不需要運(yùn)動(dòng)時(shí)，間接通路被激活。

‘go/nogo’模型不僅作用于自發(fā)運(yùn)動(dòng)(spontaneous movements )，也在抉擇時(shí)起重要作用。

科學(xué)實(shí)驗(yàn)中的go-nogo示意圖

其實(shí)，這一模型還有另一個(gè)抉擇版本。直接通路掌管中意的抉擇行為，而間接通路掌管不喜歡的抉擇行為。大腦會(huì)激活直接通路以觸發(fā)青睞的抉擇行為，并且抑制間接通路以摒棄不想要的抉擇行為。

然而，在很長一段時(shí)間內(nèi)，由于無法在體鑒定且觀測(cè)縱紋狀體D1和D2中棘神經(jīng)元、也無法特異地操縱兩種神經(jīng)元，科學(xué)家無法檢驗(yàn)‘go/nogo’模型的正確與否。

轉(zhuǎn)基因技術(shù)以及光遺傳技術(shù)的興起，使科學(xué)家有機(jī)會(huì)在小鼠腦內(nèi)直接驗(yàn)證‘go/nogo’模型。然而實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻與‘go/nogo’模型有所出入。