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目前，基底节（basal ganglia）的系统模型一般是以直接、间接、超直接通路的形式预测基底节功能，现已经应用于例如DBS治疗帕金森病（PD）和肌张力障碍症（dystonia）的患者。 该综述以新的视角，讨论MRI纤维追踪的方式来理解基底节区的效应方式，同时探讨皮层-基底节、基底节-小脑通路在运动障碍中的病理意义。弥散MRI和示踪技术的发展为人类脑连接研究提供了有力的、无创的解剖工具，例如应用DWI做白质纤维追踪，提供解剖连接的直接信息。然而，纤维追踪的准确性和可靠性还存在很大的争议。 本文旨在总结关于运用基于CSD纤维追踪的DWI方法研究人类皮层-基底节区-小脑连接体的研究。并且结合生理及临床的发现，为结论提供依据。 图源：news.mit.edu 经典的皮质-基底节-小脑连接体 皮质发出的纤维通过两种投射方式到达基底节区：直接或间接通路，它们来自纹状体(striatum)不同亚区的神经核团并且以相反的效应向基底节输出。“超直接通路”是该理论的延伸发现，例如：从皮层到苍白球（globus pallidus，GP）的传递通过丘脑底核（subthalamic nucleus, STN）。基底节作为重要的信息环路，其作用是接收来自皮层信息并且将加工后的信息通过丘脑投射回皮层，或者直接通过丘脑纹状体连接投射到纹状体。 尽管它看起来很简单，但这个模型提供了关于基底神经节功能的惊人的准确预测，它已被用于设计深部脑刺激 (Deep Brain Stimulation, DBS)方法来治疗基底神经节疾病，如帕金森病和肌张力障碍。 近十年，通过DWI和纤维追踪的方法，直接的、间接的和超直接通路，加上苍白球丘脑、黑质苍白球和丘脑纹状体投射，都已被成功地表征。实现了在体的、全面的基底神经节连接体重建。 用CSD追踪定义其他的人脑连接 在本综述中，我们希望关注在人体中被发现的额外通路：直接的皮层-基底节控制通路，该通路绕过了作为主要中继的纹状体。 皮层-苍白球连接： 我们最近的工作使用高角分辨率扩散成像(HARDI)基于约束性球面去卷积（constrained spherical deconvolution，CSD）的纤维追踪来识别皮层与苍白球(GP)内外（GPi和GPe）之间的直接连接。 图3：皮层与齿状核同SN的连接。(A)中脑水平SN三维轴位图(紫色感兴趣区)。(B)额叶和顶叶区与SN主要相连的纤维(紫色感兴趣区);连接齿状核(浅棕色感兴趣区)与通过小脑上脚连接的SN最后部区域。(C)在SN水平上显示的放大图。 这些新连接的生理相关性 已证实灵长类动物的皮质脊髓束是单突触发育，啮齿类动物和猫的运动执行是由运动皮层-中间神经元-脊髓灰质神经元的协同合作完成。这些发现提示神经元间的直接连接，使得动作具有灵活性和分步性。大脑皮层直接向苍白球的输入也可能对苍白球的输出有更直接的影响。 的确，它暗示了从大脑皮层和小脑的感觉运动区最直接的投射到GPi的“新”连接在运动控制中的重要作用。前额叶与背侧GPe的强连接与目的导向型的行为有关, 这说明直接连接与动作的灵活性相关。 类似的考虑也可应用于皮质-黑质连接，对直接和间接通路进行监督。该通路的补充可以为人类提供一个临床上的短潜伏期（见下文）。皮质-黑质的直接连接叠加在旧的路径上，实现小脑、基底神经节和运动皮层之间的快速交互，从而允许它们实时快速地协调输出。 基底神经节可以被看作是一个环路，用来选择想要的动作和去抑制潜在的竞争的不想要的动作。基底节区主要输出来自GPi和SNr（黑质网状结构），起着抑制丘脑核团、上丘和脑干的桥脚区。因此，基底神经节的输出类似于制动系统(Mink, 1996)。 当因要执行某动作时，大脑皮层或脑干中的特定运动模式发生器就会启动，基底神经节向该发生器投射的输出神经元会减少放电，从而消除紧张性抑制并“释放”该发生器上的“刹车”。同时基底神经节输出神经元投射到其他运动模式的发生器，增加它们的放电率，参与竞争行动，从而对这些发生器施加“制动”。 促进所需要的运动和抑制不需要的运动的能力被病理性的原因破坏时，则会导致缓慢的自主运动(帕金森症)，异常的非自主运动(舞蹈病，肌张力障碍，抽搐)，或两者兼有(Mink, 2003)。 我们在此提出的模型是将旧的观点强化，即基底神经节的特征是存在离散的、平行的、分离的、功能上不同但同源的回路(Alexander et al., 1986)。在这个新的模型内，GPe和GPi直接控制基底神经节输出神经元，或许将导致更灵活地控制直接和间接通路，调节同时抑制竞争作用。 我们的假设是，直接的皮质- GP\SN-齿状核的通路协同作用，使皮质具有调整决策和运动选择的能力。此外，它们可以为环境中任何意想不到的变化提供更快速的灵活性，这是人类物种的特权。 图4：提出了整合经典和新的皮质-基底神经节-小脑通路的模型。实心黑线强调:从大脑皮层到纹状体，然后通过GABA能抑制投射到GPi/SNr的“直接”通路，从而选择性地降低GPi/SNr活性，释放涉及运动模式发生器的丘脑皮层回路。黑色虚线表示: “间接”通路:纹状体D2受体在大脑皮层谷氨酸能兴奋性输入的刺激下，使纹状体基质细胞向GPe发送抑制信号，从而对STN产生紧张性GABA能抑制。蓝线：STN的谷氨酸能兴奋性神经元可以激活GPi/SNr，从而抑制大脑皮层的丘脑活动，增加对上运动神经元的抑制作用。最近，人们描述了一种“超直接”途径(大脑皮层和STN之间的蓝线)，通过STN上的运动、联想和边缘脑区传递兴奋性刺激，绕过“间接”抑制回路，导致兴奋的GPi/SNr活动。红线表示: 小脑通过齿状回-丘脑-纹状体通路输出到基底神经节，通过桥脑-小脑皮层通路控制小脑基底神经节。绿线表示：大脑皮层与GPi, GPe和SN，以及齿状核和这些核之间的新补充的通路。 临床中的适应和非适应的可塑性 该模型在皮层、基底神经节和小脑之间存在平行的直接和间接投射，补充了将运动障碍视为复杂运动网络的障碍而不是基底神经节单个核的有限分裂的新观点。在这种情况下，就更容易理解为什么GP和丘脑的病变没有伴随严重的运动功能障碍。基底神经节损害将触发皮质-基底-小脑连接体内重构，并引入替代通路(例如皮质-黑质通路)，从而弥补(或恶化)初级缺陷。 小脑在帕金森病和肌张力障碍的临床症状的发生中起着重要的作用。这种过度激活或增强小脑连接的性质在帕金森病中仍是一个有争议的问题。 一些证据表明，它可能具有代偿作用:小脑的过度活跃可能抵消其他一些区域的活动不足，如补充运动皮层和纹状体。 事实上，小脑有可能补偿帕金森病GPi的低活性，通过我们最近描述的齿状回-苍白球和齿状回-黑质通路或通过传统的小脑-丘脑-皮层回路(Sen et al.， 2010)。这可能是帕金森病的前驱期较长，无明显临床症状的原因之一。 小脑补偿可能在疾病早期发生，但也可能是在疾病进展的后期，小脑的变化变得不适应。帕金森病伴左旋多巴所致运动障碍的异常神经元同步化，可能从STN向小脑传播，使小脑皮层处于极度活跃状态。外科DBS刺激STN/GPi，治疗多巴胺诱导的肌张力障碍，调节小脑的神经活动或新陈代谢，减少这种过度活跃。小脑对左旋多巴所致运动障碍的假设也在重复经颅磁刺激治疗后的疗效中得以应证。 利用纤维追踪技术来探索大脑的解剖学连接:局限性和优点 局限性：分辨率较低；不能判断纤维极性，即输入还是输出；一些基本模型不能解析纤维扭曲、转折、重叠等复杂结构；假阳性比率较高。虽然目前最优善方法HARDI，已提供了一个较高的灵敏度，但他们的可重复性仍是一个有争议的问题。 优点：DWI和纤维追踪技术是目前唯一能够在活体和非侵袭性条件下研究人脑解剖学连接的技术。事实上，扩散示踪术已被广泛认为是第一个在体内的解剖方法，以极其精确的方式绘制人脑中的主要纤维束，并显示新的关联通路的存在。 最后，我们应该始终谨慎地解释纤维追踪的结果，并且对扩散追踪法的方法学研究，需要伴随我们对人脑结构连接性认识的提高。 原文： 参考文献： 作者信息 编译作者：CholeF（brainnews创作团队） 校审：Cong and Simon（brainnews编辑部） |
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