基底神經節概述

　　基底神經節（或基底核）是脊椎動物的大腦中來源不同的一組皮質下細胞核，包括人類，位於前腦的底部和中腦的頂部。 靈長類動物的基底神經節存在一些差異。 基底神經節與大腦皮層，丘腦和腦幹以及其他幾個大腦區域緊密相連。 基底神經節與多種功能相關，包括控制自主運動，程序學習，習慣學習，眼球運動，認知，[1]和情緒。[2]

　　視頻： 2分鐘神經科學 - 基底神經節

　　基底神經節的主要成分 - 在功能上定義 - 是紋狀體;背側紋狀體（尾狀核和殼核）和腹側紋狀體（伏隔核和嗅結節），蒼白球，腹側蒼白球，黑質和丘腦底核。[3]這些組件中的每一個都具有複雜的內部解剖學和神經化學組織。最大的組成部分，即紋狀體（背側和腹側），接收來自基底神經節以外的許多腦區的輸入，但僅將輸出發送到基底神經節的其他組成部分。蒼白球接受來自紋狀體的輸入，並將抑制性輸出發送到許多與運動相關的區域。黑質是神經遞質多巴胺的紋狀體輸入的來源，其在基底神經節功能中起重要作用。丘腦底核接受主要來自紋狀體和大腦皮質的輸入，並投射到蒼白球。

　　流行理論主要在行動選擇中暗示基底神經節 - 幫助決定在任何給定時間執行哪些可能的行為。更具體地說，基底神經節的主要功能可能是控制和調節運動和運動前皮層區域的活動，以便順利進行自主運動。[1] [4]實驗研究表明，基底神經節對許多運動系統產生抑制作用，並且這種抑制的釋放允許運動系統變得活躍。在基底神經節內發生的「行為轉換」受到來自大腦許多部分的信號的影響，包括前額皮質，其在執行功能中起關鍵作用。[2] [5]

　　基底神經節對正常的大腦功能和行為至關重要。它們的功能障礙導致廣泛的神經病症，包括行為控制和運動障礙。這些行為包括Tourette症候群，強迫症和成癮。運動障礙包括，最顯著的是帕金森病，其涉及黑質，亨廷頓氏病中多巴胺產生細胞的退化，其主要涉及對紋狀體的損傷，[1] [3]肌張力障礙，並且更少見的是半腱肌。基底神經節具有邊緣區域，其組成部分被指定為不同的名稱：伏隔核，腹側蒼白球和腹側被蓋區（VTA）。有大量證據表明，這種邊緣部分通過從VTA到使用神經遞質多巴胺的伏隔核和中皮質通路的中腦邊緣通路在獎賞學習以及認知和額葉功能中發揮核心作用。許多高度成癮的藥物，包括古柯鹼，苯丙胺和尼古丁，被認為通過增加這種多巴胺信號的功效起作用。還有證據表明VTA多巴胺能預測在精神分裂症中過度活躍。[6]

　　在右上方標記的基底神經節。

　　在腦下面看法的基底神經節

　　目錄

　　1 結構

　　1.1 紋狀體

　　1.2 蒼白球

　　1.3 黑質

　　1.4 丘腦底核

　　1.5 電路連接

　　1.6 神經遞質

　　1.7 功能連接

　　2 功能

　　2.1 眼球運動

　　2.2 參與動機

　　2.3 決策

　　2.4 工作記憶

　　3 臨床意義

　　4 歷史

　　4.1 術語

　　5 其他動物

　　6 參考文獻

　　結構

　　在發育方面，人類中樞神經系統通常基於其發育的原始三個原始囊泡進行分類：這些原始囊泡在胚胎神經管的正常發育中形成，並且最初包括前腦、中腦和後腦。 在尾端到尾部（從頭到尾）的方向。後來在神經系統的發育過程中，每個部分本身都變成了較小的部分。在發育過程中，切向移動形成基底神經節的細胞由外側和內側神經節隆起引導。[7]下表展示了這種發育分類，並將其追溯到基底神經節中的解剖結構。[1] [3] [8]與基底神經節相關的結構以粗體顯示。

　　顯示基底神經節的人腦的冠狀切片。白質以深灰色顯示，灰質以淺灰色顯示。

　　前部：紋狀體，蒼白球（GPe和GPi）

　　後部：丘腦底核（STN），黑質（SN）

　　基底神經節是大腦的基本組成部分。與前腦表面排列的皮質層相反，基底神經節是一組不同質量的灰質，位於距離丘腦交界處不遠的大腦深處。他們躺在丘腦的一側並圍繞著丘腦。[9]像大腦的大多數部分一樣，基底神經節由左側和右側組成，它們是彼此的虛擬鏡像。

　　在解剖學方面，基底神經節分為四個不同的結構，取決於它們的優越程度或延伸性（換句話說取決於它們的頂部有多近）：其中兩個，即紋狀體和蒼白球，比較大;另外兩個，黑質和丘腦底核，較小。在右圖中，人腦的兩個冠狀部分顯示了基底神經節組成部分的位置。值得注意的是，在本節中沒有看到，丘腦底核和黑質位於大腦後部（後部）比紋狀體和蒼白球更遠。

　　紋狀體

　　主要文章：紋狀體

　　基底神經節

　　紋狀體是皮質下結構，通常分為背側紋狀體和腹側紋狀體，儘管內側外側分類被認為在行為上更相關[10]並且被更廣泛地使用。[11]

　　紋狀體主要由中等刺狀神經元組成。這些GABA能神經元投射到外側（側面）蒼白球和內部（內側）蒼白球以及黑質網狀蒼白球。儘管表達腦啡肽，強啡肽和P物質，但蒼白球和黑質的投射主要是多巴胺能。紋狀體還包含中間神經元，其被分類為氮能神經元（由於使用一氧化氮作為神經遞質），具有活性[需要澄清]膽鹼能中間神經元，表達小白蛋白的神經元和表達calretinin的神經元。[12]背側紋狀體接受來自皮質的顯著穀氨酸能輸入，以及來自黑質緻密部的多巴胺能輸入。通常認為背側紋狀體參與感覺運動活動。腹側紋狀體通過中腦邊緣通路接收來自邊緣區域的穀氨酸能輸入以及來自VTA的多巴胺能輸入。據信腹側紋狀體在獎賞和其他邊緣功能中發揮作用。[13]背側紋狀體由內囊分為尾狀和殼狀，而腹側紋狀體由伏隔核和嗅結節組成。[14] [15]尾狀核有三個主要的連通區域，尾狀頭顯示與前額葉皮層，扣帶皮層和杏仁核的連接。身體和尾部顯示背外側緣和腹側尾狀突分離，分別向紋狀體的感覺運動和邊緣區域突出。[16]紋狀體纖維將紋狀體連接到蒼白球。

　　螺旋體

　　蒼白球由一個叫做蒼白球（「蒼白球」）的大型結構組成，還有一個較小的腹側延伸部分，稱為腹側蒼白球。蒼白球表現為單個神經腫塊，但可分為兩個功能不同的部分，稱為內部（或內側）和外部（側向）節段，縮寫為GPi和GPe。[1]兩個片段主要包含GABA能神經元，因此對其靶標具有抑制作用。這兩個部分參與不同的神經迴路。 GPe主要從紋狀體接收輸入，並投射到丘腦底核。 GPi通過「直接」和「間接」途徑從紋狀體接收信號。蒼白球神經元使用去抑制原理進行操作。在沒有輸入的情況下，這些神經元以穩定的高速率發射，來自紋狀體的信號使它們暫停或降低其發射速率。由於蒼白球神經元本身對其靶標具有抑制作用，紋狀體輸入對蒼白球的淨效應是蒼白球細胞對其靶標（去抑制）施加的強直抑制的減少，其中靶標中的發射速率增加。

　　黑質

　　主要文章：黑質

　　基底神經節內黑質的位置

　　黑質是基底神經節的中腦灰質部分，有兩部分 - 緊湊型（SNc）和網狀結構（SNr）。 SNr通常與GPi協同作用，SNr-GPi複合物抑制丘腦。然而，Substantia nigra pars compacta（SNc）產生神經遞質多巴胺，其在維持紋狀體通路中的平衡方面非常重要。下面的電路部分解釋了基底神經節的每個組件的作用和電路連接。

　　丘腦底核

　　主要文章：丘腦底核

　　丘腦底核是基底神經節的間腦灰質部分，是神經節中唯一產生興奮性神經遞質穀氨酸的部分。丘腦底核的作用是刺激SNr-GPi複合物，它是間接途徑的一部分。丘腦底核接受來自蒼白球外部的抑制性輸入，並向GPi發送興奮性輸入。

　　電路連接

　　進一步的信息：皮質 - 基底神經節 - 丘腦 - 皮質環

　　連接圖顯示興奮性穀氨酸能通路為紅色，抑制性GABA能通路為藍色，調節性多巴胺能通路為洋紅色。 （縮寫：GPe：蒼白球外部; GPi：蒼白球內部; STN：丘腦底核; SNc：黑質緻密體; SNr：黑質網狀網狀體）

　　基於人類連接項目的30個主題的擴散光譜成像顯示基底神經節的連通性。 直接，間接和超直接途徑以不同顏色可視化（見圖例）。 基於Harvard-Oxford皮質下丘腦以及Basal Ganglia圖譜（其他結構）呈現皮質下結構。 渲染是使用TrackVis軟體生成的。

　　圖1的左側示出了前額皮質的區域，其接收來自其他區域的多個輸入，作為皮質 - 皮質活動。 B的輸入是其中最強的。圖1的右側顯示輸入信號也被饋送到基底神經節電路。這裡的輸出返回到同一區域，通過向C的輸入增加強度，從而修改B的輸入強度，從而修改從B到C的最強信號。（丘腦參與是隱含的，但未顯示） 。

　　已經提出了基底神經節電路和功能的多種模型，但是對於直接和間接途徑的嚴格劃分，它們可能的重疊和調節存在一些問題。[17]自20世紀90年代DeLong在並行處理模型中首次提出的模型以來，電路模型已經發展，其中皮層和黑質緻密體投射到背側紋狀體中，從而產生抑制性間接和興奮性直接途徑。

　　抑制性間接途徑涉及抑制蒼白球外部，允許蒼白球內部（通過STN）的解除抑制，使其抑制丘腦。

　　直接或興奮途徑涉及通過抑制GPi / SNr來抑制丘腦。然而，直接途徑的速度與該模型中的間接途徑不一致導致其存在問題。為了解決這個問題，已經提出了一種超直接通路，其中皮質通過丘腦底核發送穀氨酸能突起，激發中心環繞模型下的抑制性GPe，以及更短的間接途徑。

　　通常，基底神經節電路分為五個通路：一個邊緣，兩個關聯（前額），一個動眼神經和一個運動通路。 （運動和動眼通路有時被分為一個運動通路。）五種通用通道的組織如下：[18]

　　電動機環路包括從輔助運動區域，弓形前運動區域，運動皮層和軀體感覺皮層進入殼核的投射，其突出到腹外側GPi和尾側SNr，其通過腹側腹側腹和腹側腹側突出進入皮質。

　　動眼神經環包括從額葉眼球，背外側前額葉皮層（DLPFC）和後頂葉皮質進入尾狀突，進入尾側背內側GPi和腹外側SNr，最後通過側腹側前大腦細胞環回到皮層。 （VAMC）。

　　第一個認知/關聯途徑提出了從DLPFC到背外側尾狀體的通路，然後是投射到側背背側GPi，並且在投射到外側VAmc和內側大腦細胞之前的延髓SNr。

　　提出的第二個認知/關聯途徑是從外側眶額皮質，顳回和前扣帶皮層突出到腹內側尾狀突，然後投射到後內側GPi，並且在通過內側循環進入皮質之前的rostrolateral SNr的電路。 VAmc和內側巨細胞。

　　邊緣電路涉及從ACC，海馬，內嗅皮質和島葉到腹側紋狀體的投射，然後進入背側背側GP，腹側鈀和背側腹部SNr，然後通過內側背側的後內側部分回到皮質環核。[19]然而，已經提出了更多的循環細分，最多20,000個。[20]

　　源自背側紋狀體的直接途徑抑制GPi和SNr，導致丘腦的淨去抑制或激發。該途徑由表達多巴胺受體D1，毒蕈鹼乙醯膽鹼受體M4和腺苷受體A1的中型多刺神經元（MSN）組成。[21]已提出直接途徑以促進運動行為，運動動作的時機，工作記憶的門控以及對特定刺激的運動反應。[20]

　　（長）間接途徑起源於背側紋狀體並抑制GPe，導致GPi的去抑制，然後GPi自由地抑制丘腦。該途徑由表達多巴胺受體D2，毒蕈鹼乙醯膽鹼受體M1和腺苷受體A2a的MSN組成。[21]已經提出該途徑導致全局運動抑制（抑制所有運動活動）和終止反應。已經提出了另一種較短的間接途徑，其涉及丘腦底核的皮質激發，導致GPe的直接激發和丘腦的抑制。提出這種途徑可以基於聯想學習來抑制特定的運動程序。[20]

　　除了一個特定的焦點之外，這些間接途徑的組合導致導致抑制基底神經節輸入的超直接途徑已被提出作為中心環繞理論的一部分。[22] [23]這種超直接途徑被提出用於抑制過早反應，或全局抑制基底神經節，以允許皮質進行更具體的自上而下控制。[20]

　　這些途徑的相互作用目前正在爭論中。有人說，所有途徑都以「推拉」的方式直接相互對抗，而其他途徑則支持中心環繞理論，其中一個集中輸入到皮層受到其他間接途徑抑制競爭性輸入的保護。[20 ]

　　該圖顯示了兩個冠狀切片，它們已被疊加以包括所涉及的基底神經節結構。綠色箭頭（+）是指興奮性穀氨酸能通路，紅色箭頭（ - ）是指抑制性GABA能途徑，綠松石箭頭是指在直接途徑上興奮的多巴胺能通路和對間接途徑的抑制作用。

　　神經遞質

　　基底神經節包含許多傳入穀氨酸能輸入，主要是GABAergic傳出纖維，調節性膽鹼能通路，源自腹側被蓋區和黑質的途徑中的顯著多巴胺，以及各種神經肽。在基底神經節中發現的神經肽包括P物質，神經激肽A，縮膽囊素，神經降壓素，神經激肽B，神經肽Y，生長抑素，強啡肽，腦啡肽。在基底神經節中發現的其他神經調節劑包括一氧化氮，一氧化碳和苯乙胺。[24]

　　功能連接

　　在功能性神經影像學研究期間通過區域共激活測量的功能連接性與基底神經節功能的並行處理模型大致一致。殼核通常與運動區域共同激活，例如補充運動區域，尾部前扣帶皮層和初級運動皮層，而尾狀核和嘴側殼核更頻繁地與嘴側ACC和DLPFC共激活。腹側紋狀體與杏仁核和海馬體顯著相關，雖然不包括在基底神經節模型的第一個配方中，但它是最近的模型的補充。[25]

　　功能

　　眼球運動

　　一項深入研究的基底神經節功能是其控制眼球運動的作用。[26]眼球運動受到廣泛的大腦區域網絡的影響，這些區域會聚在稱為上丘（SC）的中腦區域。 SC是一種分層結構，其層形成視覺空間的二維視網膜圖。 SC的深層中的神經活動的「隆起」驅動指向空間中的對應點的眼睛運動。

　　SC從基底神經節接受強烈的抑制性投射，起源於黑質網狀結構（SNr）。[26] SNr中的神經元通常以高速率連續發射，但是在眼球運動開始時它們「暫停」，從而使SC免於抑制。所有類型的眼球運動都與SNr中的「暫停」有關;然而，個別SNr神經元可能與某些類型的運動相比更強烈地與其他類型的運動相關聯。尾狀核某些部位的神經元也顯示出與眼球運動相關的活動。由於絕大多數尾狀細胞以非常低的速率發射，這種活動幾乎總是表現為射擊率的增加。因此，眼球運動開始於尾狀核中的激活，其通過直接的GABA能突起抑制SNr，這反過來抑制SC。

　　在動機中的作用

　　基底神經節中的細胞外多巴胺與齧齒動物的動機狀態有關，高水平與飽足的「興奮」有關，中等水平與尋求有關，而低有厭惡。邊緣基底神經節迴路受到細胞外多巴胺的嚴重影響。增加的多巴胺導致腹側蒼白球，內臟核和黑質網狀物的抑制，導致丘腦的去抑制。這種直接D1和間接D2途徑的模型解釋了為什麼每種受體的選擇性激動劑都沒有回報，因為兩種途徑的活性都需要去抑制。丘腦的去抑制導致前額皮質和腹側紋狀體的激活，選擇性增加D1活性導致獎勵。[19]還有來自非人靈長類動物和人體電生理學研究的證據表明，其他基底神經節結構，包括蒼白球內陷和丘腦底核，都參與獎勵處理。[27] [28]

　　做決定

　　已經提出了兩種用於基底神經節的模型，一種是由腹側紋狀體中的「批評者」產生的動作和估計值，並且動作由背側紋狀體中的「演員」執行。另一個模型提出基底神經節作為一種選擇機制，在皮質中產生動作，並根據基底神經節的背景選擇。[29] CBGTC循環也涉及獎勵貼現，隨著意外或高於預期的獎勵，射擊越來越多。[30]一篇綜述支持這樣的觀點，即皮質參與學習行動而不管其結果如何，而基底神經節參與基於基於聯想獎勵的試驗和錯誤學習選擇適當的行動。[31]

　　工作記憶

　　基底神經節已被提議用於控制進入和不進入工作記憶的東西。一種假設提出直接途徑（Go或興奮性）允許信息進入PFC，其中它保持獨立於途徑，然而另一種理論提出，為了使信息保留在PFC中，直接途徑需要繼續迴響。已經提出短的間接途徑，在與直接途徑的直接推拉對抗中，關閉到PFC的門。這些機制共同調節了工作記憶的焦點。[20]

　　臨床意義

　　主要文章：基底神經節疾病

　　基底神經節疾病是一組運動障礙，由基底神經節過度輸出到丘腦 - 運動功能障礙，或輸出不足 - 多動障礙引起。低動力障礙源於基底神經節的過量輸出，其抑制丘腦到皮質的輸出，因此限制了自主運動。多動力障礙是由於從基底神經節到丘腦的低輸出導致的，這對丘腦向皮質的投射沒有給予足夠的抑制，因此產生不受控制的/不隨意的運動。基底神經節電路功能障礙也可導致其他疾病。[32]

　　以下是與基底神經節相關的疾病列表：

　　成癮

　　手足徐動症

　　Athymhormic症候群（PAP症候群）

　　注意力缺陷多動障礙（ADHD）

　　眼瞼痙攣

　　磨牙症

　　腦癱：妊娠中期和妊娠晚期的基底神經節損害

　　舞蹈病

　　張力障礙

　　Fahr病

　　外國口音綜合症（FAS）

　　亨廷頓氏病

　　核黃疸

　　Lesch-Nyhan綜合症

　　重度抑鬱症[33]

　　強迫症[34] [35]

　　其他焦慮症[35]

　　PANDAS

　　帕金森病

　　痙攣性發音困難

　　口吃[36]

　　Sydenham舞蹈病

　　遲發性抗精神病藥治療引起的遲發性運動障礙

　　圖雷特的病症

　　威爾遜病

　　歷史

　　接受基底神經節系統構成一個主要的腦系統需要時間。託馬斯·威利斯於1664年發表了不同皮質下結構的第一個解剖學鑑定。[37]多年來，術語紋狀體[38]被用來描述一大群皮質下元素，其中一些後來被發現在功能上無關。[39]多年來，殼核和尾狀核彼此無關。相反，殼核與蒼白球有關，稱為晶狀體核或豆狀核。

　　Cécile和Oskar Vogt（1941）徹底重新考慮，通過提出術語紋狀體描述由尾狀核，殼核和腹側連接它們的質量組成的結構組來簡化對基底神經節的描述，伏隔核。紋狀體的基礎是通過輻射密集的striato-pallido-nigral軸突束產生的條紋（條紋）外觀，由解剖學家Samuel Alexander Kinnier Wilson（1912）描述為「鉛筆狀」。

　　紋狀體與其主要目標，蒼白球和黑質的解剖學聯繫後來被發現。 Déjerine將該名稱為globus pallidus歸功於Burdach（1822年）。為此，福格茨提出了更簡單的「蒼白球」。 FélixVicq-d'Azyr在1786年引入了「locus niger」一詞作為tache noire，儘管由於VonS mmering在1788年的貢獻，該結構因此被稱為黑質。這種結構之間的結構相似性Mirto於1896年注意到黑色和蒼白球。這兩個被稱為蒼白球組合，代表了基底神經節的核心。總而言之，基底神經節的主要結構通過striato-pallido-nigral束相互連接，穿過蒼白球，穿過內囊作為「Edinger的梳子束」，最後到達黑質。

　　後來與基底神經節相關的其他結構是「Luys體」（1865）（圖中的Luys核）或丘腦底核，其病變已知會產生運動障礙。最近，其他領域如中心核和橋足複合體被認為是基底神經節的調節劑。

　　在20世紀初，基底神經節系統首先與運動功能相關，因為這些區域的病變通常會導致人體紊亂（舞蹈病，手足徐動症，帕金森病）。

　　術語

　　基底神經節系統及其組成部分的命名一直存在問題。早期的解剖學家，看到宏觀的解剖結構，但對細胞結構或神經化學一無所知，將現在被認為具有不同功能的成分（例如蒼白球的內部和外部部分）組合在一起，並為組成部分提供了不同的名稱。現在被認為是功能上單一結構的一部分（如尾狀核和殼核）。

　　術語「基礎」來自於其大部分元素位於前腦的基底部分的事實。術語神經節是一個誤稱：在現代使用中，神經簇僅在周圍神經系統中被稱為「神經節」;在中樞神經系統中，它們被稱為「細胞核」。由於這個原因，基底神經節也偶爾被稱為「基底核」。[40] 解剖學術語（1998），解剖學命名的國際權威，保留「核基礎」，但這不常用。

　　國際基底神經節協會（IBAGS）[41]非正式地認為基底神經節由紋狀體，蒼白球（有兩個核），黑質（有兩個不同的部分）和丘腦底核組成，而術語解剖學排除了最後兩個。一些神經科醫生將丘腦的中心核作為基底神經節的一部分包括在內[42] [43]，還有一些還包括了腦橋腦核[44]。

　　其他動物

　　另見：靈長類動物基底神經節系統

　　基底神經節是前腦的基本組成部分之一，可以在所有脊椎動物物種中得到認可。[45]即使在七鰓鰻（通常被認為是最原始的脊椎動物之一）中，紋狀體，蒼白球和黑質元素也可以在解剖學和組織化學的基礎上被識別出來。[46]

　　給予基底神經節的各種核的名稱在不同物種中是不同的。在貓和齧齒動物中，內部蒼白球被稱為內陷性核。[47]在鳥類中，紋狀體被稱為古紋狀體，而外部蒼白球被稱為古紋狀體（paleostriatum primitivum）。

　　基底神經節的比較解剖學中一個明顯的新興問題是通過系統發育作為收斂的皮質重入環以及皮質地幔的發育和擴張來發展該系統。然而，關於收斂選擇性處理發生的程度與基底神經節的可重入閉合環內的分離並行處理之間存在爭議。無論如何，基底神經節向哺乳動物進化的皮質重入系統的轉變是通過從中腦目標（如上丘腦）輸出的蒼白球（或「古紋狀體」）輸出的重新定向發生的，如在蜥蜴腦中發生的，腹側丘腦的特定區域並從那裡返回到大腦皮層的特定區域，這些區域形成突出到紋狀體中的那些皮層區域的子集。從蒼白球內部到丘腦腹側的通路的突然延伸性重新定向 - 通過豆狀核袢的路徑 - 可以被視為基底神經節流出和目標影響的這種進化轉變的足跡。

　　丁香葉