人腦工作機制（21）：基底神經環路（一）——「主要構成及工作機制總述」。

來自專欄人腦工作機制分析和猜想4 人贊了文章

一、基底神經環路主要構成及其工作機制總述。

摘要：本篇對基底神經環路的主要構成及工作機製做概括性論述。而環路的各個核團的具體作用及其工作機制另在各自的文章中進行詳細闡述。（重點在蒼白球、底丘腦和黑質）。

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背景理論。對於基底神經環路，目前的共識是這一環路涉及對機體運動的精細控制，但具體的控制機制及細節仍不明。大部分文獻是以「直接環路和間接環路」的假說為基礎來分析，直接環路是「皮質—紋體—蒼白球內側份/黑質網狀部—丘腦—皮質」，間接環路是「皮質—紋體—蒼白球外測份—底丘腦—蒼白球內側份/黑質網狀部—丘腦—皮質」，直接環路易化運動，間接環路抑制運動，兩條環路共同作用於同一運動神經輸出，協調控制同一動作。當黑質的多巴胺（DA）神經對兩條環路同時起調製作用時產生正常運動，當DA缺乏時只有間接環路起作用，皮質運動神經興奮性下降，引起運動不能或運動過緩，也即帕金森病（PD）。

但該假說沒能以神經元層面來描述該環路對運動的控制過程，仍然是一種黑盒子解釋，增加什麼便易化運動，減少便抑制運動。該假說也沒能解釋該環路對運動控制的意義何在，如果僅僅是為了以易化或抑制來平衡控制運動，大腦完全能夠以更簡單更穩定的神經環路來實現。基底環路存在多個神經核團，核團之間的交叉投射非常複雜，其神經元數量巨大且神經活動十分活躍，這些核團一旦出現問題又容易產生多種嚴重的癥狀不同的運動障礙，——大腦既然進化或者說保留這一高成本高耗能又高風險的複雜環路，絕不會只是對運動起易化和抑制這麼簡單，它應該是直接參与了運動過程的具體和細節性的控制，具有更加重要的功能和更加顯著的存在理由。

筆者通過重新分析基底節各神經核團之間的神經投射，結合這些神經元的功能及其釋放遞質的性質，重新描繪出基底神經環路主要核團的神經投射關係，（圖1—1），從神經元層面來描述該環路及其各個核團的功能、工作機制及對運動的具體控制過程。本篇是結論性的總述，其各核團的具體工作機制見各部分的詳細描述。這些都是根據解剖資料和生物學原理進行分析和推論，並能夠合乎邏輯的解釋很多腦功能及腦疾病引起的運動癥狀。

1. 主環路。在基底神經中，運動信息處理的主環路是主要以Glu神經和GABA神經構成的「皮質→紋體→蒼白球（外側份、內側份）→丘腦→皮質」的神經環路。主環路接受來自皮質輸出的包含「從哪到哪」信息（空間編碼）的並行的運動輸出信號，通過「皮質→紋體→蒼白球」多級聚合投射，整合輸出為串列的「放行」和「制動」的控制信號（時間編碼），由蒼白球內側份對「丘腦—皮質」上行通道的興奮信號進行控制，最終對皮質通過椎體系輸出到各條肌肉的運動信號進行「放行」或「制動」控制，使得運動在受控中進行，動作變得平穩圓滑和定位準確。如果沒有這一環路，皮質仍然能夠發起運動，但動作將變得粗放和難以控制。（詳見後面對於基底節環路及其各個核團的具體工作過程的詳細描述）。

2. 紋體。紋體（新紋狀體）是基底神經環路的運動信息接收端，其GABA神經接受皮質的興奮性運動信號和黑質的調製信號並進行信號整合。根據向紋體投射的皮質分區及信息不同，基底環路分成兩條並列工作的環路：⑴、「有意識動作」控制環路，該環路涉及的是有「意識」的、需要「注意」控制的、主觀上「想要」怎麼做的運動，由紋體尾核接受聯合皮質的信息輸入，其神經投射是「聯合皮質→紋體尾核→蒼白球外側份（主要在背側）→蒼白球內側份（主要在背側）→丘腦（主要是板內核）→皮質」。⑵、「無意識動作」控制環路，該環路涉及的是無「意識」的、無需「注意」控制、無需「想要」怎麼做的運動。由紋體殼核接受感覺運動皮質的信息輸入，其神經投射是：「感覺運動皮質→紋體殼核→蒼白球外側份（主要在腹外側）→蒼白球內側份（主要在腹外側）→丘腦（主要是腹前核和腹外側核）→皮質」。感覺運動皮質可以接受感覺皮質的信號（主要是視覺）並直接產生無意識的反應性或習慣性的動作，比如各種日常活動、自然反應、習慣動作和技巧動作等。

紋體內部存在相互投射和膽鹼能神經的局部投射，能夠使兩種動作進行整合，並依賴突觸可塑性將多個動作尤其是「有意識動作」整合形成運動記憶也即程序性記憶。（神經投射見圖1—2。詳見：人腦工作機制（22）：基底神經環路（二）——「紋體及兩條並列的神經環路」。注意這兩條環路跟「直接環路和間接環路」無關）。

3. 蒼白球。蒼白球內、外側份的功能是在主環路上對運動信號進行聚合式整合、將並行的空間運動信息轉換為串列的運動過程式控制制信號。紋體→蒼白球外側份→內側份這一神經投射通路的神經元數量呈現多向少的聚合投射，見圖1—3，將皮質上不同位置（空間編碼）的神經元投射到紋體上的並行運動信號，轉化為從蒼白球內側份輸出串列的「放行」和「制動」的控制信號（時間編碼）。這一整合帶來的一個重要作用是將一個空間動作分解為多段，並通過改變底丘腦核向蒼白球發放激勵脈衝的節律（頻率編碼），來改變每一小段的執行時間，從而改變該小段的運動距離，以控制整個動作幅度的大小。比如：控制一個相同的字體能夠寫大寫小。詳見： 人腦工作機制（24）：基底神經環路（四）——蒼白球及基底神經環路對動作幅度的控制。（注意這裡控制的是運動幅度而不是運動速度，運動速度是由運動皮質與丘腦配合的另一環路控制的）。

4. 底丘腦。底丘腦的主要作用是與腳橋被蓋網狀核的膽鹼能神經進行往返投射，構成激勵脈衝環路。通過往返發放產生興奮性的激勵脈衝信號，再由底丘腦核向蒼白球和黑質網狀部進行投射，這一興奮性激勵脈衝激勵著蒼白球和黑質網狀部GABA神經的工作，並控制著它們的工作節律和狀態。見圖1—4。底丘腦核這一激勵脈衝信號的發放節律，控制著蒼白球內側份向丘腦發放抑制性脈衝的節律，並通過丘腦上行通道控制皮質的運動信號的「放行」和「剎車」的時間長度，最終控制著運動動作的幅度大小。（一個動作被分為多段，該環路的工作節律越高，則每一段被「放行」得到輸出執行的時間越短，該段的運動長度便越短，動作的幅度便越小，反之則相反）。所以，底丘腦產生的激勵脈衝具有興奮激勵和時序控制的作用，對各個核團的神經元發放動作起到時間和頻率上的協同控制作用，並與蒼白球配合控制著運動動作的幅度。詳見：人腦工作機制（23）：基底神經環路（三）——底丘腦及運動神經系統的激勵脈衝控制。。

5. 黑質。黑質與紋體存在往返投射的神經投射環路，且其輸入和輸出具有交叉倒置的投射關係，（圖1—5），通過這一交叉投射，用於對基底環路每一組控制主動肌和拮抗肌的兩條神經通道產生交叉互抑（互相抑制）的調製作用，以協調控制主動肌和拮抗肌的動作，使運動能夠順暢進行，並對運動過程的減速和「制動」動作進行協調控制。

運動時，運動皮質向一組骨骼肌（主動肌）發放運動輸出信號時，需要同時抑制關聯的另一組骨骼肌（拮抗肌）的運動輸出信號，兩者才不會衝突，運動才能順暢進行，這一互抑控制的功能由黑質配合紋體和蒼白球來實現。（這一互抑作用與脊髓反射弧無關，脊髓反射弧屬於末端的被動反射）。而在運動中途需要減速、停止或改變運動方向時，黑質協調主動肌和拮抗肌的控制通道進行互相切換，通過切換主動肌和拮抗肌的工作狀態來實現。並且可能是通過對主動肌和拮抗肌進行高節律的多次切換，以快速的頻繁的「點剎車」的方式來進行，使運動的減速或制動更加平穩圓滑和定位準確。紋體向黑質網狀核的投射還存在一條通過頂蓋向動眼神經副核的投射分支，參與眼部周圍肌肉的協調控制。黑質的工作詳見： 人腦工作機制（26）：基底神經環路（六）——黑質及其特殊的「互抑」調製作用。當黑質受損，無法正常產生這種對主動肌和拮抗肌的互抑作用，便會出現肌張力和「制動」異常，導致運動障礙，也即帕金森癥狀。詳見： 人腦工作機制（28）：基底神經環路（八）——環路中不同核團損傷時對應的運動障礙。

6. 基底環路的局部神經環路。根據基底環路的神經投射及其神經元的性質，描繪出一個由主要神經元組成的局部神經環路，如圖1—6。該神經環路可以從神經元層面來描述基底環路對一組骨骼肌（主動肌和拮抗肌）的運動進行協調控制的過程。限於篇幅這裡從略，詳見： 人腦工作機制（27）：基底神經環路（七）——「基底神經環路對運動動作的具體控制過程」。

7.總述。總的說，基底神經環路的作用，是對運動皮質輸出的運動信號進行細節性的過程式控制制。運動動作「從哪到哪」主要由皮質進行控制，而在動作的運動過程中，則由基底神經環路協助進行過程式控制制。該環路的主要作用包括：⑴、通過「皮質→紋體→蒼白球」的聚合式的整合投射，將皮質輸出的並行的運動信號（空間編碼）整合為串列的運動控制信號（時間編碼），由蒼白球內側份對「丘腦—皮質」上行通道的運動激勵信號進行「放行」和「制動」控制，使機體運動在閉環的受控狀態下進行，動作更流暢圓滑。⑵、將一個動作分為若干段，通過改變這一環路的工作節律，來改變每個段的執行時間，從而控制動作的運動幅度（距離）。⑶、在運動時對各組骨骼肌互為拮抗的主動肌和拮抗肌進行協調控制，使運動得以順利進行。⑷、在運動需要減速或停止時，通過協調主動肌和拮抗肌的切換，來實現減速或制動。並通過提高環路的工作節律，通過對主動肌和拮抗肌進行高節律的多次切換，以頻繁快速的類似多次「點剎車」的方式進行，使運動的減速或制動更加平穩圓滑和定位準確。

8. 基底環路異常與運動障礙。基底神經環路並不決定皮質對運動的啟動和輸出，但它影響著運動的整合、執行和過程式控制制。根據其工作機制，如果該環路或某個核團出現問題，則會導致運動異常。包括：

⑴、當這一環路被損傷切斷時，便無法將若干運動動作組織成一組程序化的運動組合併記憶下來，也即無法形成新的程序性記憶。

⑵、如果紋體受損害而底丘腦核和蒼白球正常，則丘腦向皮質的上行信號能夠得到一定的抑制作用但這種抑制是粗糙的缺乏具體信息的，表現為一旦啟動運動便無法對運動進行過程式控制制，動作生硬，出現不受控運動，這可能是慢性進行性舞蹈病（HD）或手足徐動症（athetosis）的表現。

⑶、當底丘腦嚴重受損時，由於失去興奮性的激勵信號，蒼白球內側份失去對「丘腦—皮質」上行通道的「制動」控制，導致失去對運動皮質神經活動的過程式控制制，運動皮質一旦產生運動信號便不受控制，所以會出現不受控的、猛烈的、大幅度的肢體投擲動作，也即偏身投擲運動（hemiballism）。

⑷、當黑質功能受損時，無法正常產生對主動肌和拮抗肌的互抑作用，這將使主動肌和拮抗肌出現不協調的異常現象，根據異常程度不同而產生肌肉疲勞、鉛管樣阻力、靜止震顫、齒輪樣運動等運動障礙，即帕金森（Parkinson』s Disease，PD）癥狀。

由於核團受損時裡面不同神經元受損程度不一致，而這些神經元對應著機體的不同肌肉，所以導致的運動異常也會有不同表現。上述內容詳見：人腦工作機制（28）：基底神經環路（八）——環路中不同核團損傷時對應的運動障礙。

9.其他調製性投射。 基底神經環路也受到來自下丘腦乳頭體的組胺能神經投射，主要用於睡眠時抑制基底環路的神經活動。同時還接受杏仁核和腦幹多種調製性神經的投射，包括來自杏仁基底核的直接投射，來自網狀結構正中區的中央上核（B6）和中縫背核（B7）的5-HT的神經投射，來自中腦的腳間核和被蓋腹側區（VTA）構成的細胞複合體（A10）的多巴胺能的神經投射，以及其他多種神經遞質的神經投射。分析這些調製性神經投射的作用是調製（增強或抑制）運動神經系統的工作狀態，以便與思維、情緒、以及內臟內分泌系統的工作狀態相配合和相適應，這部分將在另外的文章進行描述。

值得特別注意的是：由於黑質緻密部主要是多巴胺神經，而在一些文章的渲染下，多巴胺已經成為鎬賞系統尤其是幸福、快樂、上癮的代名詞，某些文章甚至直接就把黑質歸到鎬賞系統去，實際上，多巴胺神經分布在中腦和間腦的多個核團，包括A8—A17，其中參與精神狀態的鎬賞系統的主要是位於被蓋腹側區的巨大的細胞複合體A10，而黑質緻密部A9的多巴胺神經主要是投射到紋體和蒼白球，參與機體運動的協調控制。而A11—A14的多巴胺神經還投射到下丘腦，可能參與激素與內分泌方面的調節。所以說，離開神經環路單獨談神經遞質的作用，與離開神經遞質單獨談神經環路的工作一樣，都是不恰當的。大腦不是化學反應器，不是你加點什麼物質進去它就產生什麼結果這麼簡單，各種神經遞質和調質起什麼作用，關鍵還得由其所在的神經環路來決定。

——ST量子寫於2017年11月。

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1、本文不是資料，而是筆者對基底環路工作機制的分析和猜想。

2、本文原創，但不清楚近期是否有其他文獻公開類似內容。

3、歡迎批評指正，或共同探討。轉載請聯繫作者。