Глава 5

ДВИГАТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

Р. Шмидт, М. Визендангер

5.1. Нервная регуляция позы и движений: общие положения

Нервная регуляция работы скелетных мышц, обсуждавшейся в гл. 4, т.е. (регуляция запуска и выполнения всех движений), осуществляется двигательными центрами ЦНС. Они должны гарантировать строго необходимую степень возбуждения и торможения иннервирующих эти мышцы мотонейронов, чтобы возникающие мышечные сокращения обеспечивали только нужное движение–не больше и не меньше. Однако точное выполнение движений возможно только в случае адекватного исходного положения туловища и конечностей. Нервная регуляция соответствия позы и движения, их правильного сопряжения – одна из важнейших функций двигательных центров.

Категории двигательных актов

Рефлекторные движения [9]. Если ущипнуть заднюю конечность децеребрированной (с интактным спинным мозгом) лягушки, она ее отдергивает. Если положить на спину такой лягушки смоченный кислотой кусочек фильтровальной бумаги, он вскоре будет сброшен точным движением ближайшей задней конечности. Подобного рода автоматическую, стереотипную, целенаправленную реакцию организма на стимул физиолог Унцер в 1771 г. назвал рефлексом. С разрушением спинного мозга все рефлексы исчезают; следовательно, они требуют активности центральной нервной системы.

Стереотипные реакции часто возникают у интактных животных, включая человека, в ответ на стимулы, поступающие из окружающей среды или из самого организма; речь идет о типе поведения, который в ходе эволюции или индивидуального развития оказался наиболее эффективным ответом на данное раздражение. Всем известно множество примеров врожденных рефлексов (безусловных по Павлову) – роговичный, кашлевой, глотательный, реакция отдергивания и т.д., а также рефлексов, приобретенных в течение жизни (условных). Однако в большинстве случаев мы их даже не осознаем. Это–рефлексы, обеспечивающие прохождение и переваривание пищи в желудке и кишечнике, непрерывно приспосабливающие кровообращение и дыхание к текущим потребностям организма, и т д.

Запрограммированные (автоматические) движения. Децеребрированные собаки способны к ритмичным движениям, например к почесыванию спины задней лапой или локомоции, даже после отключения всех сенсорных входов спинного мозга путем перерезки дорсальных корешков. Следовательно, организация движений не всегда основана на рефлексах. Еще один пример циклического процесса, регулируемого нервной системой даже в отсутствие всяких внешних стимулов,–дыхание. Такие последовательности движений, поддерживаемые ЦНС без внешней стимуляции, называются «запрограммированными», или автоматическими. Как показывает пример спинальной лягушки, даже нейронные сети, связанные только со спинным мозгом (проприоспинальная система), могут обеспечивать выполнение многих двигательных программ, требующих только первоначального запуска каким–то раздражителем.

После того как была обнаружена способность ЦНС к такой деятельности, быстро получила признание гипотеза, согласно которой движения регулируются в основном программами, а не рефлексами, и представление о «программной организации» ЦНС стало общепринятым. Дыхание, ходьба, чесание–все это примеры врожденных программ, к которым в течение жизни индивида добавляется множество приобретенных. Среди последних есть спортивные или профессиональные навыки (гимнастические движения, печатание на машинке и т.п.), становящиеся в результате соответствующей практики почти автоматическими.

В психологии представления о рефлекторном механизме движения положили начало различным теориям поведения, делающим упор на связи стимул–реакция, тогда как на концепции программной организации базируются школы, подчеркивающие независимость действий человека от внешних стимулов (их спонтанность, произвольность, непредсказуемость). Однако переоценка какого–либо одного из этих подходов малопродуктивна. Видимо, лишь сочетание их, признание того, что центральные программы подвержены влиянию сенсорных обратных связей, наилучшим образом объясняет накопленные к настоящему времени данные, предоставляя простор дальнейшим экспериментам.

Произвольные и непроизвольные движения. Терминами «произвольные» и «непроизвольные» особенно часто описывают движения в клинической практике. При этом имеется в виду, что, по мнению наблюдателя или самого больного, они производятся преднамеренно или непреднамеренно. Наблюдатель основывается на особенностях чужого поведения, больной–на своих личных ощущениях. Если не забывать об ограниченности подобных критериев, эта терминология вполне применима как для практических целей клиницистов, так и для обсуждения работы двигательных систем. Однако за рамками такого использования в медицине или психологии она в принципе неприемлема ввиду научной спорности категорий, основанных на самонаблюдении. То же самое относится к проблеме сознания и свободы воли.

Более и менее автоматические движения. В начале XX в. невролог Хьюлингс Джэксон предложил иерархическую классификацию всех движений («действий»)– от «наименее» до «наиболее» автоматических. Сегодня применимость этой системы считается ограниченной. При близком рассмотрении оказывается, что «более автоматические» по Джексону движения (например, дыхание или глотание) основаны преимущественно на врожденных центральных программах, тогда как «менее» или «наименее автоматические» главным образом заучиваются в течение жизни (например, речь, пение), хотя в процессе практики могут стать почти полностью автоматическими.

Позные и целенаправленные функции. Другой важный момент состоит в том, что значительная часть нашей мышечной деятельности направлена не на осуществление движений во внешней среде, а на принятие и поддержание позы, положения тела в пространстве. Без контроля позы со стороны двигательной системы человек беспомощно рухнет на землю, как боксер в нокауте.

Кроме того, двигательная система управляет всеми целенаправленными движениями тела во внешнем мире. Они всегда сопровождаются работой и реакциями позных механизмов, идет ли речь о подготовке к движению или о коррекции позы во время или после него. Тесная взаимосвязь между позными и целенаправленными функциями–фундаментальное свойство двигательной системы. Однако в дидактическом плане полезно рассмотреть их по отдельности; смысл этого станет ясен при обсуждении роли и центральной организации различных двигательных центров, одни из которых регулируют в основном позу, а другие – целенаправленные движения.

Локализация и функции двигательных центров

Иерархия и партнерство. Структуры, обеспечивающие нервную регуляцию позы и движения («двигательные центры»), распределены по всей центральной нервной системе– от коры больших полушарий до спинного мозга. Их иерархия совершенно очевидна; это результат постепенной эволюционной адаптации двигательной системы к выполнению все более сложных задач. Филогенетическое развитие происходит путем не столько преобразования уже существующих, сколько формирования добавочных регулирующих механизмов для выполнения новых видов деятельности. Параллельно этому повышается и специализация отдельных двигательных центров. В результате центры регуляции двигательной активности не только составляют элементы иерархической системы, но одновременно и во все возрастающей степени действуют как партнеры.

Рис. 5.1 схематически обобщает функции центральной нервной системы в ходе управления позой и движениями. Слева перечислены двигательные центры, справа указан их предполагаемый вклад в результирующий двигательный акт. Чтобы облегчить ориентацию в схеме, сделан упор на ее иерархическую организацию, а некоторые из высших двигательных центров (мозжечок, базальные ганглии, двигательный отдел таламуса) для простоты опущены (их значение будет обсуждаться ниже;

рис. 5.2). Скобки у правого столбца разграничивают фазы подготовки и реализации, из которых состоит большинство двигательных актов; слева отмечена важная роль во всех этих фазах сенсорных входов (см. ниже).

Спинальные двигательные системы. В спинном мозге сенсорные афферентные волокна образуют множество связей с мотонейронами, главным образом–через интернейроны. От того, какие связи задействованы, зависит активация или торможение определенных движений. Нейронные цепи, составляющие рефлекторные дуги, на которых основаны спинальные рефлексы, представляют собой конкретные анатомические образования. Однако их деятельность в значительной мере управляется другими спинномозговыми или вышележащими центрами, специфически модулирующими прохождение сигналов по тем или иным рефлекторным дугам.

Сам термин «рефлекс» подчеркивает, что каждое рефлекторное движение стереотипно и возникает в результате сенсорного раздражения (см. выше), как бы отраженного спинным мозгом. Однако такое определение следует расширить с учетом центральной модуляции и тормозных эффектов. Под спинальным рефлексом правильнее понимать изменение нейронной активности, вызываемое спинальными афферентами и приводящее к запуску или торможению движения. Такие рефлексы составляют как бы «библиотеку» элементарных позных и двигательных программ, которые могут в широком диапазоне модифицироваться, интегрируясь в преднамеренное движение. Организм использует

Рис. 5.1. Схема организации двигательной системы. В иерархическом порядке представлены связи между центрами нервной системы, участвующими в регуляции позы и движения. Для упрощения некоторые высшие двигательные центры (мозжечок, базальные ганглии, двигательный отдел таламуса) опущены. Их место в этой системе показано на рис. 5.2 (объяснения в тексте)

нужные программы, не привлекая высшие нервные центры к разработке деталей их выполнения.

Высшие двигательные системы. В эту категорию входят все супраспинальные центры, участвующие в двигательной регуляции. Позные функции и их координация с целенаправленными движениями контролируются главным образом структурами ствола мозга, а сами целенаправленные движения требуют участия центров еще более высоких уровней. Как показывает рис. 5.1, побуждение к действию (драйв) и стратегия движения формируются в подкорковых мотивационных областях и ассоциативной коре, затем преобразуются в программы движения, те передаются в спинной мозг, а оттуда к скелетным мышцам для реализации.

Рис. 5.2 дополняет схему рис. 5.1, представляя опущенные ранее двигательные центры, а также поясняя партнерство двигательных центров в рамках их иерархии. Ассоциативная, премоторная и моторная зоны коры больших полушарий (левый столбец рис. 5.1) здесь расположены горизонтально справа налево, что указывает на их взаимосвязь, а слева в этом ряду добавлена сенсорная кора. Нервные пути, изображенные розовым и серым, отражают

Рис. 5.2. Схема связей в двигательной системе, включая центры, опущенные на рис. 5.1. Партнерство высших двигательных центров отражено размещением их на одном горизонтальном уровне (ср. рис. 5.1). Основное внимание уделено той роли, которую играют в подготовке к движению внутренние петли, прежде всего проходящие через базальные ганглии и мозжечок

существование наряду с кортикокортикальной обработкой информации обширных кортикокортикальных петель, проходящих через внекорковые структуры, в одном случае–через ядра моста и мозжечок, в другом–через базальные ганглии. Мозжечковая петля и одна из тех, что замыкается через базальные ганглии («двигательная» петля), проходят также через двигательные ядра таламуса;

третья («комплексная») петля идет через базальные ганглии к ассоциативной коре (см. также рис. 5.20, 5.22, 5.23 и соответствующие разделы текста).

Сопровождающие движения типа взмахов рук при ходьбе или жестикуляции при разговоре во многих случаях контролируются подкорковыми структурами и не требуют обязательного участия двигательной коры. Исчезновение таких сопровождающих движений характерно для некоторых заболеваний, например паркинсонизма.

Регуляция движений глаз будет рассмотрена отдельно.

Взаимодействие между сенсорными и двигательными системами. Как следует из схем, представленных на рис. 5.1 и 5.2, сенсорная информация и двигательная активность тесно взаимосвязаны. Для правильного выполнения движений необходимо, чтобы ко всем отвечающим за это структурам в каждый момент времени поступала с периферии информация о положении тела и о ходе реализации составленной программы. Кроме того, некоторые виды сенсорной информации (например, зрительную и тактильную) можно получить только с помощью определенных двигательных актов. В обоих случаях некоторая часть сенсорных сигналов достигает двигательной системы коротким локальным путем (например, посредством спинальных рефлексов), а остальные идут по длинным рефлекторным петлям, захватывающим, по всей вероятности, кортикальные структуры.

5.2. Рецепторы двигательных систем: мышечные веретена и сухожильные органы

Морфологические аспекты

Структура мышечных веретен [25]. Практически в каждой мышце находятся рецепторы растяжения, называемые из–за своей формы мышечными веретенами. Их структура схематично показана на рис. 5.3, А. Соединительнотканная капсула окружает группу мышечных волокон, которые тоньше и короче обычных. Те, что заключены в капсулу, называются интрафузальными, все прочие, составляющие основную массу мышцы и обеспечивающие ее работу,–экстрафузальными. Различия в их размерах весьма значительны: диаметр первых 15–30 мкм, длина–4–7 мм, тогда как у вторых диаметр примерно 50–100 мкм и длина от нескольких миллиметров до многих сантиметров (см. также. Каждым своим концом мышечное веретено прикрепляется к соединительнотканной оболочке (перимизию) пучка экстрафузальных волокон при помощи напоминающих сухожилия полосок соединительной ткани длиной 0,5–1 мм.

Афферентная иннервация. Основная сенсорная иннервация мышечных рецепторов растяжения обеспечивается афферентными волокнами, ветви которых обвиваются несколько раз вокруг средней части интрафузальных волокон, образуя аннулоспиральные окончания (рис. 5.3, А). Эти толстые (диаметром около 13 мкм) миелинизированные афференты называются волокнами Ia (см. также табл. 2.1.) К каждому веретену подходит только одно волокно Ia, которое ветвится, образуя несколько аннулоспиральных окончаний, называемых также первичными окончаниями мышечных веретен.

Многим (хотя и не всем) веретенам свойственна также вторичная сенсорная иннервация. Ее афферентные волокна (волокна группы II диаметром около 9 мкм; см. табл. 2.1) тоньше образующих аннулоспиральные окончания. По аналогии с первичными окончаниями, названными так из–за принадлежности к волокнам Ia, волокнам группы II соответствуют вторичные окончания мышечных веретен. По форме они сходны с первичными, но гораздо менее однородны – часто напоминают спираль, но иногда ветвятся наподобие соцветия.

Эфферентная иннервация. Наряду с сенсорной у интрафузальных мышечных волокон (как и у экстрафузальных) есть двигательная иннервация. Эти двигательные аксоны тоньше обычных (волокон Аα, или сокращенно α–волокон) и называются волокнами Аγ (сокращенно g–волокнами). Диаметр a–волокон составляет 9–21 мкм, g–волокон–2–8 мкм (см. табл. 2.1). Диаметр мышечных волокон, иннервируемых этими типами мотонейронов, пропорционален диаметру аксонов. Причины такого соотношения неясны. Синапсы, образуемые γ–аксонами на интрафузальных волокнах, обычно располагаются ближе к их концам и напоминают по структуре концевую пластинку (рис. 5.3, А). Существует два морфологических типа таких мышечных волокон (с ядерной сумкой и с ядерной цепочкой, рис. 5.3, А), g–мотонейронов и интрафузальных синапсов (γ–концевые пластинки и γ–кустовидные окончания, рис. 5.3, А). Физиологическое значение этих

Рис. 5.3. Строение мышечных веретен и сухожильных органов. А. Схема мышечного веретена (по данным многих гистологических и физиологических исследований, прежде всего [15, 25]). Общие представления о размерах веретена дают вертикальный и горизонтальный масштабы. Б. Рисунок сухожильного органа Гольджи по данным световой микроскопии, выполненный Рамон–и–Кахалем (1906). В. Реконструкция терминального ветвления (красный цвет) Ib–волокна внутри сухожильного органа (R. V. Kristic „Die Gewebe des Menschen und der Saugetiere". Berlin–Heidelberg–New York, Springer, 1978)

различии постепенно проясняется, но здесь этот вопрос обсуждаться не будет (об этом см. [25]).

Строение сухожильных органов. У наземных позвоночных в сухожилиях всех мышц вблизи от сухожильно–мышечного соединения находятся особые рецепторы–сухожильные органы (или сухожильные органы Голъджи; рис. 5.3, Б). Они состоят из сухожильных нитей, отходящих примерно от 10 экстрафузальных мышечных волокон и заключенных в соединительнотканную капсулу. К ней подходят одно или два толстых миелинизированных афферентных аксона (диаметром 10–20 мкм), которые называются волокнами Ib. Войдя в капсулу, они разделяются на более тонкие отростки, утрачивают миелиновую оболочку и образуют сильно разветвленные окончания среди сухожильных нитей (рис. 5.3, Б, В; см. также [15]).

Распределение мышечных веретен и сухожильных органов. Мышечные веретена есть практически во всех поперечнополосатых мышцах млекопитающих. Исключение составляют наружные глазные мышцы некоторых животных, например кролика, кошки, собаки и лошади, но у человека и у многих других млекопитающих в них тоже находятся многочисленные мышечные веретена. Количество мышечных веретен в каждой мышце зависит от ее размера и функции. У человека их от 40 (в мелких мышцах кисти) до 500 (в трехглавой мышце плеча), а во всей мускулатуре около 20000. Плотность мышечных веретен, т.е. их число на 1 г мышечной ткани, особенно высока в мелких мышцах, участвующих в выполнении тонких движений, например в мелких мышцах кисти (до 130); в крупных мышцах туловища это число меньше единицы. Число сухожильных органов для разных мышц до сих пор подробно не изучено. По очень приблизительным подсчетам их 50–80 на каждые 100 мышечных веретен [1, 15, 25].

Рецепторные функции мышечных веретен и сухожильных органов

Расположение рецепторов и характер их возбуждения. По типу адекватного раздражителя мышечные веретена и сухожильные органы относятся к рецепторам растяжения. Однако их расположение различно (рис. 5.4); первые лежат параллельно экстрафузальным волокнам, а вторые соединены с ними последовательно. В результате неодинаков и характер их активации, особенно во время сокращения мышцы; это отражено на схемах (рис. 5.4).

Когда растяжение мышцы примерно соответствует ее длине покоя (рис. 5.4, А), в большинстве первичных окончаний веретен (в волокнах Ia) регистрируются импульсы, тогда как сухожильные органы (иннервируемые волокнами 10), как правило, «молчат». Во время растяжения (рис. 5.4, Б) частота импульсации в волокнах Ia возрастает; активность появляется также в сухожильных органах. При изотоническом сокращении экстрафузальных мышечных волокон (рис. 5.4, В) напряжение мышечных веретен снижается, и импульсация от них прекращается. Однако сухожильные органы при этом остаются растянутыми и частота их разряда даже кратковременно увеличивается, так как ускорение, придаваемое грузу, в какой–то момент приводит к их дополнительному растяжению.

Рис. 5.4. Схема состояния и характера импульсации мышечных веретен и сухожильных органов Гольджи в покое (А), при пассивном растяжении (Б), во время изотонического сокращения экстрафузальных мышечных волокон (В), при сокращении только интрафузальных волокон (Г, γ– активность). При сочетании состояний (Б) и (Г) афферентные волокна мышечных веретен активируются особенно сильно. Ia–импульсация первичных окончаний мышечных веретен в волокнах группы Ia. lb–импульсация сухожильных органов в волокнах группы Ib. Д. м.–длина мышцы

Следовательно, мышечные веретена регистрируют главным образом длину мышцы, а сухожильные органы–ее напряжение. Исходя из этого следовало бы ожидать, что при изометрическом сокращении частота импульсации сухожильных органов значительно возрастет, а у мышечных веретен не изменится.

Активность фузимоторных нервных волокон. Одна из причин возбуждения мышечных веретен –это, как говорилось выше, растяжение мышцы; поскольку экстрафузальные и интрафузальные волокна расположены параллельно друг другу, они растягиваются одновременно и происходит активация рецепторов растяжения (рис. 5.4, А, Б). Возбуждение первичных окончаний мышечных веретен можно вызвать и другим способом–путем сокращения интрафузальных волокон, обеспечиваемого γ–мотонейронами (рис. 5А,Г). Сила, развиваемая при сокращении даже всех этих волокон слишком мала, чтобы изменить длину или напряжение мышцы в целом. Однако при этом растягивается их центральная часть (рис. 5А,Г), а в результате возбуждаются первичные окончания мышечных веретен и их афференты, как и при растяжении всей мышцы.

Эти два механизма активации веретен–растяжение мышцы и сокращение интрафузальных волокон –могут действовать аддитивно. С другой стороны, второй из них способен в той или иной степени компенсировать эффект сокращения экстрафузальных волокон, и в результате даже при укорочении мышцы веретена будут выполнять роль датчиков длины. Иными словами, предварительное растяжение интрафузальных волокон позволяет избежать «молчания» рецепторов во время активного укорочения мышцы и сохранить их способность сигнализировать о слабых изменениях ее состояния.

Вторичные окончания мышечных веретен. Эти окончания афферентных волокон группы II тоже служат рецепторами растяжения, причем их порог возбуждения выше, чем у первичных окончаний веретен. Он может изменяться в результате сокращения интрафузальных мышечных волокон. Функция вторичных окончаний в спинальных рефлексах понятна гораздо меньше, чем функция первичных окончаний. Они служат прежде всего датчиками статической длины, а не ее изменений.

5.3. Спинальные двигательные рефлексы

Элементы рефлекторной дуги; время рефлекса.

Общее определение рефлекса приведено выше. Рефлекторная дуга состоит из афферентов, центральных нейронов и мотонейронов, последовательно активируемых во время рефлекса. Все рецепторы участвуют в тех или иных рефлексах, так что их афферентные волокна служат афферентными путями соответствующей рефлекторной дуга. Количество центральных синапсов всегда больше одного, за исключением моносинаптического рефлекса растяжения (см. ниже). Эфферентные пути образованы либо двигательными аксонами, либо постганглионарными волокнами вегетативной нервной системы, а эффекторами служат скелетные или гладкие мышцы, сердце, железы. Промежуток времени между поступлением стимула и реакцией эффектора называется временем рефлекса. В большинстве случаев оно определяется в основном временем проведения в афферентных и эфферентных путях, а также в центральных участках рефлекторной дуги (скорости проведения в нервных волокнах человека несколько ниже приведенных в табл. 2.1 для кошки [18]). Сюда добавляется время, необходимое для (1) преобразования рецептором стимула в распространяющийся импульс; (2) передачи возбуждения в синапсах центральных нейронов (синаптическая задержка); (3) передачи его от эфферентных путей к эффектору (например, для генерирования потенциала концевой пластинки) и (4) активации эффектора в результате возбуждения мембраны (например, для электромеханического сопряжения).

Рефлекторная дуга с первичными афферентами мышечных веретен

Рефлекс растяжения, вызываемый растяжением мышцы. Ia–волокна мышечных веретен образуют возбуждающие синапсы на гомонимных α–мотонейронах (т. е. мотонейронах их собственных мышц). Активация первичных окончаний мышечных веретен при растяжении мышцы ведет, таким образом, к возбуждению гомонимных мотонейронов. Схема соответствующего опыта показана на рис. 5.5. Кратковременное растяжение мышцы при легком ударе молоточка по рычажку самописца приводит после короткого латентного периода к ее сокращению (кривая в нижней левой части рис. 5.5). В этом рефлексе участвует только один синапс–между волокном Iа и гомонимным мотонейроном–поэтому он называется моносинаптическим рефлексом растяжения мышцы (используется также термин миотатический рефлекс). Это самый простой пример полной рефлекторной дуги (см. также другие примеры на рис. 5.7 и 5.8).

Наиболее известный моносинаптический рефлекс растяжения–коленный, возникающий в ответ на кратковременное растяжение четырехглавой мышцы легким ударом по ее сухожилию ниже коленной чашечки. После короткого латентного периода происходит сокращение, в результате которого приподнимается свободно висящая нижняя часть ноги. Клинически важные примеры таких рефлекторных тестов включают: растяжение мышцы, закрывающей рот, путем постукивания по подбородку (рефлекс закрывания рта); растяжение двуглавой мышцы плеча путем постукивания по ее сухожилию около локтя; растяжение трехглавой мышцы голени путем постукивания по пяточному сухожилию (рефлекс ахиллова сухожилия). Такого рода рефлексы, вызываемые постукиванием по сухожилию, клиницисты называют Т–рефлексами (от tendon–сухожилие).

Последовательная проверка рефлексов растяжения представляет интерес в связи с тем, что их дуги проходят через разные сегменты спинного мозга, а значит, нарушения определенных рефлексов могут показать, на каком его уровне локализован патологический процесс. Сила рефлекса существенно колеблется в зависимости от активности других (облегчающих или тормозных) входов к $94$

Рис. 5.5. Рефлекторная дуга моносинаптического рефлекса растяжения. Самописец, соединенный с мышцей, регистрирует изменения ее длины в увеличенном масштабе. Легкое постукивание молоточком по рычажку (отклонение записываемой кривой вниз) вызывает после короткого латентного периода сокращение мышцы. Схематически показана дуга этого рефлекса–от мышечных веретен через волокна Iа к мотонейронам и обратно к мышце

участвующим в нем нейронам (см. ниже). Поэтому, за исключением крайних случаев, клиническим показателем служит не столько ее абсолютная величина, сколько разница между рефлексами с правой и с левой стороны тела или аномалии некоторых из них, выявляемые при сравнении с общим рефлекторным поведением.

Облегчение Т–рефлексов. Если коленный и другие Т–рефлексы нижней конечности ослаблены, их можно усилить, если больной, сцепив пальцы рук перед грудью, попытается разорвать такой «замок» или сожмет ладонь другого человека (прием Ендрассика). Развиваемое при этом усилие облегчает активацию мотонейронов поясничного отдела спинного мозга. Аналогичным образом, Т–рефлексы облегчаются под влиянием слабой фоновой активности мотонейронов (т. е. при слабом напряжении иннервируемых ими мышц).

Н–рефлексы. Моносинаптический рефлекс растяжения у человека можно также вызвать электрической стимуляцией афферентов Iа в составе мышечного нерва; в этом случае его называют Н–рефлексом (по имени Р. Hoffmann). Обычно стимулируют большеберцовый нерв под коленом, регистрируя электромиографическую реакцию трехглавой мышцы голени, в частности камбаловидной мышцы в ее составе, поверхностными (накожными) или игольчатыми (внутримышечными) электродами (рис. 5.6). Поскольку у волокон Iа самый низкий среди всех нервных волокон порог возбудимости, при слабой стимуляции (20–30 В, рис. 5.6, В) сначала регистрируется только этот рефлекс (Н–волна) с латентным периодом 30–35 мс. При усилении стимуляции (выше 35 мВ, рис. 5.6, Б, В) постепенно растет возбуждение и α–мотонейронов, активирующих мышцу с латентным периодом 5–10 мс (М–волны, рис. 5.6, Б, В). По мере повышения интенсивности стимуляции оба ответа вначале увеличиваются; затем М–ответ продолжает нарастать, а Н–ответ снижается. Когда М–ответ достигает максимального уровня, Н–ответ почти совсем исчезает (при интенсивности стимуляции >95 мВ, рис. 5.6, В).

Снижение Н–ответа при усилении стимуляции обусловлено тремя факторами. 1. Наряду с волокнами Iа постепенно возбуждается все больше волокон Ib сухожильных органов Гольджи, а это вызывает торможение (гомонимных) мотонейронов (рис. 5.10). 2. Стимуляция двигательных α–аксонов ведет к генерированию не только ортодромных потенциалов действия, вызывающих М–ответ, но и антидромных импульсов, активирующих рефлекторный путь торможения Реншоу. 3. Антидромные потенциалы действия двигательных α–аксонов распространяются также в тело и дендриты мотонейронов, встречаясь там с возбуждающими импульсами, генерированными в результате передачи сигналов от волокон Iа. При этом они либо гасят друг друга, либо антидромный импульс приводит мотонейрон в рефракторное состояние как раз в момент возбуждающего действия волокон Iа. Среди перечисленных факторов важнее всего третий.

Период молчания. После Т– или Н–рефлекса тонус мышц резко падает на короткий период времени (100– 500 мс). Этот пострефлекторный период молчания обусловлен сочетанием, по крайней мере, четырех факторов.

1. Синхронное рефлекторное сокращение снимает напряжение мышечных веретен и, следовательно, ослабляет или прекращает тоническую возбуждающую афферентную стимуляцию, обеспечиваемую их первичными окончаниями (см. рис. 5.4, В).

2. Рефлекторное сокращение активирует сухожильные органы Гольджи, а это оказывает тормозное действие на гомонимные мотонейроны (см. рис. 5.10). 3. Синхронное возбуждение мотонейронов на короткое время усиливает торможение, производимое клетками Реншоу (см. рис. 5.12). 4. Гиперполяризующие следовые потенциалы после потенциалов действия в мотонейронах, участвующих в рефлексе, временно снижают их возбудимость.

Роль рефлекса растяжения в регуляции длины мышцы. Физиологическое значение моносинаптических рефлекторных дуг далеко не ограничивается их использованием в диагностике. Их следует рассматривать в первую очередь как механизм регуляции длины мышц. Растяжение мышцы вызывает активацию мышечных веретен, моносинаптическое возбуждение мотонейронов и сокращение, т. е. укорочение мышцы, противодействующее ее растяжению. Рефлекторное поддержание мышечной длины особенно важно для сохранения тонуса позных

Рис. 5.6. Индукция и регистрация Н– и Т–рефлексов у человека. А. Схема экспериментальной установки. Для запуска Т–рефлекса трехглавой мышцы голени по сухожилию ударяют молоточком с контактным переключателем. Замыкание контакта в момент удара включает развертку луча осциллоскопа, и происходит электромиографическая запись реакции. Н–рефлекс вызывают путем раздражения бопьшеберцового нерва через кожу прямоугольными импульсами тока длительностью 1 мс, синхронно запускающими развертку луча осциллоскопа. Б. Запись Н–и М–ответов при увеличении интенсивности стимула. В. Зависимость амплитуд Н– и М–ответов (ось ординат) от интенсивности стимула (ось абсцисс). Данные по здоровому испытуемому, (б, В по Hopf, Struppler: "Elektromyographie. Stuttgart: Thieme, 1974)

мышц. Например, когда человек стоит, каждое сгибание в коленном суставе, даже такое слабое, что его невозможно ни увидеть, ни почувствовать, сопровождается растяжением четырехглавой мышцы и соответствующим усилением активности первичных окончаний мышечных веретен. В результате происходит дополнительная активация α–мотонейронов четырехглавой мышцы («коленный рефлекс», рис. 5.7) и повышение ее тонуса, противодействующее сгибанию. И наоборот, слишком сильное сокращение мышцы ослабляет стимуляцию ее рецепторов растяжения. Частота их импульсации, возбуждающей мотонейроны, уменьшается, и мышечный тонус ослабевает. Такова регулирующая цепь, поддерживающая постоянство мышечной длины.

Реципрокное торможение агонистов афферентами Iа. Волокна Iа образуют не только моносинаптические возбуждающие связи с гомонимными мотонейронами в составе дуг рефлекса растяжения, но и тормозные связи с мотонейронами–антагонистами (рис. 5.7). Тормозная рефлекторная дуга включает центральный интернейрон, следовательно относится к дисинаптическому типу–в ней два центральных синапса: возбуждающий между волокнами Ia и интернейронами и тормозной между аксонами интернейронов и мотонейронами. Поскольку это самая короткая тормозная рефлекторная дуга среди всех известных, в ее случае говорят о прямом торможении. Однако предпочтительнее термин реципрокное антагонистическое торможение, подчеркивающий, что за счет такой рефлекторной дуги мотонейроны каждой мышцы–антагониста в паре (например, сгибателя и разгибателя в данном суставе) тормозятся во время активации другого компонента пары [б].

В функциональном плане реципрокное антагонистическое торможение усиливает результат активации волокон Ia, вызывающей или усиливающей сокращение одной из мышц сустава, путем одновременного ослабления возбуждающей стимуляции мышцы, которая противодействовала бы этому сокращению. Поскольку и в последней мышце есть волокна Ia, связанные с ее антагонистом, вся

Рис. 5.7. Дуги рефлекса растяжения и реципрокного торможения мышц–антагонистов. С–мотонейроны сгибателей коленного сустава; Р–мотонейроны разгибателей коленного сустава. На схеме показаны мышцы–сгибатели и разгибатели сустава и отражена роль синапсов

система состоит из четырех рефлекторных дуг (рис. 5.7). При их активации пассивным (вызванным внешним воздействием) изменением положения сустава рефлексы этому изменению противодействуют, способствуя поддержанию исходной длины мышцы. Так, если под действием силы тяжести коленный сустав (рис. 5.7) начинает сгибаться, растяжение мышечных веретен разгибателя (первый рефлекс) усиливает возбуждение гомонимных мотонейронов и (второй рефлекс) торможение мотонейронов сгибателя. Кроме того, уменьшение растяжения мышечных веретен сгибателя ослабляет (третий рефлекс) возбуждение гомонимных мотонейронов и (четвертый рефлекс) реципрокное торможение мотонейронов разгибателя (это называют растормаживанием). В конечном счете мотонейроны разгибателей возбуждаются, а сгибателей–тормозятся. Все четыре рефлекторные дуги в совокупности образуют систему регуляции длины мышцы.

Функции γ–петли

Сокращения мышцы, вызываемые активацией интрафузальных волокон. При возбуждении первичных окончаний мышечных веретен в результате сокращения интрафузальных волокон, вызванного γ– мотонейронами (рис. 5.4,7), активность волокон Iа непосредственно возбуждает гомонимные

Рис. 5.8. g–Петля (А, красный цвет) и влияние фузимоторных волокон на частоту импульсации первичного окончания мышечного веретена (Б, ось ординат). Активация g–петли супраспинальными центрами обычно сопровождается одновременным возбуждением гомонимных α–мотонейронов (коактивация α– и g– мотонейронов; черный и красный нисходящие пути). Б. Зависимость импульсации первичного окончания мышечного веретена камбаловидной мышцы кошки от ее длины в покое (ось абсцисс) и от частоты стимуляции фузимоторного γ–волокна (Б по A. Crowe, P. В. С. Matthews, 1964, J. Physiol. (Lond.), 174, 109 (1964) с изменениями)

мотонейроны, как и при растяжении мышцы. Таким образом, мышечные веретена могут вызывать сокращения экстрафузальных волокон в двух случаях: (1) при растяжении мышцы; (2) при активации аксонов γ–мотонейронов, приводящей к сокращению интрафузальных волокон. Второй механизм получил название γ –петли (рис. 5.8,А).

Преимущество прямой активации α–мотонейронов супраспинальными центрами–короткий латентный период, но ее недостаток состоит в нарушении тонкого равновесия системы регуляции мышечной длины, включающей рефлекс растяжения. В результате растяжение веретен соответствующей мышцы может стать недостаточным (подпороговым) или избыточным (насыщающим). В отличие от этого, активация γ–петли обеспечивает укорочение мышцы с минимальными (если они вообще происходят) изменениями частоты импульсации афферентов мышечных веретен.

На рис. 5.8,5 графически изображены взаимосвязь между длиной мышцы (ось абсцисс) и частотой импульсации первичного афферента веретена (ось ординат) при разных частотах стимуляции (0, 30, 50, 90 Гц) соответствующего g–волокна. Так, при ее повышении с 30 до 50 Гц частота афферентных импульсов изменяется от уровня 1 до уровня 2. Затем мышца сокращается (точка 3), в результате чего восстанавливается исходная частота афферентной импульсации. Таким образом, у–эфференты позволяют изменять длину мышцы без непрерывных колебаний активности рецепторов мышечных веретен. В этом примере за сокращением интрафузальных мышечных волокон следует усиление сокращения экстрафузальных мышечных волокон до тех пор, пока не восстановится исходная частота импульсации первичных афферентов веретен. Значит, γ–петля, включающая дугу рефлекса растяжения, представляет собой сервомеханизм, в котором длина мышечных веретен (регулирующая переменная) управляет длиной мышцы (регулируемая переменная).

Коактивация альфа– и гамма–мотонейронов при движениях. В прошлом считалось, что прямое возбуждение α–мотонейронов при целенаправленных движениях (рис. 5.8, А) происходит преимущественно тогда, когда важнее всего их высокая скорость, а активация γ–петли используется для выполнения особенно тонких и мелких движений. Однако, как выяснилось в дальнейшем, хотя сокращение экстрафузальных волокон и сопровождается обычно усилением импульсации афферентов мышечных веретен (и следовательно, сокращением интрафузальных волокон), это усиление не предшествует самому движению, как наблюдалось бы в том случае, если бы движение было обусловлено γ–мотонейронами, а, напротив, возникает с короткой задержкой после его начала (рис. 5.9). Значит, α– и γ–мотонейроны возбуждаются одновременно; однако начало импульсации афферентов мышечных веретен отстает от вспышки электромиографически регистрируемой активности из–за относительно низкой скорости проведения по у–волокнам и латентного периода сокращения интрафузальных волокон [52]. Такая коактивация α– и γ–мотонейронов называется также α– γ– сопряжением. Из этого следует, что главное назначение γ–иннервации, возможно, в том, чтобы предотвратить во время сокращения экстрафузальных волокон расслабление мышечных веретен, а следовательно, сохранить их адекватную рецепторную функцию и, таким образом, стабилизирующий эффект рефлекса растяжения даже во время движения. Кроме того, усиление активности мышечных веретен при возбуждении γ–мотонейронов способствует развитию начавшегося движения [4, 15, 52], аналогично тому, как при подключенном сцеплении повышается точность поворотов и торможения автомобиля; одновременно чувствительность рецептора регулирующей системы (первичных окончаний мышечных веретен) поддерживается в адекватном диапазоне. Следовательно, γ–петля представляет собой сервомеханизм для оптимизации движений.

Рис. 5.9. Коактивация α и g –мотонейронов при произвольных движениях пальцев рук человека. Испытуемый выполнил три сгибательных движения пальца (А Б, В). Верхняя осциллограмма в каждой паре–активность афферента мышечного веретена (MB) длинного сгибателя пальца; нижняя запись–электромиограмма (ЭМГ) той же мышцы (регистрация игольчатыми электродами), отражающая активность α –мотонейронов [52]

Рефлекторные дуги вторичных афферентов мышечных веретен

Центральные связи афферентов группы IIа мышечных веретен существенно отличаются от образуемых волокнами Iа. Кроме моносинаптических возбуждающих связей с гомонимными мотонейронами (их наличие твердо доказано, однако распространенность и функциональное значение еще не установлены), они образуют сегментарные рефлекторные дуги, во многом сходные с дугами афферентов, вызывающих сгибательный рефлекс. В результате в некоторых условиях вторичные афференты, независимо от того, к какой мышце относятся, оказывают в соответствующей конечности возбужающее влияние на все сгибатели и тормозное–на все разгибатели. Таким образом, их действие в отличие от волокон Iа не ограничивается только синергистами и антагонистами одного и того же сустава, а регулирует движение всей конечности [36].

Двигательные рефлекторные дуги афферентов сухожильных органов

Сегментарные связи волокон Ib в функциональном плане на первый взгляд представляют собой зеркальное отражение тех, что соответствуют волокнам Ia. Как показано на рис. 5.10, сухожильные органы образуют ди– и трисинаптические тормозные связи с гомонимными мотонейронами и с мотонейронами мышц–агонистов (такое торможение

Рис. 5.10. Внутрисегментарные связи волокон Ib от сухожильных органов. Схема аналогична представленной на рис. 5.7. Возбуждающая связь волокна Ib (от мышцы–сгибателя) с мотонейроном разгибателя (Р) не изображена, поскольку соответствующий рефлекс обычно не наблюдается

называется аутогенным, т.е. самоторможением), а также дисинаптические возбуждающие связи с мотонейронами мышц антагонистов [6]. Следует, однако, отметить, что такая закономерность наблюдается не всегда. Так, возбуждающее влияние волокон Ib мышц–сгибателей на мотонейроны разгибателей иногда незаметно или проявляется лишь при некоторых условиях; очевидно, здесь главная роль принадлежит супраспинальной регуляции. Кроме того, функция афферентов Ib не сводится исключительно к аутогенному торможению, поскольку они влияют на мотонейроны не только синергистов и антагонистов, но и мышц, относящихся к другим суставам [6].

Функции сухожильных органов. Так как сухожильные органы–рецепторы напряжения мышцы, его увеличение при сокращении экстрафузальных волокон приводит за счет активации афферентов Ib к торможению гомонимных мотонейронов. И напротив, ослабление мышечного тонуса вызывает их растормаживание (уменьшение степени торможения) и тем самым активацию. Другими словами, рефлекторная дуга сухожильных органов служит для поддержания постоянства напряжения мышцы.

Следовательно, у каждой мышцы две регуляторные системы обратной связи: регуляции длины с мышечными веретенами в качестве рецепторов и регуляции напряжения, рецепторами в которой служат сухожильные органы. Влияние системы регуляции длины в принципе ограничивается одной мышцей и ее антагонистом, тогда как регуляция напряжения с участием афферентов Ib относится к мышечному тонусу всей конечности.

С точки зрения теории систем управления не вполне понятно, зачем нужно регулировать одновременно и длину, и напряжение. При идеальной организации системы контроля длины развиваемая мышцей сила всегда пропорциональна частоте эфферентной импульсации а–мотонейронов, и контроль напряжения оказывается излишним. Но из гл. 4 мы знаем, что сила, развиваемая мышцей, зависит и от других факторов–степени ее предварительного растяжения, скорости сокращения, утомления. Обусловленное этими факторами отклонение мышечного напряжения от нужной величины регистрируется сухожильными органами и корректируется системой регуляции напряжения.

При изменениях внешней нагрузки на мышцу физически невозможно поддерживать постоянными и ее длину, и напряжение. Если нагрузка возрастает, должно произойти либо удлинение мышцы, либо увеличение ее напряжения при постоянной длине. В такой достаточно обычной ситуации системы регуляции длины и напряжения как бы противодействуют друг другу. По мнению Хука [33], подобный конфликт разрешается тем, что на постоянном уровне поддерживается не длина и не напряжение мышцы, а ее жесткость, т.е. отношение изменения напряжения к изменению длины. Эта гипотеза пока находится на стадии экспериментальной проверки.

У децеребрированных животных и у больных со спастическим повышением мышечного тонуса пассивное растяжение мышц вызывает (за счет рефлекса растяжения) увеличение их напряжения, однако при крайней степени растяжения мышечный тонус внезапно падает. Такое резкое его снижение, названное «феноменом складного ножа», объясняли тормозным действием сухожильных органов Гольджи [15]. Роль аутогенного торможения видели в предохранении мышцы от чрезмерного растяжения, при котором может произойти разрыв сухожилия или ее самой. Однако, поскольку импульсация сухожильных органов и соответствующая реакция возникают даже при минимальном повышении напряжения мышц при их сокращении, маловероятно, чтобы такие «защитные рефлексы» составляли важную функцию этих рецепторов.

Полисинаптические рефлексы

За исключением моносинаптического рефлекса растяжения и дисинаптической тормозной рефлекторной дуги волокон Ib, все рефлекторные дуги включают два или более последовательно связанных центральных нейронов, т.е. являются полисинаптическими.

Рецептор такой дуги часто расположен не в той части тела, где эффектор. Примерами служат вегетативные рефлексы [45], дуги которых заканчиваются эффекторами вегетативной нервной системы, и полисинаптические соматические рефлексы со скелетными мышцами в качестве эффекторов. Последним принадлежит главная роль при любых движениях, но особенно при избегании повреждающих воздействий (оборонительные рефлексы).

Свойства полисинаптических рефлексов. В качестве примера полисинаптических рефлексов рассмотрим кашлевой, относящийся к типичным оборонительным. Как известно, ощущение слабого «першения» или «царапания» в горле вызывает кашель, но не сразу, а через короткое время. Задержка связана с тем, что при полисинаптических рефлексах подпороговые стимулы суммируются до надпорогового. Такая суммация представляет собой центральный процесс: она происходит на уровне интернейронов и мотонейронов, а не периферических рецепторов. Неприятные субъективные ощущения (першение, царапание), предшествующие кашлю, убедительно свидетельствуют об опережающем возбуждении рецепторов, ответственных за развитие рефлекса.

По мере увеличения интенсивности стимуляции период времени между началом раздражения (першением) и рефлекторным ответом (кашлем) укорачивается. Иными словами, время рефлекса полисинаптической дуги зависит от интенсивности стимуляции: чем она сильнее, тем раньше активируются эффекторы. Уменьшение времени рефлекса объясняется тем, что при росте количества и усилении активности реагирующих на стимул периферических рецепторов быстрее достигается надпороговый уровень возбуждения центральных органов, т. е. время рефлекса уменьшается в первую очередь благодаря временному и пространственному облегчению.

Интенсивность стимуляции влияет и на силу ответа– от легкого покашливания до продолжительного сильного кашля. Это также составляет характерную особенность полисинаптических двигательных рефлексов. Усиление ответа основано на постепенном вовлечении все новых групп мышц; такой процесс назван иррадиацией.

Пластичность ответа при полисинаптических рефлексах с пространственно разделенными рецепторами и эффекторами проявляется и в ряде других особенностей, включая «локальный знак», привыкание (габитуацию), сенситизацию и кондиционирование. Термином «локальный знак» обозначают свойство, иллюстрируемое реакцией на болевое раздражение ноги: степень сокращения сгибателей бедра, колена и стопы зависит от места стимуляции. Привыкание представляет собой ослабление рефлекторного ответа на неболевой и неповреждающий стимул (например, поглаживание кожи живота), который часто повторяется в одном и том же месте с одинаковой интенсивностью. Ослабление ответа не связано с изменениями возбудимости участвующих в рефлексе рецепторов, мотонейронов и скелетных мышц [24, 41]. Изменение места или параметров раздражения (особенно–повышение интенсивности) восстанавливает нормальный ответ т.е. происходит отвыкание (дизгабитуация). Этому способствует также длительный перерыв в раздражении. Габитуация полисинаптических рефлексов, вероятно, основана на синаптической депрессии, по крайней мере, у беспозвоночных.

Ритмические болевые стимулы могут приводить к сенситизации. При этом порог рефлекса снижается, его время укорачивается, рецептивное поле расширяется и происходит иррадиация [31]. Термин кондиционирование означает долговременные изменения рефлекторного ответа, обусловленные способностью полисинаптических рефлексов к адаптации и научению. Например, в опыте, когда болевое раздражение можно прекратить только путем движения в сторону стимула, удается вызвать реверсию нормального сгибательного рефлекса [30].

Сгибательный и перекрестный разгибательный рефлексы. Если вызвать болевое раздражение задней конечности спинального животного (ущипнуть, ударить электротоком, прикоснуться горячим предметом), она отдергивается путем сгибания в голеностопном, коленном и бедренном суставах. Болевое раздражение передней конечности вызовет аналогичный сгибательный рефлекс. Соответствующие рецепторы находятся в коже. Обеспечиваемое ими движение направлено на удаление конечности от источника болевого (а следовательно, повреждающего) стимула; значит, это типичный оборонительный рефлекс. Его характеристики, а также возможность вызвать его у спинального животного показывает, что речь идет о полисинаптической рефлекторной дуге, которая замыкается на уровне спинного мозга (рис. 5.11).

Рефлекторное сгибание задней или передней конечности часто сопровождается разгибанием противоположной (контралатеральной) конечности, особенно при болевом раздражении. Такой ответ называется перекрестным разгибательным рефлексом, потому что импульсы ноцицептивных волокон переходят на противоположную сторону спинного мозга, запуская там реакцию разгибания. Как показывает рис. 5.11, болевое раздражение конечности активирует на сегментарном уровне четыре двигательные рефлекторные дуги: на ипсилатеральной стороне сгибатели возбуждаются, разгибатели тормозятся; на контралатеральной происходит прямо противоположное.

Не у каждого есть возможность наблюдать сгибательный рефлекс, перекрестный разгибательный рефлекс и связанное с ними реципрокное торможение на спинальном животном в лаборатории. Однако сгибательный рефлекс можно заметить и без всякой спинализации у домашних животных в первые дни их жизни, а также у младенцев. В этом возрасте высшие двигательные центры еще не «созрели», и простые спинальные рефлексы не интегрированы в сложное двигательное поведение. Четкие сгибательные рефлексы сохраняются и у взрослых – например, отдергивание руки от горячего предмета или босой ноги от острого камня.

Рис. 5.11. Внутрисегментарные связи афферентного волокна от болевого рецептора кожи стопы. Красным показаны афферентное волокно группы III и рефлекторные дуги ипсилатерального сгибательного и контралатерального разгибательного рефлексов. Р–мотонейроны разгибателей, С–мотонейроны сгибателей

Афференты сгибательного рефлекса. Самые разнообразные сгибательные рефлексы могут возникать при электрическом раздражении любых нервов, особенно если интенсивность стимула превышает порог возбуждения афферентов группы III и IV, которые в связи с этим называются афферентами сгибательного рефлекса [27]. Однако они образуют также реципрокные связи с теми же мотонейронами той же конечности–т.е. возбуждающие с мотонейронами разгибателей и тормозные с мотонейронами сгибателей. Следовательно, каждое такое афферентное волокно составляет с каждой группой мотонейронов возбуждающую и тормозную рефлекторную дугу. Конкретная реакция определяется регулирующими входами от высших двигательных центров, а также, по–видимому, положением и этапом движения конечности в данный момент времени [12].

Функции мышечных афферентов групп III и IV. В отличие от мышечных афферентов групп I и II, участвующих преимущественно в регуляции движений, афференты групп III и IV (более половины всех афферентных волокон в составе мышечных нервов) выполняют и другие не менее важные функции. Некоторые из них отвечают за

Рис. 5.12. Возвратное торможение Реншоу и пресинаптическое торможение в спинальных двигательных рефлекторных дугах. Р–мотонейрон разгибателя, С мотонейрон сгибателя

мышечную боль [15], другие, оказывая влияние на вегетативную иннервацию мышц, участвуют в регуляции мышечного кровотока.

Функции суставных афферентов. Нервы суставов тоже содержат главным образом тонкие афферентные волокна групп III и IV, а также меньшее количество афферентов группы II. Судя по всему, вклад всех этих волокон в осознанное восприятие положения и движений суставов невелик. Возможно, их главное назначение–ноцицепция (т.е. сигнализация о суставной боли) и рефлекторное торможение движений, не соответствующих нормальному рабочему диапазону для данного сустава.

Возвратное и пресинаптическое торможение в спинальных двигательных системах. Как показывает рис. 5.12, от мотонейронов спинного мозга отходят коллатерали к интернейронам, аксоны которых в свою очередь образуют тормозные синапсы на этих мотонейронах. Такая тормозная цепь осуществляет торможение Реншоу (по имени ее первооткрывателя), а ее тормозные интернейроны называются клетками Реншоу. Это типичный пример торможения по принципу отрицательной обратной связи, поскольку интернейроны тормозят те клетки, которые вызвали их возбуждение. Очевидно, торможение Реншоу служит для предотвращения неконтролируемых колебаний активности мотонейронов. В частности, оно, по–видимому, ограничивает частоту импульсации статических мотонейронов, обеспечивающих изометрические сокращения. Предполагают, что ослабление такого действия клеток Реншоу служит причиной патологического повышения мышечного тонуса (спастичности).

Механизмы пресинаптического торможения и его возможные последствия обсуждались в гл. 3. Еще один его аспект представлен на рис. 5.12: активность первичных афферентов особенно часто регулируется пресинаптически посредством либо торможения по принципу отрицательной обратной связи, либо опережающего (поступательного) торможения. В последнем случае оно происходит без предварительного возбуждения первичных афферентов (афферент Iа сгибателя на рис. 5.12). Как правило, кожные афференты по сравнению с мышечными находятся под более сильным спинальным и нисходящим пресинаптическим контролем. Однако специфическая роль такого торможения в рефлекторной активности спинного мозга мало исследована [46, 47].

Перекрестные связи между сегментарными рефлекторными дугами. Рефлекторные дуги, о которых до сих пор шла речь, не полностью изолированы друг от друга. Даже на сегментарном уровне на их интернейронах происходит широкая конвергенция сигналов от разных источников. Примером служит (рис. 5.12) торможение клетками Реншоу интернейронов, участвующих в реципрокном торможении мышц–антагонистов (тормозных интернейронов Ia). Кроме того, на эти интернейроны оказывают тормозное и возбуждающее влияние другие афференты (сгибательного рефлекса) и высшие двигательные центры. Функциональное значение таких связей до конца не ясно, но по их поводу нетрудно сделать некоторые предположения. Так, выключение торможения мышцы–антагониста может оказаться полезным, когда необходимо стабилизировать положение какого–либо сустава путем одновременного сокращения агонистов и антагонистов.

Проприоспинальная система и функциональные возможности изолированного спинного мозга

Межсегментарные рефлекторные связи. В спинном мозге помимо описанных выше рефлекторных дуг, ограниченных пределами одного или нескольких сегментов, действуют восходящие и нисходящие межсегментарные рефлекторные пути. Интернейронами в них служат проприоспинальные нейроны, тела которых находятся в сером веществе спинного мозга, а аксоны поднимаются или спускаются на различные расстояния в составе проприоспинальных трактов белого вещества, никогда не покидая спинной мозг. Опыты с дегенерацией нервных структур (в которых полностью изолируются отдельные части спинного мозга) показали, что к проприоспинальным нейронам относится большинство его нервных клеток. Некоторые из них образуют независимые функциональные группы, ответственные за выполнение автоматических движений, упоминавшихся в начале главы (автоматических программ спинного мозга). Межсегментарные рефлексы и эти программы способствуют координации движений, запускаемых на разных уровнях спинного мозга, в частности передних и задних конечностей, конечностей и шеи [12, 20]. По–видимому, афферентные импульсы таких межсегментарных рефлексов идут главным образом от вторичных окончаний мышечных веретен, кожных рецепторов и других афферентов сгибательного рефлекса, но не от волокон Iа и Ib.

Благодаря этим рефлексам и автоматическим программам спинной мозг способен обеспечивать сложные согласованные движения в ответ на соответствующий сигнал с периферии или от вышележащих отделов центральной нервной системы. Здесь можно говорить о его интегративной функции, хотя следует иметь в виду, что у высших позвоночных (в частности, у млекопитающих) возрастает регуляция спинальных функций высшими отделами центральной нервной системы (процесс энцефализации).

Спинальная локомоция. Как уже отмечалось, Основные характеристики локомоции, т.е. перемещения человека или животного в окружающей среде при помощи координированных движений конечностей, запрограммированы на уровне спинного мозга [12, 50]. Болевое раздражение какой–либо конечности спинального животного вызывает рефлекторные движения всех четырех; если же такая стимуляция продолжается достаточно долго, могут возникнуть ритмичные сгибательные и разгибательные движения не подвергающихся раздражению конечностей. Если такое животное поставить на тредбан, то при некоторых условиях оно будет совершать координированные шагательные движения, весьма сходные с естественными. Их выполнение обеспечит изолированный спинной мозг в отсутствие обратной афферентации от рецепторов, активирующихся во время локомоции.

У спинального животного, анестезированного и парализованного кураре, в определенных условиях можно зарегистрировать ритмично чередующиеся залпы импульсов мотонейронов разгибателей и сгибателей, примерно соответствующие наблюдаемым при естественной ходьбе. Поскольку такая импульсация не сопровождается движениями, ее называют ложной локомоцией. Она обеспечивается пока еще не идентифицированными локомоторными центрами спинного мозга. По–видимому, для каждой конечности существует один такой центр. Активность центров координируется проприоспинальными системами и трактами, пересекающими спинной мозг в пределах отдельных сегментов.

Предполагают, что у человека тоже есть спинальные локомоторные центры. По–видимому, их активация при раздражении кожи проявляется в виде шагательного рефлекса новорожденного. Однако по мере созревания центральной нервной системы супраспинальные отделы, очевидно, настолько подчиняют себе такие центры, что у взрослого человека они утрачивают способность к самостоятельной активности. Возможно, именно поэтому у больных с параплегией (см. ниже) пока еще не удавалось добиться координированной локомоции.

Таким образом, даже на уровне спинного мозга обеспечиваются запрограммированные (автоматические) двигательные акты, рассматривавшиеся в начале главы. Подобные независимые от внешней стимуляции двигательные программы гораздо шире представлены в высших двигательных центрах. Некоторые из них (например, дыхание) врожденные, другие же (например, езда на велосипеде) приобретаются в процессе научения. Спинальные и супраспинальные двигательные программы не только не зависят от внешних стимулов, но могут осуществляться и в отсутствие обратной афферентации.

Параплегия. Вопрос о том, какие движения могут обеспечивать рефлексы изолированного спинного мозга человека, имеет большое практическое значение. Это связано с тем, что случаи травматического разрыва спинного мозга (в частности, при автомобильных катастрофах) участились, а современные методы интенсивной терапии, давая возможность спасти жизнь все большего числа таких пострадавших, ставят вопрос об их реабилитации и возвращении к полезной жизни.

Полная параплегия (возникающая обычно при разрыве спинного мозга в грудном отделе–от Т2 до Т12) сопровождается: (1) мгновенным и окончательным параличом всех произвольных движений мышц, иннервируемых от сегментов, расположенных каудальнее места повреждения; (2) полной и окончательной потерей осознаваемой чувствительности областей тела, соответствующих этим сегментам; (3) временной полной арефлексией, т.е. временным исчезновением всех двигательных и вегетативных рефлексов в тех же областях тела.

В последующие недели и месяцы двигательные рефлексы восстанавливаются. При правильном лечении этот процесс проходит через ряд закономерных стадий, хотя возможны и различные индивидуальные отклонения. Таких стадий четыре: (I) полная арефлексия (обычно 4–6 недель); (2) период небольших рефлекторных движений пальцев ног, в первую очередь–большого (от двух недель до нескольких месяцев); (3) постепенное усиление сгибательных рефлексов–сначала большого пальца ноги (рефлекс Бабинского) и голеностопного сустава, затем колена и бедра. Генерализованные сгибательные рефлексы в некоторых случаях сопровождаются перекрестными разгибательными. Стопа, особенно подошва, представляет самую чувствительную рефлексогенную зону для таких сложных реакций; даже ее слабое тактильное раздражение способно вызвать генерализованный сгибательный рефлекс; (4) в хронической стадии (через шесть и более месяцев) обычно продолжают преобладать сгибательные рефлексы, хотя могут усиливаться и разгибательные, иногда переходящие в длительные разгибательные спазмы. Последние бывают настолько сильными, что больной способен в течение короткого времени стоять без поддержки («спинальное стояние»). Разгибательные рефлексы легче вызвать путем быстрого небольшого растяжения мышц–сгибателей (особенно сгибателей бедра). Таким образом, на этой стадии возбудимость всех рефлекторных путей возрастает. Отклонения от описанной клинической картины, особенно наличие выраженных разгибательных рефлексов или повышение мышечного тонуса вскоре после травмы, обычно служат симптомами неполного разрыва спинного мозга, т.е. прогностическим признаком более полного восстановления двигательных и сенсорных функций [18, 34, 41].

Травматические изменения и восстановление вегетативных рефлексов (в частности, мочеиспускания и дефекации) будут рассмотрены ниже; другие аспекты двигательной реабилитации обсуждаются в разд. 5.8.

Спинальный шок. Обратимое угнетение двигательных и вегетативных рефлексов после разрыва спинного мозга называется спинальным шоком. В экспериментах на животных он возникает также при функциональной блокаде спинного мозга путем местного охлаждения или анестезии. Если в период восстановления рефлексов после первой его перерезки произвести ниже нее вторую, спинальный шок уже не развивается. Очевидно, главный фактор его возникновения – утрата связей с остальными отделами центральной нервной системы.

О причинах спинального шока и механизмах восстановления рефлексов известно очень мало. Перерезка нисходящих путей отключает множество возбуждающих входов спинальных нейронов; возможно, тормозные спинальные интернейроны растормаживаются. Оба эти фактора приведут к сильному подавлению активности рефлекторных дуг, клиническим проявлением которого будет арефлексия. В настоящее время остается открытым вопрос о механизмах восстановления конкретных спинальных функций, а также о причинах большой длительности (несколько месяцев) восстановительного периода у человека, в то время как у лягушек он составляет несколько минут, у хищных млекопитающих – часы, у макаков дни или недели, а у человекообразных обезьян–недели или месяцы.

5.4. Двигательные центры ствола головного мозга

Иерархическое положение центров ствола мозга; методы исследования. Во введении к этой главе отмечалось, что активность мотонейронов координируют двигательные центры. Именно они, расположенные в коре больших полушарий и стволе мозга, обеспечивают тонко отрегулированное пространственно–временное распределение активности популяций мотонейронов, благодаря которому адекватные движения сочетаются с необходимой коррекцией позы (рис. 5.1). У млекопитающих, особенно у приматов, главная роль в двигательном контроле принадлежит коре больших полушарий. Насколько независимы от нее стволовые центры и правомочно ли вообще рассматривать эти системы по отдельности?

Ответ на такой вопрос дает анализ филогенеза. У низших позвоночных стволовые центры в значительной степени независимы: если они интактны, повреждения переднего мозга не приводят к существенным двигательным нарушениям. Ситуация меняется в процессе эволюции мозга. У млекопитающих (особенно явно–у приматов) регулирующее влияние стволовых двигательных центров на спинальные нейронные сети подчинено коре больших полушарий. У этих животных повреждения переднего мозга вызывают гораздо более глубокие нарушения движения.

Классический метод изучения функций стволовых центров состоит в устранении связей с вышележащими отделами ЦНС, что позволяет выявить возможности независимой работы этих центров, в частности их роль в регуляции позы и мышечного тонуса. Подобные опыты с перерезками на разных уровнях ствола мозга лабораторных у животных проводились еще в начале века. Результаты их до сих пор помогают разобраться в нарушениях позных функций и мышечного тонуса при заболеваниях человека [14, 19, 20, 21].

Однако этот метод не свободен от недостатков. Интерпретация роли конкретного отдела мозга по двигательным нарушениям спорна по двум главным причинам. Во–первых, двигательные центры входят в состав системы, которая страдает как единое целое при удалении хотя бы одной части; функционирование системы обеспечивается взаимодействием и координацией многих иерархически или параллельно организованных центров. Во–вторых, нужно учитывать, что за острой фазой повреждения следует длительный процесс реорганизации ЦНС (см. разд. 5.8). Тем не менее, если не забывать об этих ограничениях, тщательный количественный анализ экспериментальных нарушений может дать ценные сведения о роли определенных центров ствола головного мозга в конкретных двигательных функциях.

Ниже описаны наблюдения, доказывающие фундаментальное участие этих центров в регуляции позы тела, хотя у животного, лишенного переднего мозга, такая регуляция уже не интегрирована с контролем целенаправленных движений. Влияние ствола осуществляется через нисходящие пути в спинной мозг, о которых накоплено много анатомических и электрофизиологических (опыты со стимуляцией и регистрацией активности) данных. В последнее время главное внимание исследователей направлено на сложные механизмы поддержания вертикального положения тела (в том числе, при ходьбе) у человека, а также управления запрограммированными автоматическими движениями.

Движения децеребрированных животных и децеребрационная ригидность

Метаболические потребности переднего мозга (особенно коры больших полушарий и базальных ганглиев), а также таламуса выше, чем у более глубоких стволовых центров. Поэтому даже кратковременная аноксия (например, при временной остановке сердца) может избирательно и необратимо повредить передний мозг. Жизненно важные сосудодвигательные и дыхательные центры ствола мозга в таких случаях часто остаются интактными, обеспечивая выживание больного в чисто «вегетативном» состоянии. Все интеллектуальные способности, включая речь и произвольные движения, в таких случаях исчезают; у больного наступает смерть мозга (точнее говоря, смерть переднего мозга). Вслед за этим нередко сразу же развивается ригидность мышц, особенно разгибателей и шейных. Это хорошо известное патологическое состояние человека послужило отправным пунктом для подробного исследования функций ствола мозга в экспериментах на животных.

Рис. 5.13. Схема расположения двигательных центров в стволе мозга (продолговатом мозгу, мосте и среднем мозгу). Нарушая связь с отделами мозга, расположенными выше каждой из трех указанных линий перерезки, получают соответственно децеребрированное (1), мезенцефальное (2) и таламическое (3) животное. Подробнее см. в тексте

Децеребрационная ригидность. Классическая децеребрация (перерезка на уровне 1, рис. 5.13) состоит в удалении части мозга, расположенной ростральнее задней половины среднего мозга. Сразу же после такой операции развивается обширная мышечная ригидность, особенно у мышц, противодействующих силе тяжести. Этот повышенный мышечный тонус, называемый децеребрационной ригидностью, проявляется в сильном сопротивлении растяжению. Рефлекторную природу подобной ригидности доказывает ее ослабление или исчезновение после перерезки дорсальных корешков (отключающей рефлекторные дуги). Мгновенное появление ригидности объясняют растормаживанием; считается, что высшие двигательные центры переднего мозга и мозжечка в норме тормозят стволовые центры. Децеребрированное животное можно поставить на ноги, и оно будет стоять благодаря чрезмерному тонусу мышц–разгибателей, как бы карикатурно имитируя нормальную позу. Однако ее тонкая регуляция отсутствует, и при малейшем толчке животное падает.

Двигательные функции после перерезки мозга на других уровнях. У мезенцефального животного остается интактным весь средний мозг (перерезка на уровне 2, рис. 5.13). При этом двигательная активность нарушается не так глубоко, как в случае децеребрации: животное способно самостоятельно стоять, ригидность у него выражена гораздо слабее. Более совершенная двигательная регуляция объясняется сохранением красного ядра среднего мозга. У таламического животного (перерезка на уровне 3, рис. 5.13) остается интактным и промежуточный мозг, а операция применяется главным образом при исследованиях локомоции, потому что ритмичные шагательные движения в данном случае либо происходят спонтанно, либо их легко вызвать. Однако такая локомоция напоминает движения автомата и лишена «изящества» нормальной ходьбы. Наконец, после обширной декортикации, оставляющей интактными базальные ганглии, хорошо сохраняется весь двигательный репертуар, по крайней мере у грызунов и хищников, хотя последовательность движений также автоматическая. Во многих случаях локомоция становится очень упорной: животное пытается продвигаться вперед, невзирая на препятствия.

Участвует ли промежуточный мозг в высшей двигательной регуляции? Как отмечается в разд. 16.5, у бодрствующего животного можно вызвать сложные последовательности движений путем ритмической электрической стимуляции промежуточного мозга. При этом наблюдаются типичные формы поведения, неотличимые от нормальных врожденных (инстинктивных) реакций. Например, при стимуляции определенной области гипоталамуса без всякого внешнего повода возникает агрессивное поведение со всеми сопровождающими его вегетативными реакциями (расширение зрачков, пилоэрекция, повышение артериального давления и частоты пульса). Нервные механизмы такого явления неизвестны, однако маловероятно, чтобы его причиной была активация «программы агрессии» в особом «центре агрессии». Возможно, при достижении определенного порога искусственный стимул активирует медиаторные системы, «запускающие» подкорковые или корковые механизмы.

Статические и статокинетические рефлексы [14, 19]. У животных с повреждениями переднего мозга (особенно таламических) проявляется, правда в утрированной форме, ряд печных и выпрямительных рефлексов. Они позволяют в ответ на определенные стимулы перераспределять мышечный тонус (рефлексы сохранения позы) или нормализовать положение тела (выпрямительные рефлексы). Статические рефлексы наблюдаются в состоянии покоя, а статокинетические связаны с изменениями положения в пространстве. Первые обеспечивают удерживание частей тела (например, головы) на месте, вторые корректируют ориентацию конечностей при смене его положения.

В позных рефлексах участвуют преимущественно мышцы туловища и проксимальных отделов конечностей. Сигналы, поступающие к ним по олиго–и полисинаптическим путям, возникают в афферентах шейных мышц и лабиринта (вестибулярного аппарата) – отсюда термин тонические шейные лабиринтные рефлексы. Два эти вида афферентации, запуская такие рефлексы, взаимодействуют. Недавние электрофизиологические исследования показали, что рефлекторная коррекция позы обусловлена мультимодальной сенсорной конвергенцией, в которой участвуют также кожные и зрительные афференты.

Рис. 5.14. А. Тонические шейные и лабиринтные рефлексы и их совместные эффекты; показаны главные оси тела четвероногого животного в боковой проекции [20]. Б. Влияние на положение конечностей поворотов головы (вверху) и туловища при иммобилизации головы (внизу) [20]. Положение туловища показано красным контуром. В. Тонические шейные рефлексы у кошки с удаленным вестибулярным аппаратом. При пассивном поднимании головы (красная стрелка в колонке а) тонус разгибателей задних конечностей снижается, а разгибателей передних конечностей повышается. Противоположный эффект наблюдается при пассивном опускании головы (красная стрелка в колонке б)

На рис. 5.14 показано, как это происходит при изменениях угла наклона головы и туловища. Такие же автоматические реакции существуют, и у человека; хотя они нами совершенно не осознаются, речь идет о механизмах, содействующих осуществлению произвольных движении, т. е. входящих в их систему. Раньше было важно выяснить свойства позных рефлексов у «неполноценного» животного; в настоящее время их рассматривают главным образом как основу преднамеренных, целенаправленных движений [22, 23].

Весьма важно, особенно когда речь идет о тонических позных рефлексах, не рассматривать рефлекторную деятельность как чисто автоматическую, при которой сенсорный вход неизбежно вызывает двигательную реакцию. В действительности рефлекс–это тонко управляемый процесс, который могут вызывать и в значительной степени регулировать высшие центры произвольной двигательной системы. Автоматизм тонических позных рефлексов проявляется только в особых ситуациях, например у новорожденных (с еще не сформировавшимся окончательно передним мозгом) или у больных с церебральными нарушениями.

Поддержание вертикальной позы тела у человека и ее модификации во время движений

Способность человека к прямохождению с опорой на относительно малую площадь ступней сама по себе демонстрирует удивительные возможности регуляции, если учесть, что дыхание и всевозможные активные движения рук и туловища вызывают непрерывные смещения центра тяжести тела, которые требуют активной компенсации. Как показывают электромиограммы испытуемых, каждое такое «возмущение» (например, подъем грудной клетки во время вдоха) действительно запускает цепные реакции мышц туловища и конечностей, так называемые позные синергии. Их часто изучают на испытуемых, стоящих на подвижной платформе, с помощью которой стопы могут внезапно отклоняться вниз или вверх (как при катании на лыжах). При клиническом обследовании неврологических больных такой метод (постурография) оказался очень полезным для количественного анализа нарушения позных функций.

Электромиографически изменяемая активность мышц нижних конечностей и туловища в ответ на движение платформы носит рефлекторный характер. Наиболее высокоамплитудные и функционально значимые компоненты регистрируемых кривых появляются с латентным периодом 100–150 мс; такое большое время рефлекса свидетельствует о сложной обработке сигналов в ЦНС с вовлечением супраспинальных структур. Эффект синергичной реакции всегда стабилизирующий, предотвращающий падение человека вперед или назад.

Величина отдельного рефлекторного ответа при повторении несколько раз одного и того же теста изменяется в сторону постепенной оптимизации стабилизирующего эффекта. Такая «зависимая от ситуации» адаптация требует участия высших двигательных центров, в частности мозжечка; в ее основе лежит комплексная (до сих пор детально не изученная) обработка информации, передаваемой проприоцептивными, вестибулярными и зрительными афферентами. Во всяком случае у системы поддержания позы наверняка иерархическая организация, схематически отраженная на рис. 5.1: местные рефлекторные механизмы подчинены длинным функциональным петлям, включающим супраспинальные центры. «Длиннопетлевые рефлексы» тоже выполняются автоматически, но их сила и эффекты зависят от конкретной ситуации.

На примере дыхания можно видеть, что позной компенсации требуют возмущения не только внешнего происхождения, но и связанные с движениями собственного тела. Постурографический анализ компенсации целенаправленных движений обнаружил интересный факт: она происходит не с характерной для рефлексов задержкой, а во время или даже с опережением преднамеренного движения. Впечатляющий (и легко воспроизводимый) опыт представлен на рис. 5.15. Испытуемого просят закрыть глаза, поддерживать рукой груз (рис. 5.15, А). Когда экспериментатор неожиданно его убирает, рука испытуемого непроизвольно движется вверх. На электромиограмме регистрируется снижение активности двуглавой мышцы спустя примерно 60 мс. В этом случае внешнее возмущение вызвало классический «разгрузочный рефлекс». Поскольку для рефлекторного снижения активности двуглавой мышцы потребовалось некоторое время, произошла непродолжительная дестабилизация положения предплечья. В опыте, показанном на рис. 5.15, Б, испытуемый убирает груз сам, и его предплечье остается неподвижным. Как показывает электромиограмма, в этом случае двуглавая мышца получает от мотонейронов сигнал, ведущий к снижению ее активности еще до удаления груза – примерно в тот момент, когда другая рука за него берется.

Такие опережающие позные синергии можно продемонстрировать во многих опытах. Электромиографический анализ позной двигательной системы человека позволяет сделать общий вывод: компенсаторные механизмы бывают как рефлекторными, так и запрограммированными.

Иерархические влияния на запрограммированные автоматические движения: локомоция и жевание

Автоматические движения представляют собой элементы (подпрограммы) двигательной системы, находящиеся под влиянием вышележащих двигательных центров. Эту точку зрения иллюстрируют два примера [2, 12, 50]. Как отмечалось в разд. 5.3, в спинном мозге млекопитающих (скорее всего, и человека) находятся «генераторы шагания». Однако эти спинальные нейронные сети обеспечивают лишь стереотипные шагательные ритмы, подверженные

Рис. 5.15. Сравнение реакций на пассивную (А) и активную (5) разгрузку. Вверху: испытуемый поддерживает рукой груз; угол его локтевого сустава и нагрузка записываются. Внизу (кривые сверху вниз): электромиограммы (ЭМГ) левой и правой двуглавых мышц плеча; положение предплечья (угол сустава); нагрузка на него. Груз приподнимали последовательно 10 раз и усредняли данные. Красной стрелкой показан период снижения электромиографической активности. При пассивной разгрузке (А) оно рефлекторное, а при активной (6)–опережающее, т.е. происходит почти одновременно с сокращением левой двуглавой мышцы (Hugon, Massion, Wiesendanger, 1982, Phlugers Arch., 393: 292)

различным модифицирующим влияниям со стороны супраспинальных центров, адаптирующих движения к особенностям поверхности земли и другим обстоятельствам. Кошка, передвигаясь по открытому пространству, непрерывно изменяет свою целенаправленную локомоцию в зависимости от тактильных, обонятельных, зрительных и слуховых сигналов; например, программа «выслеживания» внезапно сменяется программой «атаки». У человека супраспинальный контроль спинальных генераторов шагания должен быть развит особенно хорошо, как и общая регуляторная система головного мозга. При потере супраспинального управления (например, при параплегии с полным разрывом спинного мозга) человек (в отличие от низших млекопитающих) теряет способность к шагательным движениям. Экспериментальных данных о роли коры больших полушарий в локомоции очень мало. Больше сведений о локомоторном центре ствола мозга, расположенном в среднем и промежуточном мозгу. Эта «локомоторная полоска», по–видимому, способствует локомоторной активности в целом и при слабой электрической стимуляции либо индуцирует питательный ритм, либо усиливает и ускоряет уже начавшуюся локомоцию. Аналогичный эффект вызывает системное введение катехоламинов, что позволяет предполагать катехоламинергическую природу передачи сигналов из стволовых центров.

Проприоцептивные и кожные стимулы также влияют на локомоцию: они могут индуцировать и поддерживать шагательные ритмы. Однако обратные афферентные связи от периферических рецепторов для локомоторной активности необязательны, поскольку ее можно наблюдать даже после отключения всех сенсорных входов спинного мозга (деафферентации). Сенсорная обратная связь во время ходьбы исчезает и у животного, парализованного кураре, когда предотвращается выполнение движений. Тем не менее и в этих условиях электрическая стимуляция локомоторной полоски вызывает ритмичную импульсацию, которую можно зарегистрировать в мышечных нервах. Такая реакция называется ложной локомоцией (см. также разд. 5.3).

Жевание–еще один пример программы автоматического ритма. Обычно сигналом для его начала служит поступление в ротовую полость твердой пищи, но жевание, подобно локомоции, может инициироваться и произвольно. Даже децеребрированные животные без затруднений совершают ритмичные жевательные движения, когда им в рот кладут пищу. Такие движения можно вызвать (особенно легко–у грызунов) путем электрической стимуляции определенной области ствола мозга («жевательного центра»). У человека подобные стволовые центры, по–видимому, регулируются в первую очередь лобными и височными областями коры больших полушарий. У больных с обширными повреждениями этих областей нередко наблюдаются автоматические жевательные движения (т.е. спонтанное беспричинное жевание). У здорового человека причмокивающие автоматические движения губ время от времени происходят во сне; вероятно, это обусловлено тем, что в это время соответствующие генераторы ритмов не контролируются корой больших полушарий.

Нисходящие пути двигательных центров ствола мозга; влияние коры больших полушарий

Крупноклеточная (магноцеллюлярная) часть красного ядра (nucleus ruber), вестибулярные ядра, медиальные части ретикулярной формации и крыша (tectum) среднего мозга составляют двигательные стволовые центры, которые регулируют спинальные двигательные механизмы посредством своих нисходящих путей (см. Kuypers в [2]). У многих млекопитающих сохраняется значение руброспинального тракта, аналогичного по своим функциям пирамидному, но у человека эта система присутствует лишь в рудиментарной форме и не очень важна. Остальным нисходящим путям принадлежит главная роль в регуляции позных функций. Такое супраспинальное влияние является постоянным (т.е. тоническим); следовательно, оно должно способствовать активности главным образом мышечных групп, противодействующих силе тяжести, к которым относятся разгибатели конечностей и мускулатура туловища. Некоторые нисходящие волокна, в частности медиальный вестибулоспинальный тракт, достигают только шейного отдела спинного мозга. Они действуют на мышцы шеи, изменяя положение головы в зависимости от информации, поступающей от вестибулярного аппарата.

Тоническое влияние двигательных центров ствола мозга обнаруживается в следующих опытах. При электрической стимуляции его латеральных частей у животных с децеребрационной ригидностью мышечный тонус повышается, а при стимуляции медиальных частей ригидность исчезает на весь период раздражения. Однако связи между этими возбуждающими и тормозными центрами и конкретными трактами до сих пор не выявлены. Как показали недавние микроэлектрофизиологические исследования, активность вестибуло– и ретикулоспинальных волокон распространяется на несколько сегментов. Можно, следовательно, предполагать, что позные синергии обеспечиваются обширным ветвлением этих нисходящих путей. Их нейроны–мишени представляют собой главным образом интернейроны, хотя показаны и прямые (т.е. моносинаптические) связи с α– и γ–мотонейронами.

Иерархическая организация распространяется выше стволовых двигательных центров, поскольку они, в свою очередь, подчиняются коре больших полушарий. В самом деле, существует определенный параллелизм между прямой связью коры со спинным мозгом через пирамидный тракт (см. разд. 5.7) и непрямым его контролем со стороны коры через стволовые центры, которые, таким образом, нельзя считать независимыми регуляторами позных двигательных функций. Поскольку значительная часть воздействий коры на спинной мозг опосредуется, очевидно, именно этими «низшими» центрами, они должны также обслуживать целенаправленные движения. Такой вывод подкрепляется результатами опытов на животных с перерезкой пирамидного тракта [53], у которых целенаправленные движения сохраняются удивительно хорошо (см. также разд. 5.7).

Непрямые системы (в частности, кортикоруброспинальная и базальные ганглии) в свое время назывались вместе «экстрапирамидной системой». Этот термин не следует употреблять, поскольку он вносит путаницу. Долгое время базальные ганглии, как и обсуждавшиеся выше стволовые центры, считались промежуточной станцией переключения для систем, проецирующихся от коры на спинной мозг. До сих пор сохраняется клинический термин «экстрапирамидные заболевания», обозначающий нарушения базальных ганглиев. Хотя, как будет показано в разд. 5.6, представление о месте последних в двигательной системе кардинальным образом изменилось, название «экстрапирамидная система» осталось прочно закрепленным за ними, поэтому применительно ко всем непрямым путям, ведущим от коры через двигательные стволовые центры в спинной мозг, рекомендуется использовать термин «непирамидная система».

Открытие новых нисходящих трактов. В последние годы разработаны и стали широко применяться новые нейроанатомические методы, в том числе изучения аксонного транспорта, позволяющего выявить нейронные связи, а также гистохимические и иммунофлуоресцентные методы идентификации специфических медиаторных систем. В результате удалось обнаружить ряд дополнительных нисходящих систем. Появились серьезные указания на то, что нисходящая норадренергическая система от голубого пятна (locus coeruleus), вероятно, вместе с небольшим числом дофаминергических волокон служит модулирующим элементом в регуляции спинальных двигательных механизмов. Как уже упоминалось, локомоторные ритмы и стереотипные жевательные движения можно вызвать введением катехоламинов. Как электрическая стимуляция голубого пятна, так и местное введение незначительного количества норадреналина существенно модулируют спинальные рефлексы. Сообщается об аналогичном влиянии нисходящих серотонинергических волокон, берущих начало в ядрах шва каудальной части ствола мозга.

Нейроны, образующие нисходящие связи со спинным мозгом, обнаружены также в ядрах дорсальных столбов, интерстициальном ядре Кахаля и ядрах гипоталамуса. Функциональное значение всех этих неклассических нисходящих систем неясно. Наряду с прямым влиянием на спинальные двигательные механизмы не исключено их участие в регуляции вегетативных функций и центробежном контроле соматосенсорной передачи (см. разд. 9.12).

5.5. Мозжечок

Общие представления о роли мозжечка в двигательной системе. Многое из того, что известно о функциях мозжечка (cerebellum), связано с наблюдениями неврологов–клиницистов. Больные с его повреждениями (опухолями или воспалительными очагами при рассеянном склерозе) не парализованы и у них не нарушена чувствительность, хотя мозжечок получает в основном сенсорные сигналы и дает проекции к двигательным центрам. Симптоматика

мозжечковых патологий характеризуется аномальным выполнением движений и исчезновением сопряжения между ними и позой. Следовательно, мозжечок участвует в сенсомоторной интеграции и выполняет важную функцию координации движений.

Мозжечковые симптомы зависят от места повреждения. Патология медиальной области вызывает нарушения позных двигательных функций, а также глазодвигательного механизма, тогда как латеральные поражения сказываются главным образом на целенаправленных движениях и речи.

Функциональная двойственность мозжечка, обнаруживаемая при клинических наблюдениях, соответствует его структурной и филогенетической двойственности. Упрощая, можно сказать, что его филогенетически более древние медиальные структуры получают спинальные, вестибулярные и зрительные сигналы и тесно связаны с двигательной системой (двигательными центрами спинного мозга и ствола), тогда как к развившимся позже латеральным элементам (полушариям) информация идет прежде всего от коры мозга, к которой от них в свою очередь направляются восходящие пути. Эти неврологические и анатомические особенности приводят к выводу, что медиальная часть мозжечка осуществляет главным образом регуляцию и коррекцию движений в ходе их выполнения, а его полушария больше участвуют в подготовке, программировании движений. Кроме того, недавно выявлены долговременные изменения синаптической передачи сигналов в мозжечке. Полагают, что такая пластичность играет роль в долговременной двигательной адаптации и двигательном научении.

Микроструктура и нейронные функции

«Кристаллическая» микроструктура коры мозжечка. О структурных связях и их функциях в коре и ядрах мозжечка накоплено множество экспериментальных данных. Поверхность его коры очень велика благодаря множеству складок (листков, рис. 5.16); если бы их можно было расправить, ее площадь составила бы 17 х 120 см. Микроструктура всех листков одинакова; регулярное распределение нервных элементов в каждом из них напоминает структуру кристалла. Такая организация очень благоприятна для физиологического исследования, поскольку позволяет делать обобщения о принципах работы всего мозжечка.

В 1960–е гг. уникальное совместное исследование Экклза, Ито, Сентаготаи [7] и их коллег продемонстрировало основные характеристики функциональных связей и природу медиаторных веществ в нейронных сетях мозжечка. На рис. 5.17 представлены упрощенная схема слоистой структуры

Рис. 5.16. Схема областей коры мозжечка приматов (обезьяны). Передняя доля «открыта» и представлена в той же плоскости, что и задняя. Дольки обозначены римскими цифрами (I–IX), а соответствующие части полушарий–символами ПII–ПIX. Филогенетическое подразделение мозжечка показано белым, розовым и красным цветом. У коры характерная складчатая структура, образованная множеством листков [10]

листка, регулярная палисадоподобная организация дендритных ветвлений клеток Пуркинье, проходящие под прямым углом через эту зону параллельные волокна, медиаторы для разных пунктов изображенной микросети. Над слоем тел клеток Пуркинье (у человека их около 15 млн.) располагается молекулярный слой из плотной сети их дендритов, клеток Гольджи, а также аксонов параллельных волокон. В этом нейропиле рассеяны тела интернейронов (звездчатых и корзинчатых клеток). Под слоем клеток Пуркинье находятся гранулярный (зернистый) слой с многочисленными клетками–зернами (более 2 млн. на 1 мм³), содержащий также тела клеток (интернейронов) Гольджи.

К каждой клетке Пуркинье подходит одно лазящее (лиановидное) волокно, а каждое такое волокно дает ответвления к 10–15 клеткам Пуркинье. Обвиваясь вокруг дендритного дерева этой клетки, оно формирует здесь множество возбуждающих синапсов, что обеспечивает исключительную надежность синаптической передачи. Мшистые волокна образуют синаптические контакты с дендритами клеток–зерен. Обширное терминальное ветвление, т. е. дивергенция связей, этих волокон обеспечивает возбуждение ими большого количества клеток в коре мозжечка.

Аксоны клеток–зерен Т–образно разделяются на два параллельных волокна, идущих вдоль листка в противоположных направлениях. Подсчитано, что через дендритное дерево каждой клетки Пуркинье проходят под прямым углом к нему свыше 200000 таких волокон. Благодаря им на клетках коры мозжечка происходит конвергенция огромного количества мшистых волокон. Наконец, в кору мозжечка идут из ствола мозга: норадренергические волокна от голубого пятна и серотонинергические от ядер шва; их роль пока не ясна.

Рис. 5.17. Нейронная организация коры мозжечка. Вверху слева: схема поперечного среза через листок. Показаны молекулярный слой (МС), слой клеток Пуркинье (СП) и гранулярный слой (ГС); видны мощные дендритные ветвления клеток Пуркинье. От клетки Пуркинье (ПК) в белое вещество мозжечка идет аксон (ПА), посылающий обратные коллатерали (КПА). Клетки Пуркинье располагаются правильными рядами как поперек, так и вдоль листка. У клеток–зерен (КЗ) с синаптическими входами от мшистых волокон (MB) есть Т–образные аксоны, идущие вдоль листка в виде параллельных волокон (ПВ) и образующие множество синаптических контактов с дендритами клеток Гольджи (ДКГ), корзинчатых клеток (ДКК) и клеток Пуркинье (ДПК). Эти контакты с шипиками дендритов показаны увеличенными вверху справа. Внизу, главные синаптические контакты в листке. Входные сигналы поступают через мшистые волокна (MB) от ядер моста (ЯМ), параллельные волокна (ПВ), лиановидные волокна (ЛВ) от нижней оливы (НО), серотонинергические волокна от ядер шва (ЯШ) и норадренергические волокна от голубого пятна (ГП). Клетки Пуркинье (ПК)–единственные выходные элементы коры мозжечка. Звездчатые клетки (ЗК), корзинчатые клетки (КК) и клетки Гольджи (КГ) представляют собой местные интернейроны. Черным показаны ГАМКергические тормозные клетки. Возбуждающими медиаторами служат аспартат (Асп) и, возможно, глутамат (Глу). В коре мозжечка много также серотонина (5–НТ) и норадреналина (НА). Нейроны–мишени клеток Пуркинье находятся в ядрах мозжечка и в комплексе вестибулярных ядер (ВЯ) (по [7, 13] с изменениями)

Клетки Пуркинье обеспечивают выход сигналов из коры мозжечка. Они оказывают тормозное действие на его собственные и вестибулярные ядра. В некоторых точках этой обладающей своими входами и выходами сети передача сигнала может быть заторможена различными интернейронами (клетками Гольджи, корзинчатыми и звездчатыми клетками). Фоновая активность клеток Пуркинье тонически тормозит нейроны–мишени ядер мозжечка и вестибулярных ядер. Усиление активности клеток Пуркинье относительно фонового уровня, обусловленное возбуждающими сигналами мшистых и лиановидных волокон, углубляет торможение, а ее ослабление под влиянием тормозных интернейронов растормаживает нейроны–мишени. Сочетание постоянной высокой фоновой активности нейронов выходных ядер мозжечка и многочисленных тормозных процессов в его коре определяет распределение возбуждения этих ядер с тонкой пространственно–временной настройкой и возможностью развития противоположных по характеру реакций.

Модульная организация коры мозжечка в виде продольных микрополосок. Несмотря на однородность микроструктуры, в функциональном плане кора мозжечка состоит из продольных модульных блоков; в основу их выделения положены специфические взаимоотношения между входами и выходами. По анатомическим и микроэлектрофизиологическим данным лиановидные волокна от отдельных секций нижней оливы дают строго топологические проекции к коре мозжечка в виде продольных полосок [13]. Эти полоски, в свою очередь, топологически проецируются к продольным колонкам в нижележащих ядрах мозжечка. В противоположность этому, у системы мшистых волокон более широкие проекции, контролирующие несколько таких микрозон коры.

Согласно недавно выдвинутой гипотезе, каждая из только что описанных микрозон [13] связана с выполнением специфической функции. Основанием для этой гипотезы послужило наблюдение, что микрозона клочка ответственна за адаптивную регуляцию вестибулоокулярного рефлекса автоматического поворота глаз в сторону, противоположную вращению головы (см. разд. 11.7 и 12.1). Он служит для стабилизации изображения на центральной ямке сетчатки и должен очень точно координироваться с процессом зрения. В микрозону клочка поступает достаточно информации для настройки такого рефлекса, поскольку через мшистые волокна она получает сигналы от вестибулярных афферентов, а через лиановидные – зрительные стимулы; кроме того, эта микрополоска тормозит вестибуло– окулярный рефлекс с помощью своих проекций к вестибулярному ядру [13].

Пластичность функций мозжечка, двигательная адаптация и двигательное научение. Роль мозжечка в двигательной адаптации продемонстрирована экспериментально. Если нарушить зрение (например, поместив перед глазами призмы), только что упоминавшийся рефлекс компенсаторного движения глаз при поворотах головы уже не будет Соответствовать получаемой мозгом зрительной информации. Испытуемому в очках–призмах сначала очень трудно правильно перемещаться в окружающей среде, однако, как это ни удивительно, через несколько дней он приспосабливается к аномальной зрительной информации. При этом заметны четкие количественные изменения вестибуло–окулярного рефлекса, его долговременная адаптация. Опыты с разрушением нервных структур показали, что такая двигательная адаптация невозможна без участия мозжечка.

Ее нервные механизмы пока не ясны. Однако продолжительные изменения частоты импульсации клеток Пуркинье, наблюдаемые при блокаде возбуждающего входа от лиановидных волокон [39], свидетельствуют о возможности долговременных взаимодействий последних с системой мшистых волокон. Эта мысль, впервые высказанная Марром и Альбус (D. Marr, J. S. Albus), сейчас получает экспериментальное подтверждение [13].

Пластичность функции мозжечка и существование продольных микрозон важны также для двигательного научения. Приведем два примера. Первый связан с выработкой инструментального условного рефлекса у обезьяны с оценкой времени реакции; в ходе обучения животного выполнению двигательной задачи регистрируется церебелло–церебральная передача сигнала. Оказалось, что по мере улучшения времени реакции постепенно возрастает амплитуда составного потенциала, возникающего в коре больших полушарий в ответ на зрительный стартовый сигнал, проходящий через мозжечок. В таких же условиях после его предварительного повреждения у обезьян отмечено лишь рудиментарное двигательное научение, даже при длительной их тренировке [43].

Другой пример касается рефлекса закрывания глаз у кроликов. Мигание вызывается легким прикосновением к роговице. При сочетании этого стимула со слуховым сигналом легко вырабатывается условный рефлекс; один только звук начинает приводить к закрыванию глаз. Выработка классического условного рефлекса по Павлову (см. разд. 6.5) может рассматриваться как простая модель двигательного научения. Определенные области мозжечка и нижней оливы оказались необходимыми для возникновения и сохранения такого рефлекса [38].

Соматотопическая организация мозжечка [13]. Мозжечок получает обширные входы от восходящих спинальных трактов и афферентов тройничного нерва. Соматотопическая организация этих соматосенсорных проекций сначала была прослежена в общей форме методом вызванных потенциалов. Только недавно регистрация активности индивидуальных клеток позволила разработать схему комплексной микроорганизации мозжечка. При исследовании

Рис. 5.18. Мелкие рецептивные поля шести клеток Пуркинье, активность которых регистрировалась двумя микроэлектродами, введенными в дольки V и ПVI. Характерный ответ в виде потенциала действия свидетельствует об активации этих клеток лиановидными волокнами. Все клетки, кроме одной, реагировали также на электрическую стимуляцию контралатеральной коры больших полушарий (лицевой области S1) [Т. S. Miles, М. Wiesendanger, J. Physiol. (Lond.), 245, 425, 1975]

соматосенсорных проекций мшистых волокон в гранулярном слое обнаружено, что небольшие участки ипсилатеральной поверхности тела представлены здесь в виде дискретных резко ограниченных проекционных зон (фракционная соматотопия). Удивительной особенностью этой организации оказалось наличие множества иногда удаленных друг от друга зон, представляющих идентичные или сходные поверхностные участки. На рис. 5.18 можно видеть примеры дискретных рецептивных полей клеток Пуркинье, расположенных в одном листке мозжечка и возбуждаемых через лиановидные волокна. Как правило, на клетки Пуркинье влияют и соответствующие соматотопические области контралатеральной коры больших полушарий.

Однако у двигательных функций отчетливой соматотопической организации нет. Очаговые повреждения мозжечка сопровождаются двигательными нарушениями преимущественно на ипсилатеральной стороне, однако обычно они не ограничиваются конкретными частями тела. По–видимому, затрагиваются те или иные системы регуляции глазодвигательных функций, равновесия, речи и т. д.–в зависимости от локализации повреждения. Этот вопрос будет обсуждаться в следующем разделе.

Многие новые экспериментальные наблюдения, которые здесь лишь вскользь упоминались, представляют существенный теоретический интерес. Учитывая их значение для медицины, ниже будет рассмотрено влияние на функции мозжечка его повреждений.

Функции медиальных структур мозжечка

Рабочая гипотеза, касающаяся общего принципа деятельности медиальных структур мозжечка, проиллюстрирована рис. 5.19. Эта схема основана как на выявленных нервных связях, так и на клинических наблюдениях [10]. Главная ее идея в том, что мозжечок–это функциональное ответвление главной оси «кора больших полушарий спинной мозг». С одной стороны, в нем замыкается сенсорная обратная связь, т. е. он получает копию афферентации, с другой стороны, сюда же поступает копия эфферентацни от двигательных центров. Говоря техническим языком, первая сигнализирует о текущем состоянии регулируемой переменной, а вторая дает представление о требуемом конечном состоянии. Сопоставляя первое и второе (функция компаратора), кора мозжечка может рассчитывать ошибку, о которой сообщает в двигательные центры через свои выходные ядра. Так мозжечок непрерывно корректирует и преднамеренные, и автоматические движения.

Элементы и связи. Элементы медиального отдела мозжечка обведены жирной черной линией в левой половине рис. 5.20 (см. также рис. 5.16). Филогенетически наиболее древняя его часть (архицеребеллум) состоит из клочка (flocculus) и узелка (nodulus). Здесь преобладают вестибулярные входы (отсюда другое название этой части – вестибулоцеребеллум). К «старым» структурам (палеоцеребеллуму) относятся также область червя (vermis) в передней доле мозжечка, пирамиды, язычок червя (uvula) и околоклочок (paraflocculus). В медиальный отдел можно также включать расположенную латеральнее червя промежуточную часть, куда поступают сигналы в основном от спинного мозга (спиноцеребеллум).

Медиальные элементы мозжечка дают проекции к ядру шатра (п. fastigii), а также к шаровидному (п. globosus) и пробковидному (п. emboliformis; у кошки–п. interpositus) ядрам, которые в свою очередь образуют связи главным образом со стволовыми двигательными центрами. Ядро Дейтерса – вестибулярный двигательный центр–тоже напрямую по

Рис. 5.19. Упрощенная функциональная схема медиальных структур мозжечка. Через коллатерали они получают копию команд, посылаемых двигательными центрами по нисходящим двигательным путям в спинной мозг (копию эфферентации). С другой стороны, мозжечок получает также копию сенсорной афферентации по коллатералям от восходящих путей. Схема иллюстрирует гипотезу, согласно которой, сопоставляя два входа, он может оценивать отклонение от намеченной точки (ошибку). Сигнал об этом передается в двигательные центры, за счет чего после начала движения происходит непрерывная коррекция двигательной программы получает сигналы от червя и от флоккулонодулярной доли.

Рис. 5.20. Главные связи медиальной (слева) и латеральной (справа) частей мозжечка. Проекции первой идут преимущественно в двигательные центры ствола мозга, а второй–через вентролатеральный таламус (Т) в двигательную кору больших полушарий. Пояснения в тексте. Ш–ядро шатра; ВЯ–вставочное ядро; ЗЯ зубчатое ядро; КЯ– красное ядро; РФ ретикулярная формация; ЯД ядро Дейтерса

Последствия разрушения структур. Повреждения вестибулоцеребеллума и червя мозжечка приводят в первую очередь к нарушениям равновесия, как и при патологии вестибулярного аппарата. Такие больные часто страдают головокружением, тошнотой и рвотой. Типичны также объективные глазодвигательные расстройства, при которых глазные яблоки спонтанно поворачиваются из стороны в сторону (маятникообразный нистагм). При повреждениях червя и паравермальных областей больным трудно стоять и ходить, особенно в темноте (когда отсутствует зрительная коррекция положения в пространстве), для этого им приходится хвататься за что–нибудь руками; походка становится шатающейся, как будто в состоянии опьянения. Такая недостаточная координация движений туловища и ног называется атаксией туловища и походки. Итальянский физиолог Л. Лучани в конце XIX в. первым детально исследовал нарушения походки у собак с повреждениями мозжечка (атаксию) и графически представил ее особенности.

Функции полушарий мозжечка

Элементы и связи (рис. 5.20, справа). К латеральным элементам мозжечка идут сигналы преимущественно от коры больших полушарий через ядра моста (pons) и нижней оливы. Нейроны первой группы ядер посылают в кору обоих полушарий мозжечка мшистые волокна, второй группы – лиановидные. У человека одновременно с мощно развитой корой больших полушарий хорошо развиты также ядра моста и олив. Наиболее важные входы к ядрам моста поступают от зрительной, теменной ассоциативной, сенсомоторной, а также премоторной и префронтальной ассоциативной областей коры. Название понтоцеребеллум (неоцеребеллум) отражает преобладание связей полушарий мозжечка с ядрами моста. Нижняя олива получает проекции от двигательной (моторной) и премоторной (а у человека, возможно, и от других) областей коры, а также афференты от подкорковых двигательных центров (через центральный тегментальный тракт).

Клетки Пуркинье полушарий мозжечка дают проекции через латеральные зубчатые ядра (п. dentati) к двигательным ядрам таламуса и далее к двигательным областям коры больших полушарий. Через эти два входа полушария явно получают информацию от корковых областей, активирующихся в фазу подготовки к движению, т. е. участвующих в его «программировании» (см. также рис. 5.2).

Последствия разрушения структур. Наиболее заметные результаты повреждения полушарий мозжечка–нарушения инициации движений и их координации во время выполнения. Это можно объяснить недостатком информации от коры больших полушарий (см. выше). Симптомы особенно четкие, когда больной пытается дотронуться до предмета: его рука дрожит, совершая все более размашистые колебания. Этот интенционный тремор тестируют клинически, попросив человека с закрытыми глазами прикоснуться к собственному носу.

Тремор сопровождается выраженной дисметрией, т. е. неспособностью сразу взять предмет рукой из–за того, что расстояние до него оценивается неправильно. При поражениях мозжечка нарушаются сложные последовательности движений (синергии), требующие определенного порядка активации мышечных групп в разных областях тела Например, если больной в положении стоя пытается отклонить голову назад, он рискует упасть навзничь, потому что не может, как здоровый человек сохранить равновесие, одновременно согнув колени Ему также трудно прекратить движение. Если не горизонтально вытянутую руку больного внезапно кладут груз (или снимают его с нее), она некоторое время совершает колебания, прежде чем снова достигает стабильного положения. Такая неустойчивость называется отдачей. Даже в отсутствие возмущающих внешних воздействий больной не в состоянии держать вытянутую руку в заданном положении; если он закроет глаза, она постепенно опустится.

Серьезные трудности возникают при попытках быстро «изменять программу», например быстро поворачивать руку то ладонью вверх, то ладонью вниз. Такие движения совершаются неритмично и медленно (адиадохокинез). Нарушена также координация мышц лица, необходимая для четкого произнесения слов (дизартрия). Речь становится медленной, невыразительной, монотонной. Значительны заслуги английского невропатолога Гордона Холмса [32], детально исследовавшего случаи ранений мозжечка (главным образом, односторонних) во время первой мировой войны. Он представил объективные описания симптомов, измерив время реакции и документально подтвердив замедление начала и процесса выполнения движений, а также сделал убедительные фотографии, на которых нарушение координации движений прослеживалось с помощью прикрепленных к конечностям источников света (рис. 5.21).

5.6. Базальные ганглии

Роль базальных ганглиев в двигательной системе.

Патологические изменения в базальных ганглиях обычно сопровождаются серьезными нарушениями произвольных движений. Наиболее известным примером служит их ограничение (акинезия) при

Рис. 5.21. А. Оптическая регистрация возвратно–поступательных движений рук больного с левосторонним повреждением мозжечка. Верхняя запись правая рука (П), нижняя запись–левая рука (Л). Заметен адиадохокинез: движения правой руки регулярные и быстрые, левой–нерегулярные и медленные. Б. Больной по сигналу начинает растягивать руками пружины, а затем старается удержать их на уровне а–б. Движение левой руки начинается с задержкой, происходит рывками и не останавливается на указанном уровне (по [32] с изменениями)

Рис. 5.22. Главные связи базальных ганглиев. Возбуждающие влияния показаны красным, тормозные–черным. БШ – бледный шар (БШн–наружный сегмент, БШв–внутренний сегмент); ЧВ черное вещество (Кч компактная часть, Сч сетчатая часть); СТЯ субталамическое ядро; КСМ крыша среднего мозга; ПВЯ переднее вентральное ядро таламуса; ВЛЯ–вентролатеральное ядро таламуса; ВМЯ вентромедиальное ядро таламуса; ЦМПФЯ центральное медиальное и парафасцикулярное ядра таламуса; ДЯШ дорсальное ядро шва. По S. Kita в [2]

болезни Паркинсона. Собранные на сегодняшний день данные говорят о важной роли базальных ганглиев в переходе от замысла (фазы подготовки) к выбранной программе действия (фазе выполнения), как представлено на рис. 5.1. Этот крупный комплекс ядер расположен под корой больших полушарий, в глубине большого мозга. Базальные ганглии со своими обширными входами от коры больших полушарий служат интегративными центрами для разнообразных кортикофугальных потоков возбуждения. С другой стороны, они имеют выходы к лобной коре через ядра таламуса. Общая организация этой петли–от коры через базальные ганглии и назад к коре–схематически представлена на рис. 5.2 (вместе с аналогичной петлей, проходящей через мозжечок).

Структуры, входящие в состав базальных ганглиев, и их связи (рис. 5.22). Входная структура базальных ганглиев–полосатое тело (striatum), состоящее из двух частей – скорлупы (putamen) и хвостатого ядра (п. caudatus) (на рис. 5.22 они не показаны), разделенных волокнами внутренней капсулы. Из стриатума информация поступает в ядра таламуса через либо бледный шар (pallidum), либо сетчатую часть черного вещества (substantia nigra) (есть также небольшие коллатеральные связи с крышей среднего мозга). Открытие того, что болезнь Паркинсона вызывается дефицитом дофаминергической системы, привело к обнаружению синтезирующих дофамин нейронов в компактной части черного вещества. Их аксоны идут к стриатуму и в существенной мере отвечают за нормальную деятельность базальных ганглиев. Многие связи стриатума – тормозные (рис. 5.22).

Ниже описаны наиболее изученные функциональные петли базальных ганглиев. Вероятно, в будущем обнаружатся и другие [24]. При описании функциональных петель не будут учитываться некоторые уже известные анатомические связи например, с медиальным таламусом (ЦМПФЯ на рис. 5.22), с субталамическим ядром (реципрокные) и (по–видимому, малопротяженные и непрямые) нисходящие пути к спинному мозгу; их функциональное значение недостаточно изучено. Несмотря на впечатляющие успехи в исследовании базальных ганглиев, мы находимся только на пороге понимания этой невероятно сложной системы, не уступающей по своей организации коре больших полушарий.

Потоки информации в параллельных функциональных петлях; медиаторные системы базальных ганглиев

Важнейшая входная информация поступает в базальные ганглии от коры больших полушарий. Вероятно, в кортикостриатных проекциях представлены все ее области, но особенно – лобные доли. Эти проекции строго топографические. Нейромедиатором кортикостриатных нейронов служит, по–видимому, аминокислота глутамат. Как показано схематически на рис. 5.22, базальные ганглии связаны с таламусом тормозными цепями из двух последовательных нейронов с ГАМК в качестве медиатора. Такая организация характерна как для пути, проходящего через паллидум, так и для пути через черное вещество. Известно, что у нейронов этих выходных структур высокая фоновая активность. По–видимому, возбуждение, вызываемое в таламусе сигналами от коры мозга, принимает форму растормаживания; такой механизм часто встречается в ЦНС. Подробное исследование локализации кортикофугальных нейронов и их связей в составе нейронных сетей базальных ганглиев привело к концепции множественных раздельных, параллельно действующих функциональных петель (рис. 5.23; см. Carpenter в [2], Kitai в [2] и [24]).

Скелетомоторная петля имеет входы от премоторной, моторной и соматосенсорной областей коры мозга. Основной поток информации идет через скорлупу, внутреннюю часть бледного шара или каудолатеральную область сетчатой части черного вещества, затем через двигательные ядра таламуса и назад к области 6 коры больших полушарий (рис. 5.23, слева). При регистрации активности индивидуальных клеток скорлупы и бледного шара у обезьян, обученных стандартным движениям, обнаружены четкие корреляции между этими движениями и активностью определенных нейронов. Наблюдается четкая топографическая организация: активность нейронов строго определенной области базальных ганглиев всегда соответствует специфическим движениям конкретных частей тела (рис. 5.24). Кроме того, она во многих случаях строго коррелирует с особыми параметрами движения, например силой, амплитудой или направлением. Очевидно, двигательная петля, проходящая через скорлупу и бледный шар, служит для регуляции именно таких параметров. Регистрация активности индивидуальных клеток показала также, что путь от стриатума через латеральную область сетчатой части черного вещества управляет главным образом движениями лица и рта.

Окуломоторная (глазодвигательная) петля (рис. 5.23, посередине). Эта петля анатомически отличается от скелетомоторной и специализирована, по–видимому, на регуляции движений глаз. Входные сигналы поступают от областей коры, контролирующих направление взгляда: фронтального глазного поля (поле 8 по Бродману) и каудальной части поля 7 теменной коры (см. также рис. 5.26). Путь продолжается через хвостатое ядро к дорсомедиальному сектору внутренней части бледного шара или вентролатеральной области сетчатой части черного вещества. Следующий этап – ядра таламуса, которые в свою очередь дают проекции к

Рис. 5.23. Функциональные петли, проходящие через базальные ганглии (см. текст). ПМК–премоторная кора; ДД К–дополнительная двигательная область коры; ДК двигательная кора; ССК–соматосенсорная кора;Ск скорлупа; вБШ внутренний сегмент бледного шара (вБШ вл вентролатеральная (область, вБШ кдм–каудальная дорсомедиальная область, вБШ дм/рл дорсомедиальная/ростролатеральная области); сЧВ сетчатая часть черного вещества (сЧВ кл–каудолатеральная область, сЧВ вл вентролатеральная область, сЧВр роростральная область); ВЛЯ вентролатеральное ядро таламуса (ВЛЯ м–медиальная область, ВЛЯ р–представительство рта); ПФАК–префронтальная ассоциативная кора; П8–поле 8 (фронтальное глазное поле коры); П7–поле 7 (теменная ассоциативная кора); ХЯ хвостатое ядро; МДЯ –медиодорсальное ядро таламуса (МДЯ пл–параламеллярная область, МДЯ мк/кк–мелкоклеточная/крупноклеточная области, МДЯ пм–постеромедиальная область); ПВЯ переднее вентральное ядро таламуса (ПВЯ лкк–латеральная крупноклеточная область, ПВЯ мк мелкоклеточная область, ПВЯ мкк–медиальная крупноклеточная область); ФАК фронтальная (лобная) ассоциативная кора

Рис. 5.24. Активность нейрона внутреннего сегмента бледного шара обезьяны. А. Спонтанная, до начала движения. Б, В. Во время условного рефлекса с выполнением специфических движений. Видно, что активность коррелирует с движениями рук (Б), но не ног (В). По Delong, Georgopoulos в [2]

фронтальному глазному полю. Следует упомянуть и о том, что аксоны нейронов сетчатой части черного вещества раздваиваются и одна из их ветвей идет к верхнему двухолмию среднего мозга; как известно, оно также связано с движениями глаз. На рис. 5.25 показана положительная корреляция между активностью этих нейронов и саккадами. Частота импульсации резко падает перед саккадой, что обусловлено тормозной стрионигральной связью. Такое отключение тормозного выхода черного вещества ведет к фазической активации следующего пункта – таламуса или верхнего двухолмия. О полном пространственном разделении скелетомоторной и окуломоторной петель свидетельствует, в частности, корреляция нейронной активности сетчатой части черного вещества с движениями либо глаз, либо рта, но никогда–с теми и другими одновременно.

Сложные петли (рис. 5.23, справа). К настоящему времени накоплены анатомические данные о существовании ряда «сложных» петель, начинающихся и заканчивающихся в лобных ассоциативных областях коры (дорсолатеральной префронтальной, латеральной орбитофронтальной, передней поясной), пройдя через ассоциативные ядра таламуса. В ходе филогенеза значительно возрастают размеры и значение корковых структур, стриатума и таламуса, участвующих в сложных петлях, так что у человека они становятся более обширными, чем двигательные петли. Однако функции сложных петель экспериментально не исследованы. Правда, регистрация активности индивидуальных клеток соответствующих участков коры, опыты с избирательным разрушением структур, а также клинические наблюдения на больных с поражениями лобных долей и лимбической системы свидетельствуют о том, что ассоциативные области коры ответственны за «высшие» (сложные) функции мозга. Как будет подробно рассматриваться в гл. 6 и 17, они играют определенную роль в формировании общего побуждения (драйва) и в регуляции конкретных драйвов, например голода, полового влечения. Они участвуют также в контроле мотивации, выборе стратегии и когнитивной деятельности. С другой стороны, все эти сложные функции могут нарушаться и у больных с поражениями базальных ганглиев. Следовательно, от базальных ганглиев принципиальным образом зависит проявление подобных функций и их включение в нормальную двигательную активность.

Связи между двигательными и сложными функциональными петлями базальных ганглиев. Если в пределах базальных ганглиев отдельные функциональные петли отделены друг от друга, возникает трудный вопрос, как и где происходит объединение когнитивных и мотивационных компонентов двигательной активности с элементами двигательных команд? В настоящее время любой ответ на

Рис. 5.25. Активность нейрона компактной части черного вещества обезьяны коррелирует с саккадами глаз. Вертикальной линией отмечен момент появления светового пятна. Обезьяна обучена саккадически переводить взгляд на эту новую точку фиксации. Примерно через 100 мс после появления светового пятна и за 200 мс до начала саккады нейронная активность почти полностью подавляется (перерыв точечной записи и гистограммы; плато на кумулятивной кривой). Это ведет к растормаживанию (активации) нейронов–мишеней в таламусе и крыше среднего мозга (О. Hikosaka, R. H. Wurtz, J. Neurophysiol., 49, 1983)

него будет умозрительным. Учитывая отсутствие связей между петлями в базальных ганглиях, можно, по крайней мере, утверждать, что они объединяются не здесь, а на уровне коры больших полушарий. Возможно, роль связующего звена принадлежит полю 6, которое, с одной стороны, является важнейшей мишенью двигательной петли, а с другой – получает входные сигналы от ассоциативной лобной коры.

Модуляция передачи информации в функциональных петлях базальных ганглиев. Прохождение информации в описанных выше множественных параллельных трансстриатных функциональных петлях можег облегчаться или подавляться модулирующими системами. Эти механизмы представляют значительный интерес для клиники, поскольку в итоге функция базальных ганглиев определяется, очевидно, тонким балансом между ее облегчающей и тормозной модуляцией (см. ниже раздел «Патофизиология базальных ганглиев»). Уже продемонстрированы или предполагаются несколько модулирующих систем. Особого внимания среди них из–за своей роли в болезни Паркинсона заслуживает дофаминергическая. Дофаминергические нигростриатные пути начинаются в сетчатой части черного вещества. Содержащие дофамин нейроны обнаружены также поодиночке или группами вне этого вещества, но только поблизости от него.

Очень тонкие дофаминергические аксоны сильно ветвятся, образуя по всему стриатуму относительно диффузную (т.е. без отчетливой топографической организации) сеть. Вдоль этих волокон находится множество крошечных, заметных в световой микроскоп утолщений, называемых варикозностями. На электронных микрофотографиях они идентифицируются как пресинаптические элементы. У нейронов сетчатой части черного вещества довольно регулярная импульсация с частотой около 1 Гц. Таким образом, каждую секунду импульс одной дофаминергической клетки вызывает высвобождение дофамина в многочисленных рассеянных по стриатуму синапсах.

Из–за своего диффузного строения дофаминергическая система непригодна для передачи детализированной, топографически организованной информации. Скорее ее можно рассматривать как своего рода «ирригационную систему», модулирующую передачу информации по главному каналу. Действительно, недавно было показано, что высвобождаемый в стриатуме дофамин модулирует глутаминергическую кортикостриатную передачу, хотя не вполне ясно, вызывает он торможение, облегчение или и то и другое. Восходящие дофаминергические волокна от среднего мозга направляются не только к стриатуму, но и к лимбическим структурам, и к префронтальной коре.

Аналогичное модулирующее влияние на базальные ганглии, возможно, оказывают ссротонинергические волокна от ядер шва, норадренергические волокна от голубого пятна, а также волокна с медиатором неизвестной природы от интраламинарных ядер таламуса и от миндалины; все они идут к стриатуму. Наконец, следует отметить, что в базальных ганглиях содержится множество местных нейронов (интернейронов), модулирующих поток информации в трансстриатных петлях. К ним относятся холинергические нейроны стриатума и различные, открытые лишь недавно пептидергические нейроны.

Модульная и продольная организация стриатума

Медиаторные микромодули. В течение длительного времени стриатум рассматривали как крупную однородную массу клеток, и лишь недавно была обнаружена его модульная организация ([29, 49], Delong, Georgopoulos в [2]). Окончания двух обширных систем афферентных волокон от коры больших полушарий и от интраламинарных ядер таламуса образуют здесь небольшие четко ограниченные центры. Анатомические эксперименты с дифференциальным окрашиванием волокон, относящихся к разным системам, показали, что в хвостатом ядре сложным образом перемешаны скопления нервных окончаний от лобной и височной ассоциативной коры. Гистохимические методы дают аналогичную картину: разные медиаторы (глутамат, ГАМК, ацетилхолин, различные пептиды) обнаруживаются в пределах мелких, четко очерченных участков. Сейчас эти центры считаются независимыми компартментами, или микромодулями. Даже на срезах стриатума при окрашивании клеточных тел традиционными методами (по Нисслю) можно различить области с высокой плотностью клеток (небольшие островки вытянутой формы), окруженные матриксом, в котором они расположены гораздо свободнее.

Связи между этими компартментами и различными медиаторами успешно устанавливаются. Уже можно утверждать, что подразделение на функционально специализированные группы нейронов представляет собой общий принцип организации стриатума. Известно лишь одно исключение–дофаминергическая система, волокна которой с их варикозностями образуют в стриатуме диффузную сеть. Интересно, что у молодых животных эти волокна, входя в стриатум, группируются в виде дофаминергических островков (стриосом).

Топографические отношения между корой больших полушарий и стриатумом. Недавно удалось проследить топографическую организацию в виде продольных колонок, идущих через весь стриатум. Именно таким образом организованы, в частности, проекции лобной и височной ассоциативной коры. С помощью высокочувствительного микроэлектро–физиологического тестирования выявлены сомато–топические продольные колонки, относящиеся к скелетомоторной петле. Например, в колонке верхней конечности, по–видимому, собираются сигналы от премоторной, моторной (двигательной) и соматосенсорной областей коры. Нейроны в такой колонке объединены по сходству их соматотопических свойств.

Функциональная роль микромодульной организации базальных ганглиев. Исключительно сложное, устанавливаемое по медиаторным и топографическим критериям дробление базальных ганглиев, безусловно, имеет важнейшее функциональное значение и требует новых рабочих гипотез. Отмеченная выше конвергенция разных полей коры больших полушарий в «колонке верхней конечности» (в составе скелетомоторной петли), очевидно, представляет собой структурный коррелят процесса сенсомоторной интеграции, обеспечивающего движение руки.

Патофизиология базальных ганглиев

Тяжелые двигательные симптомы, сопровождающие нарушения в базальных ганглиях, можно разделить на две категории – г нефункциональные (недостаточность) и гиперфункциональные (избыточность). К первым относят акинезию (буквально–отсутствие движений); ко вторым–ригидность (повышение мышечного тонуса), баллизм (крупноразмашистый гиперкинез конечностей), атетоз («червеобразные» движения), хорею (быстрые подергивания), тремор (дрожание). Симптомы второй категории – признаки избыточной возбудимости двигательной системы, объясняемой растормаживанием. Современный подход заключается в стремлении выяснить природу этих расстройств с точки зрения гипо- или гиперфункции медиаторных систем.

Гипофункция дофаминергической системы и болезнь Паркинсона [37]. Триада симптомов, характеризующая болезнь Паркинсона (паркинсонизм), наиболее распространенное заболевание базальных ганглиев, включает ригидность, тремор и акинезию. Вследствие мышечного гипертонуса усилены тонические (но не фазические) рефлексы растяжения;

даже при медленном вытягивании конечности возникает восковая ригидность, часто периодического характера («симптом зубчатого колеса»). Особенно сильно дрожат пальцы, а иногда также губы и другие части тела.

Акинезия проявляется рядом симптомов. Больному трудно начать и завершить движение, временами произвольные движения могут «замирать». Становится чрезвычайно трудно выполнять одновременно два действия. Лицо больного невыразительно, как маска, модуляция речи ослаблена; во время ходьбы он не может нормально взмахивать руками, идет мелкими шажками, обычно–согнувшись вперед.

Количественный анализ двигательных нарушений при паркинсонизме проводят с помощью автоматического усреднения электромиографических записей, что повышает точность оценки патофизиологических процессов и результатов лечения. Как и следовало ожидать, время реакции часто увеличивается, главным образом из–за замедленности движений. Нарушается также предварительная коррекция позы перед произвольными движениями. Больному паркинсонизмом очень трудно отслеживать пальцем подвижный источник света, особенно при неожиданных сменах направления его движения. Если эта траектория изменяется регулярно (например, «мишень» перемещается по синусоиде), палец больного следует по ней с запозданием, тогда как у здорового человека–с опережением. Больной паркинсонизмом часто не в состоянии выполнить два или несколько движений одновременно (например, сжимая кисть, согнуть руку в локте). Каждое из них завершается до начала следующего. Обобщая, можно считать главным дефектом при болезни Паркинсона нарушение планирования движений.

В 1919 г. в докторской диссертации Третьякова было впервые упомянуто о том, что на свежих срезах посмертных препаратов мозга больных паркинсонизмом черное вещество выглядит гораздо светлее, чем в норме. Это наблюдение привело в конечном итоге к выводу о дегенерации при этой болезни его дофаминергических нейронов (темный цвет здесь обусловлен пигментом меланином –побочным продуктом синтеза дофамина, откладывающимся в дофаминергических клетках компактной части). После их гибели в стриатуме резко падает содержание дофамина. У этого открытия были далеко идущие последствия. Когда выяснилось, что симптомы паркинсонизма вызваны потерей дофаминергической иннервации стриатума, удалось разработать чрезвычайно эффективный метод заместительной терапии. Введение больному непосредственно дофамина не имеет смысла, поскольку он не проникает через гематоэнцефалический барьер. Преодолевают это затруднение, используя его предшественник –L–дофа (леводофа), который может проходить из крови в мозг. Обычно одновременно вводят ингибитор декарбоксилазы, чтобы предотвратить превращение L–дофа в дофамин в периферических тканях (ингибитор через гематоэнцефалический барьер не проникает). Таким образом, весь введенный L–дофа поступает в мозг, где декарбоксилируется с образованием дофамина. К счастью, основное улучшение касается акинезии, ранее практически не поддававшейся лечению; на ригидность и тремор дофамин влияет меньше. Очевидно, между дефицитом дофамина и акинезией существует причинная связь. После приема L–дофа в течение нескольких лет лечение становится менее эффективным, вероятно, вследствие вторичных изменений дофаминовых рецепторов.

В некоторых случаях тяжелые симптомы паркинсонизма развиваются у людей с зависимостью от синтетических наркотиков. Это обусловлено примесью в них производного пиридина М–метил–4–фенил–1,2,3,6–тетрагидропиридина (МФТП) [35]. Один из его метаболитов обладает нейротоксическими свойствами и действует преимущественно на дофаминергические нейроны черного вещества. МФТП применяется также для индукции напоминающих паркинсонизм симптомов в экспериментах на животных (например, мышах), что очень важно для изучения еще остающихся проблем этой болезни. Антагонисты дофамина, например производные фенотиазина и галоперидол, используемые в психофармакологии, также могут вызывать близкие к симптомам паркинсонизма нежелательные побочные эффекты.

Интересно, что еще до начала применения L–дофа некоторого улучшения у больных удавалось добиться с помощью антагонистов ацетилхолина (производных атропина). Как сейчас считается, в отсутствие дофаминергической системы происходит растормаживание холинергических нейронов. Согласно этой теории, в норме действие этих двух медиаторных систем тонко взаимосбалансировано.

Гипофункция ГАМКергической и холинергической систем; хорея и баллизм. Хорея, впервые описанная Гентингтоном, представляет собой наследственное дегенеративное заболевание базальных ганглиев, характеризующееся непроизвольными судорожными подергиваниями. При посмертном исследовании отмечается резкое уменьшение количества нейронов стриатума. Поражаются прежде всего синтезирующие ГАМК стриопаллидарные и стрионигральные нейроны, а также местные холинергические клетки. Отсутствие осуществляемого стрионигральными нейронами торможения ведет к гиперактивности дофаминергических клеток. Это еще один случай нарушения баланса, в данном случае–между дофаминовой, ацетилхолиновой и ГАМК–системами.

При гемибаллизме наблюдаются резкие непроизвольные размашистые движения с одной стороны тела, обычно как результат одностороннего повреждения сосудов субталамического ядра. Поскольку его ГАМКергические нейроны дают проекции к бледному шару, вполне вероятно, что такие движения обусловлены растормаживанием последнего. Однако попытки лечения этой болезни путем введения ГАМК или ее агонистов не принесли успеха.

5.7. Двигательные области коры больших полушарий

История вопроса. Издавна известно, что поражения одной половины мозга могут сопровождаться нарушениями произвольных движений противоположной стороны тела. В XVIII в. был открыт пирамидный перекрест при переходе от головного мозга к спинному; а позднее–непрерывный тракт, идущий в спинной мозг от коры больших полушарий через пирамиды. В XIX в. эти наблюдения легли в основу представлений о системе пирамидного тракта как о морфологическом корреляте системы произвольных движений. Этой концепции соответствуют наблюдения за больными после инсульта (апоплексии), который нередко случается у пожилых людей в результате внезапного нарушения мозгового кровообращения. Типичный его симптом–паралич стороны тела, противоположной пораженному полушарию; аутопсия в большинстве случаев обнаруживает дегенерацию пирамидного тракта.

Клинические наблюдения крупного английского невролога Хьюлингса Джэксона легли в основу важной концепции соматотопии. т. е. топографических связей между корой и индивидуальными группами скелетных мышц. Джексон первым указал, что приступ эпилепсии часто начинается с сокращений отдельных мышц. Сначала подергивается только большой палец, через несколько секунд судороги распространяются по кисти, потом по руке и, наконец, по всей стороне тела. Джексон истолковал это так: приступ начинается с очагового возбуждения коры и судороги прежде всего охватывают управляемые данной ее областью мышцы, а по мере распространения патологического возбуждения по коре генерализуются. Это объяснение впоследствии полностью подтвердилось: у таких больных были действительно обнаружены патологические очаги (например опухоль мозга) в контралатеральной коре, например в представительстве большого пальца, находящемся в ее прецентральной области.

Вскоре после работ Джэксона во многих клинических лабораториях было показано, что прецентральная область коры больших полушарий «электрически возбудима», причем при стимуляции ее участков выявлены их топографические связи с определенными мышечными группами противоположной стороны тела. В настоящее время, разумеется, хорошо известно, что весь мозг обладает электрической возбудимостью, однако в конце XIX в. единственным видимым признаком эффективности его стимуляции служили мышечные сокращения. Так или иначе, теперь принято говорить не «возбудимая», а двигательная кора. В это определение, первоначально основанное на результатах опытов со стимуляцией мозга и клинических наблюдениях за последствиями его поражений (паралич произвольных движений), впоследствии были включены анатомические критерии–в частности цитоархитектоника (особенности строения клеточных слоев) и связи коры с двигательными ядрами таламуса.

Опыты с электростимуляцией мозга стали началом современного этапа его исследований. Объединенные усилия экспериментаторов и неврологов–клиницистов оказались настолько плодотворными, что в первой четверти XX в. были созданы междисциплинарные институты изучения мозга. Здесь с помощью тонких методов его стимуляции, экспериментальных повреждений и морфологического анализа были составлены двигательные карты коры больших полушарий для нескольких видов млекопитающих. Такие карты, построенные супругами Бродманом и Фогте и состоящие из множества пронумерованных полей с характерными цитоархитектоникой и связью стимул–двигательная реакция, до сих пор широко применяются при описании функциональной организации коры (см. рис. 6.3–6.5, а также 5.26). Имеются подробные обзоры соответствующей литературы [3, 53].

Карта коры мозга, отражающая двигательные реакции на электрические стимулы; определение двигательной коры

Пример карты коры больших полушарий, составленной на основании опытов с электрической стимуляцией, представлен на рис. 5.26. В принципе двигательные реакции с весьма различными характеристиками и значениями порогов вызываются ритмичным раздражением достаточно обширных областей коры. В строгом смысле слова двигательная кора, или первичная двигательная (моторная) область, соответствует тем участкам, которые характеризуются наиболее низкими порогами электрических стимулов для вызова сокращений небольших групп мышц (например, синхронно с раздражением возникает сгибание большого пальца руки). Эта область примерно совпадает с прецентральной извилиной (включая переднюю стенку центральной борозды) и цитоархитектоническим полем 4 Бродмана. Здесь кора особенно толстая; ее внутренний гранулярный слой отсутствует, а пятый слой содержит очень крупные пирамидные клетки, называемые гигантскими клетками Беца (отсюда другой термин для обозначения первичной моторной коры–агранулярная гигантопирамидная область).

При достаточно длительной (несколько секунд) ритмической стимуляции постцентральных полей 1, 2, 3 и 5 поверхности коры, а также лобного поля 6 тоже возникают двигательные ответы, но обычно сложного характера и только при интенсивном раздражении. В случае поля 6 это обычно вращение туловища и глаз с подниманием контралатеральной руки; аналогичные движения могут наблюдаться у людей во время эпилептических приступов с очагом локализации в этой области.

Сложные эффекты стимуляции поля 6 обусловлены, очевидно, обширной пространственной и временной суммацией возбуждения, сопровождающейся активацией сложных полисинаптических нейронных цепей. Поле б называют вторичной моторной областью и различают в ней медиальную (дополнительная моторная область) и латеральную (премоторная кора) части (рис. 5.26). В качестве альтернативы более раннему словесному описанию двигательных реакций Вулси схематически представил их рисунками [57].

Рис. 5.26. Карта мозга человека, построенная на основе двигательных ответов на ритмическую электрическую стимуляцию (50 Гц) различных участков поверхности мозга во время нейрохирургических операций. ПМК–премоторная кора, или латеральное поле 6; Д К–двигательная кора, или поле 4 (примерно соответствует прецентральной извилине); ДДК –дополнительная двигательная область коры, или медиальное поле 6. ТЗБ–теменно–затылочная борозда. Стимуляция двигательной коры вызывает низкопороговые ответы в виде дискретных движений, стимуляция поля 6 и задних областей коры–только высокопороговые ответы в виде сложных двигательных программ [28]

Рис. 5.27. Различные типы двигательных карт. А. Участки тела, реагирующие на стимуляцию данной области коры движением, представлены рисунками, наложенными на контуры мозга обезьяны. Кора больших полушарий показана в одной плоскости (медиальная поверхность и поверхности центральной и дуговидной борозд развернуты). Б. Очертания тела обезьяны (симиускулус) изображены пропорционально двигательным представительствам его участков. ДК–двигательная кора. ДД К–дополнительная область двигательной коры. CM I и СМ II–симиускулусы постцентральных соматосенсорных областей, стимуляция которых тоже может вызывать двигательные ответы, но высокопороговые. В. Двигательный гомункулус; пропорции частей тела соответствуют размерам их двигательных представительств. А и Б по [57]; В по [16]

На схеме, приведенной на рис. 5.27, А, изображения тех частей тела, в которых возникает сократительный ответ, наложены на участки коры, которые при этом подвергались стимуляции (обратите внимание, что корковые двигательные представительства перекрываются). Дальнейшим упрощением стало наложение на кору мозга соответствующим образом ориентированного силуэта всего тела (рис. 5.27,В). Такой способ символического отражения соматотопии в виде маленькой обезьянки («симиускулуса») облегчает запоминание наиболее важных (сильно упрощенных) характеристик двигательной области. Размеры различных частей тела на схеме пропорциональны их корковому представительству; оно особенно обширно у мышц лица, кисти и стопы.

Это искажение пропорций убедительно свидетельствует о том, что двигательная регуляция частей тела, обладающих наибольшей свободой движений, требует участия более обширных участков коры мозга. Двигательные карты коры мозга человека составлены по данным, полученным во время нейрохирургических операций [16]; двигательный гомункулус (рис. 5.27, В) представляет собой еще более утрированную карикатуру; огромные кисти отражают нашу способность к сложным манипуляциям различными орудиями (см. также сенсорный гомункулус на рис. 9.24).

Двигательная кора и двигательное поведение

Активация нейронов двигательной коры во время усвоенных движений [8]. Анатомические исследования и опыты со стимуляцией и повреждениями коры дают хотя и важные, но лишь косвенные сведения об участии ее двигательной области в регуляции движений. Новый шаг вперед обеспечило сочетание методов экспериментальной психологии с безболезненной регистрацией микроэлектродами активности индивидуальных нейронов. Это позволяет установить прямые корреляции между естественными усвоенными движениями и активностью ЦНС. В классическом эксперименте такого типа регистрируют импульсы нейронов двигательной коры обезьяны, когда животное совершает воспроизводимые движения верхней конечности, чтобы получить пищевое подкрепление (рис. 5.28).

В какой степени индивидуальная клетка кодирует конкретное движение. Каковы временные соотношения между активацией коры, электромиографической реакцией и началом движения. Рис. 5.28 демонстрирует возможность экспериментального изучения этих вопросов (хотя выводы всегда основаны на анализе целой популяции нейронов). По существу такие опыты показывают, что нейронная активность двигательной «области верхней конечности» прецентральной извилины предваряет движение (на 50–100 мс), причем вскоре после его начала эта фазическая активация прекращается. Временные соотношения очень часто зависят от направления движения (дирекционально специфичны).

Сильное отставание движения от начала нейронной активности свидетельствует о необходимости для вовлечения двигательных единиц значительной временной суммации на спиналъном уровне. Регистрация Н–рефлекса у человека (см. разд. 5.2) косвенно показывает, что возбудимость мотонейронов спинного мозга возрастает до начала движения: амплитуда этого рефлекса значительно выше при тестировании непосредственно перед произвольным движением, чем в отсутствие последнего. И здесь облегчение начинается примерно за 100 мс до начала реакции.

Следует, наконец, упомянуть, что современные методы автоматического усреднения сигналов позволяют регистрировать двигательный потенциал в центральной области коры человека с помощью поверхностных электродов. Этот потенциал наблюдается перед самым началом произвольного движения и соответствует суммарной активности нейронов двигательной коры (см. также рис. 5.30).

Центральная двигательная команда и соматосенсорная обратная связь. Существуют анатомические данные об обширных связях между двигательной корой и соседней (расположенной каудальнее) соматосенсорной областью, причем многие физиологические эксперименты подтвердили, что нейроны двигательной коры получают сенсорные сигналы (отсюда общий термин «сенсомоторная кора»). Каково функциональное значение этой афферентной обратной связи? На рис. 5.28 показано, как во время выполнения произвольных движении к двигательной коре передаются сигналы о внешних помехах. В этом эксперименте условнорефлекторные движения животного в случайном порядке затрудняют (кратковременно нагружают рычаг, препятствуя его перемещению). Такая неожиданная стимуляция вызывает коротко латентный рефлексоподобный залп импульсов в клетках коры, который добавляется к сигналу «центральной команды». Некоторые из активируемых при этом клеток – кортикоспинальные нейроны; следовательно, их возбуждение влияет на нейроны спинного мозга. Эти наблюдения убедительно свидетельствуют о том, что внешние помехи воздействуют на спинальные нейроны не только через сегментарные рефлекторные дуги, но и через транскортикальную петлю. Служит ли она, как сегментарные петли, для «перехвата» и компенсации помех, пока неясно [56].

Эфферентные связи двигательной коры

Пирамидный тракт [53, 17]. Мотонейроны ядер черепно–мозговых нервов и спинного мозга получают прямые входы от коры через кортикобульбарные и кортикоспинальные волокона пирамидного тракта. Спинальные нейроны опосредованно связаны с двигательной корой и через двигательные стволовые центры (см. разд. 5.4). Экспериментальная перерезка пирамидного тракта у обезьяны не устраняет всех ее произвольных движений. Напротив, на первый взгляд, общая подвижность животного выглядит очень слабо нарушенной; оно карабкается по клетке и хватает корм. Однако подробные наблюдения демонстрируют аномалии тонких двигательных программ, особенно в работе кисти (рис. 5.29). Ее движения замедлены, во время хватания пальцы не разводятся, и животному очень трудно точно взять предмет, например вытащить с помощью большого и указательного пальцев изюминку из небольшого углубления и отправить ее в рот. Считают, что такие тонкие движения пальцев зависят от прямых связей между корой и мотонейронами. Эта моносинаптическая кортикомотонейронная система в составе пирамидного тракта впервые появляется у

Рис. 5.28. Характеристики активности нейрона двигательной коры во время выполнения двигательной задачи. Вверху: схема эксперимента на обезьяне, которая обучена выполнять сгибательные и разгибательные движения с пищевым подкреплением. Время от времени в начале движения создается помеха ему в виде короткого нагрузочного импульса. А. Сгибание конечности без помехи. Б. То же движение с помехой. Сверху вниз: запись положения конечности (П), скорость движения (СД; градусы в секунду), ЭМГ трехглавой и двуглавой мышц плеча, запись активности нейрона (каждая точка соответствует одному импульсу), временная гистограмма частот нейронной импульсации. Обезьяна начинает движение в момент «О». Импульсация нейрона начинается примерно за 150 мс до этого. После внешней помехи (Б) происходит быстрая коррекция движения (см. запись механической активности и ЭМГ). Возрастание активности нейрона в случае помехи видно по увеличению плотности точек и высоты столбиков гистограммы (два пика, примерно через 40 и 220 мс после начала движения). Такая транскортикальная реакция передается на спинальный уровень кортикоспинальными нейронами («длиннопетлевой рефлекс») (В. Conrad, К. Matsunami, J. Meyer–Lohmann, M. Wiesendanger, V.B. Brooks: Brain Res., 71, 507, 1974)

приматов и достигает максимального развития у человека. Она связана главным образом с дистальными мышцами, что подчеркивает их значение для человека, отличающегося от прочих животных чрезвычайной «ловкостью рук».

Если пропускать через введенный в кору микроэлектрод стимулирующий ток силой менее 10 мкА, будет возбуждаться область коры радиусом около 90 мкм, содержащая примерно 30 клеток. Такая минимальная зона возбуждения может активировать лишь несколько двигательных единиц одной мышцы или группы мышц, расположенных в непосредственной близости друг от друга. Теперь известно, что определенной группе мотонейронов–мишеней соответствует целый ряд таких эфферентных мнкрозон, рассеянных по относительно крупной области двигательной коры между эфферентными зонами других мотонейронов. По–видимому, в двигательных программах участвуют несколько таких микрозон в различных сочетаниях–в зависимости от характера движения.

Пирамидный тракт в значительной степени (а у неприматов – исключительно) управляет мотонейронами через другие нейроны спинного мозга. Можно показать экспериментально, что импульсы многих кожных и проприоцептивных сегментарных афферентов конвергируют на одиночных местных интернейронах с импульсами от систем нисходящих трактов. Следовательно, корковая регуляция осуществляется частично путем мобилизации сегментарных рефлекторных путей. Обнаружено моносинаптическое влияние пирамидного тракта и других нисходящих путей на проприоспинальные нейроны верхнего шейного отдела спинного мозга; это открытие представляет большой интерес в теоретическом плане. Проприоспинальные нейроны образуют сложные цепи, охватывающие несколько

Рис. 5.29. Точность действий большого и указательного пальцев обезьяны при хватании мелкого предмета. А. Норма. Б. После перерезки пирамидного тракта на уровне продолговатого мозга обезьяна способна только «выгребать» предмет из углубления с помощью всех пальцев

сегментов. Как обсуждалось в разд. 5.4, это позволяет коре инициировать и модулировать двигательные синергии, организованные на уровне спинного мозга.

Кроме того, волокна многих нейронов пирамидного тракта, тела которых находятся в постцентральных соматосенсорных областях, оканчиваются преимущественно в дорсальных рогах. Вероятно, они обеспечивают кортикофугальную модуляцию соматосенсорной передачи (см. также разд. 9.12).

Супраспинальные обратные связи. Нисходящих путей к супраспинальным центрам у приматов намного больше,, чем спинальных проекций. Главные мишени здесь–двигательная область таламуса (комплекс вентролатеральных ядер), скорлупа, ядра моста и каудального отдела ствола мозга. В функциональном отношении эти нисходящие проекции можно рассматривать как компоненты внутренних цепей обратных связей, передающих копии эфферентации (копии двигательных команд). Хотя об этих системах известно пока немного, возможно, что с повышением филогенетического уровня роль внутренних цепей обратной связи в корковой регуляции движений возрастает (см. также разд. 5.5 и 5.6).

Высшие двигательные функции поля 6

Поле 6 находится непосредственно перед полем 4 по Бродману (ростральнее него) и включает медиальную дополнительную двигательную и латеральную премоторную области коры (рис. 5.26).

Рис. 5.30. Потенциал готовности (записанный с поверхности черепа) человека, выполняющего произвольные движения указательным пальцем. Каждая кривая получена путем усреднения записей для одного и того же испытуемого в разные дни (1000 движений в день). Различимое на глаз движение начинается в момент «О». Потенциал готовности опережает его примерно на 800 мс; он регистрируется с обеих сторон головы на обширных участках прецентральной и теменной областей. «Преддвигательное положительное отклонение» опережает движение примерно на 90 мс; за этим пиком сразу же следует двигательный потенциал, четко различимый только на самой нижней (биполярной) записи. Он ограничивается контралатеральной движению прецентральной извилиной и начинается за 50 100 мс до него. Потенциал, появляющийся во время движения, обусловлен сенсорными (реафферентными) сигналами [26]

Ранее они считались добавочными двигательными полями или частями первичной двигательной коры с представительствами туловищной мускулатуры, но в последние годы мнение изменилось. Хотя нельзя отрицать, что поля 6 и 4 функционируют параллельно, недавно доказано (особенно у человека) иерархически главенствующее положение поля 6. В пользу этого свидетельствуют последствия его повреждения, изученные по потенциалам готовности (рис. 5.30), и локальные изменения обмена веществ в мозге при выполнении движений (рис. 5.31). Прямая регистрация активности индивидуальных клеток поля 6 также подтверждает его ведущую роль в качестве ассоциативного двигательного поля [8, 54, 55].

Рис. 5.31. Регистрация регионарного кровообращения в мозгу человека во время различных движений. Левое полушарие показано сбоку и сверху. Интенсивность кровообращения в процентах от его уровня в состоянии покоя представлена различной окраской (справа). А. Во время быстрых ритмичных движений пальца активируется метаболизм контралатеральной области представительства кисти в двигательной коре. Такое относительно простое и стереотипное движение не сопровождается активацией дополнительной двигательной области коры (ДДК). Б. И напротив, при мысленном представлении сложного движения пальца без его реального выполнения происходит двусторонняя активация ДДК (на рисунке показана лишь контралатеральная сторона). В. Схема областей с усилившимся кровообращением (в процентах от уровня в состоянии покоя) [42]

Потенциал готовности [26]. Если попросить испытуемого самостоятельно (т.е. без всяких сенсорных сигналов) ритмично двигать пальцем, электронное усреднение активности, регистрируемой электродами с поверхности черепа, показывает медленно нарастающий отрицательный потенциал, возникающий примерно за 1 с до начала движения, Этот потенциал готовности (рис. 5.30)

регистрируется с обеих сторон головы на обширном пространстве, но с максимальной амплитудой– над теменем, т.е. приблизительно над дополнительной двигательной корой. Следовательно, последняя особенно важна для планирования движения. Вместе с тем, у обезьян предшествующие движению потенциалы выявляются также в лобной, теменной и лимбической ассоциативных зонах коры.

Регистрация метаболизма. Еще один подход к выяснению локализации мозговых процессов, связанных с произвольными движениями, состоит в определении местных изменений кровотока в коре больших полушарий (см. рис. 6.14). Исходя из электрофизиологических данных можно ожидать повышения интенсивности метаболизма в определенных областях коры во время произвольного движения, а соответствующие изменения кровотока представить в виде цветных компьютерных изображений. Прежде всего, кровоток усиливается в пределах той соматотопичсской области первичной моторной коры, где находится представительство совершающей движение части тела. В зависимости от природы этого движения могут дополнительно активироваться лобные и теменные ассоциативные области. Однако наиболее заметный очаг активности находится в каждом полушарии медиальнее и ростральнее двигательной коры, т. е. в дополнительной двигательной области (рис. 5.31). Особенно интересно, что метаболизм в этой фронтомедиальной зоне больше всего усиливается при таких движениях, которые требуют повышенного внимания (например, при работе пальцами в определенной последовательности), причем даже в том случае, когда испытуемого просят только мысленно представить себе заданную последовательность действий (в данном случае первичная двигательная кора не активируется). Отсюда еще раз следует, что дополнительная двигательная область коры обеспечивает скорее планирование, а не выполнение движений [42].

Последствия повреждений поля 6. К аналогичным выводам приводит анализ двигательных расстройств после повреждений поля 6. При патологии премоторной коры нарушается позная адаптация. Обезьяны, лишенные этой области мозга, с трудом выполняют сложные комплексы движений в правильной временной последовательности, особенно в случае необходимости их зрительного контроля. Медиальные повреждения, затрагивающие дополнительную двигательную область, вызывают у человека резкое ограничение двигательной активности. В частности, сильно обедняется спонтанная речь, хотя больной способен вполне нормально повторять слова за другим человеком; это также свидетельствует о высших функциях поля 6. После удаления ее у обезьян нарушается двусторонняя координация движений кистей. Анатомически показано, что в дополнительной двигательной области коры оканчивается большинство проходящих через таламус эфферентных путей от базальных ганглиев. Это представляет особый интерес в связи с тем, что некоторые заболевания этих ганглиев сопровождаются общими нарушениями произвольной двигательной системы (см. также разд. 5.6).

Импульсация индивидуальных нейронов поля 6

(см. Brinkman, Porter и Tanji, Knirata в [5]). Активация нейронов поля 6, как и нейронов двигательной коры, предшествует движению. Не совсем ясно, опережает ли в среднем их импульсация разряд нейронов поля 4, но очевидно, что она коррелирует с движением более разнообразно, например с движениями и контралатеральной, и ипсилатеральной кисти. Оказывается, нейроны поля 6 часто кодируют сенсорные «команды». Это выявлено по времени реакции: в определенный момент животное получает сенсорный сигнал к выполнению строго определенного движения (допустим, зеленый свет вправо, красный свет–влево). Активность нейронов поля 6 лучше коррелирует с сигналом, а не с началом движения.

5.8. Восстановление функций после повреждений двигательной системы

Восстановление после острых повреждений.

Травмы двигательных структур головного и спинного мозга–частый результат дорожных происшествий или острых нарушений кровообращения. При ранениях спинного мозга часто наблюдается двусторонний паралич ног (параплегия) или даже всех четырех конечностей (квадриплегия), а при сосудистой эмболии или кровоизлияниях в его внутреннюю капсулу–односторонний паралич (гемиплегия). В обоих случаях прерываются пути, связывающие супраспинальные двигательные центры со спинальными. К счастью, со временем у многих больных функции частично восстанавливаются. Рассмотрим вкратце возможные механизмы этого. Их понимание, несомненно, очень важно для медицины, но процесс реабилитации исключительно сложен, и многие его аспекты остаются неясными [53].

Обычно непосредственный результат спинальной травмы – вялый паралич с гипорефлексией. Как правило, исчезают даже висцеральные рефлексы. Это состояние всегда возникает после разрыва спинного мозга (спинальный шок), но может наблюдаться и при супраспинальных повреждениях. Восстановление спинальных рефлексов начинается только через несколько недель. Если разрыв нисходящих путей неполный, возвращается и способность к произвольным движениям (сначала лишь проксимальных групп мышц), причем на первых порах очень слабым и требующим большого сознательного усилия. Постепенно рефлекторная активность, а также сила и возможность выполнения произвольных движений возрастают. Улучшение подвижности может продолжаться в течение месяцев или даже лет; как правило, с наибольшим трудом восстанавливаются тонкие движения кистей. В хронической стадии наступает рефлекторная гиперактивность. Часто проявляется спастичность, т. е–значительное усиление фазического рефлекса растяжения. Признаком повреждения пирамидного тракта служит рефлекс выпрямления пальцев стопы и выгибания вверх ее большого пальца в ответ на поглаживание подошвы («рефлекс Бабинского»).

Немецкий нейрохирург О. Ферстер описал исключительный случай восстановления функций, особенно интересный ввиду того, что аутопсия показала полную дегенерацию пирамидного тракта. Больной смог вновь обрести навыки письма: он нормально держал пальцами ручку и прекрасно владел ею [28]. Поразительное восстановление наблюдалось также у обезьян после удаления двигательной области коры или перерезки пирамидного тракта на уровне ствола мозга. Уже через один три месяца животные двигались почти нормально. Только при тщательном наблюдении выявлялись неловкость кистей при хватании мелких предметов и общее замедление движений [17, 53].

Восстановление путем научения или структурной реорганизации? При длительных исследованиях в процессе регулярной тренировки двигательных функций у индивидуальных больных были получены примерно такие же результаты, как и у здоровых людей. Возникает вопрос, не является ли функциональная реабилитация просто результатом двигательного научения, при котором сохранившиеся нервные структуры используются для приобретения новых двигательных навыков или «приемов». Или же, напротив, восстановление–следствие структурной реорганизации (см. ниже). В настоящее время определенного ответа на этот вопрос не существует. Наиболее вероятно, что мотивация, интенсивная тренировка и научение действуют здесь параллельно процессам структурной реорганизации.

Структурные аспекты восстановления

Принято считать, что после утраты одной структуры ее роль берет на себя другая, с аналогичными функциями, т.е. она замещает первую. Это подразумевает исходную избыточность структур. Например, у кошки описана взаимная замещаемость функций пирамидного и кортикоруброспинального трактов; у обезьяны постцентральная кора способна выполнять некоторые функции двигательной [44]. После разрыва пирамидного тракта ипсилатеральные кортикоспинальные связи могут взять на себя роль дегенерировавших перекрестных путей. Однако во всех подобных случаях доказательства замещения спорны и имеют косвенный характер.

Известно, что в ЦНС взрослых млекопитающих нейроны не способны регенерировать. Остается загадкой, почему перерезанные аксоны периферических нервов могут вновь отрастать и

Рис. 5.32. Локальный спраутинг после частичной деафферентации. В хронической фазе (6) через несколько недель после острой (А) от интактных волокон (а) отрастают новые окончания, занимающие освободившиеся синаптические участки

реиннервировать мышечные волокна, тогда как регенерация центральных аксонов после перерезки гораздо более ограничена. Тем не менее есть данные о локальном спраутинге (разрастании) поврежденных волокон с формированием новых синапсов (рис. 5.32) [51]. Первые наблюдения заключались в том, что после частичной перерезки дорсальных корешков проксимальнее ганглиев образуются новые окончания. По–видимому, они принадлежат разрастаниям интактных волокон и занимают освободившиеся места около мембранных рецепторов. Сообщается также, что после деафферентации происходит спраутинг нисходящих волокон, хотя сегментарные афференты обладают существенным приоритетом в процессе восстановления синапсов. Увеличение сегментарного входа, обусловленное таким спраутингом, может играть некоторую роль в появлении гиперрефлексии, которая тоже развивается постепенно. Однако процесс этого «разрастания» беспорядочен, так что он не обязательно приводит к функциональному улучшению. Другой повод для сомнений относительно его ведущей роли в реабилитации–несовпадение некоторых сообщений о спраутинге в спинном мозге с результатами применения новейших анатомических методов.

Интересной моделью спраутинга служит красное ядро, у которого два основных входа–от коры больших полушарий и от мозжечка (вставочного ядра). Внутриклеточная запись синаптических потенциалов в этой области показала, что корковые афференты оканчиваются на расстоянии от тела нейрона, а мозжечковые – ближе к его телу. После необратимого разрыва последних корковые афференты образуют окончания все ближе к телу; следовательно, реорганизация здесь идет таким образом, что при дегенерации синапсов мозжечковых путей освободившиеся места занимают в результате спраутинга окончания кортикорубральных путей. Дегенерирующие синапсы как будто стимулируют формирование новых окончаний, а незанятая субсинаптическая мембрана притягивает отрастающие волокна (рис. 5.32).

Процессы восстановления в незрелом мозгу. Когда повреждение головного мозга, особенно его коры, случается в раннем возрасте, последствия бывают обычно менее серьезными, чем после аналогичных нарушений во взрослом состоянии. Это справедливо как для двигательных систем, так и для речи. После удаления участков коры у новорожденных обезьян развитие животных в течение первого года жизни почти не отличается от нормы. Однако, если обычно способность к хватанию предметов пальцами формируется через шесть–девять месяцев, в указанном случае эта специфическая функция двигательной коры и пирамидного тракта не появляется вообще [40]. У хомячков с перерезкой пирамидного тракта, произведенной вскоре после рождения, общая двигательная активность развивается, по–видимому нормально. При гистологическом исследовании мозга этих животных обнаружено, что ростральное места повреждения формируется новый, «обходной», пучок пирамидного тракта, идущий в спинной мозг аномальным путем. Выявлены и синаптические контакты этих нисходящих волокон со спинальными нейронами. Означает ли это, что молодой мозг способен к формированию новых связей большой протяженности? Хотя опыты на хомячках как будто указывают на это, возможно и другое объяснение. Известно, что в процессе созревания исчезают многие связи, присутствующие в незрелом мозгу. К ним, например, относятся «избыточные» связи в составе мозолистого тела, значительная часть которых позднее утрачивается. На ранних стадиях онтогенеза зрительная кора грызунов содержит нейроны, дающие проекции в спинной мозг; затем они исчезают. Можно предполагать, что повреждение, подавляя процессы регрессии, позволяет волокнам, которые в норме обречены на отмирание, функционально замещать дегенерировавшие. Этим объясняется более высокая пластичность молодого мозга, его повышенная по сравнению со зрелым мозгом способность к реорганизации «нейронных схем».

Молекулярные аспекты. Через несколько дней после денервации развивается значительная спонтанная активность индивидуальных мышечных волокон, проявляющаяся в виде фибрилляций. Мышечная мембрана становится сверхвозбудимой; область ее чувствительности к ацетилхолину постепенно расширяется от концевой пластинки на всю поверхность волокна. Аналогичные процессы характерны для ЦНС. По–видимому, сверхчувствительность денервированных структур представляет собой общий принцип. Большое клиническое значение имеет тот факт, что после утраты дофаминергической иннервации (при болезни Паркинсона) реакция нейронов стриатума на дофамин усиливается [48]. Развитие сверхчувствительности рецепторов связано с их молекулярными преобразованиями (рис. 5.53). Обсуждается возможность причинной связи между аномалиями рецепторов аминокислотных медиаторов и определенными неврологическими и психиатрическими заболеваниями.

Перспективы. Одна из важнейших задач современных фундаментальных исследований состоит в выяснении условий среды, благоприятствующих процессам регенерации. Кроме того, привлекают интерес проблемы сверхчувствительности рецепторов, формирования и дегенерации синапсов, участия

Рис. 5.33. После дегенерации пресинаптических окончаний развивается сверхчувствительность постсинаптических рецепторов (показаны красным), так что их реакции на медиаторы становятся аномально сильными. В результате происходит компенсаторное усиление синаптической передачи

глии в регенерации, а также поиск веществ, регулирующих рост нейронов.

Весьма актуальное направление исследований связано с трансплантацией в стриатум ткани, содержащей синтезирующие дофамин клетки. Такие эксперименты могут привести к разработке альтернативного метода лечения болезни Паркинсона, не требующего введения L–дофа. Другой многообещающий экспериментальный подход–поиск возможностей регенерации ЦНС путем имплантации кусочков периферических нервов, которые направляли бы рост новых волокон.

5.9. Литература

Учебники и руководства

1. Boyd J. A.. Davey M. R. Composition of Peripheral Nerves. Edinburgh, London, Livingstone, 1968.

2. Brooks V. В. (Ed.). Handbook of Physiology, Section 1, The Nervous System, Vol. 2, Parts 1 and 2. Motor Control. Bethesda. Amer. Physiol. Soc, 1981.

3. Creutzfeldt 0. D. Cortex cerebri, Leistung, strukturelle und funktionelle Organisation der Hirnrinde. Heidelberg, Springer, 1983.

4. Desmedt J. E. (Ed.). Cerebral Motor Control in Man. Long Loop Mechanisms. Basel, Karger, 1978.

5. Desmedt J. E. (Ed.). Motor Control Mechanisms in Health and Disease, Adv. Neurol., Vol. 39, New York, Raven Press, 1983.

6. Eccles J. C. The Inhibitory Pathways of the Central Nervous System. The Sherrington Lectures IX. Springfield/Ill. Ch. C. Thomas, 1969.

7. Eccles J. C., Ito M., Szentagothai J. The Cerebellum as a Neuronal Machine. Heidelberg, Springer, 1967.

8. Evarts E. V., Shinoda U., Wise S. P. Neurophysiological Aproaches to Higher Brain Functions, New York, Wiley, 1984.

9. Fearing F. Reflex Action. A Study in the History of Physiological Psychology, Baltimore, William & Wilkins, 1930. 10. Oilman S., Bloedel J.R., Lechtenberg R. Disorders of the Cerebellum, Contemporary Neurology Series, Vol. 21, Philadelphia, Davis, 1981.

11. Granit R. The Basis of Motor Control, New York, Academic Press, 1970.

12. Herman P.M., Grillner S., Stein–P.S.G., Stuart D.G. (Eds.). Neural Control of Locomotion, New York, Plenum Press, 1976.

13. Ito M. The Cerebellum and Neural Control, New York, Raven Press, 1984.

14. Magnus R. Korperstellung, Berlin, Springer, 1924.

15. Matthews P. В. С. Mammalian Muscle Receptors and their Central Actions, London, Arnold, 1972.

16. Penfield W., Rasmussen T. The Cerebral Cortex of Man. New York, McMillan, 1950.

17. Phillips С. G., Porter R. Corticospinal Neurones. Their Role in Movement. Monographs of the Physiol Soc. No. 34, London, Academic Press, 1977.

18. Poeck К. Neurologie, 6 Auf]. Heidelberg, Springer, 1982.

19. Rademaker G.G.J. Das Stehen. Berlin, Springer, 1931.

20. Roberts T. D. M. Neurophysiology of Postural Mechanisms, 2nd Ed. London, Butterworth, 1978.

21. Sherringtun C.S. The Integrative Action of the Nervous System, New Haven, Yale University Press, 2nd Ed. 1947, Reprinted 1961 (1906).

22. Towe A. L„ Luschei E. (Eds.). Handbook of Behavioral Neurobiology. Vol. 5, Motor Coordination. New York, Plenum, 1981.

23. Whitinq H. T.A. (Eds.). Human Motor Actions. Amsterdam, North'Holland, 1984.

Оригинальные статьи и обзоры

24. Alexander G. К, Delong M.R., Strick P.L. Parallel organization of functionally segregated circuits linking basal ganglia and cortex. Ann. Rev. Neurosci., 9, 357 (1986).

25. Boyd J. A. Muscle spindles and stretch reflexes. In Scientific Basis of Clinical Neurology (Eds. M. Swash, C. Kennard) S. 74–97. London, Churchill Livingstone, 1985.

26. Deecke L., Grozinger В., Kornhuher H. H. Voluntary finger movement in man: cerebral potentials and theory. Biol. Cybernetics, 23, 99 (1976).

27. Eccles R. M., Lundberg A. Synaptic actions motoneurones by afferents which evoke the flexion reflex, Arch. ital. Biol., 97, 199 (1959).

28. Foerster 0. Motorische Felder and Batmen. In: Bumke 0., Foerster 0. (Eds.). Handbuch der Neurologie, Band 6, Berlin, Springer, 1936.

29. Graybiel A. M. Neurochemically specified subsystems in the basal ganglia. In: Evered D., O'Connor M. (Eds.) Functions of the basal ganglia. C1BA Foundation Symp. 107, London, Pitman, 1984.

30. Hagbarth К. E., Finer В. L. The plasticity of human withdrawal reflexes to noxious stimuli in lower limbs. Progr. Brain Res., 1, 65–78 (1963).

31. Hagbarth K.E.. Kuqelberg E. Plasticity of human abdominal skin reflex. Brain 81, 305–319 (1958).

32. Holmes G. Selected Papers (Ed. C.G. Phillips) London, Oxford University Press, 1979.

33. Houk J. С. Regulation of stiffness by skeletomotor reflexes. Ann. Rev. Physiol., 41, 99 (1979).

34. Kuhn R. A. Functional capacity of the isolated human spinal cord. Brain, 73, 1 (1950).

35. Langston J. W. MPTP and Parkinson's disease. Trends Neurosci, 8, 79 (1985).

36. Lundberg A., Malmgren К., Scomburg E.D. Comments on reflex actions evoked by electrical stimulation of group II muscle afferents, Brain Res., 122, 551 (1977).

37. Marsden C.D. Which motor disorder in Parkinson's disease indicates the true motor function of the basal ganglia? In: Evered D., O'Connor M. (Eds.) Functions of the basal

ganglia. CIBA Foundation Symp. 107, London, Pitman p. 225, 1984.

38. McCormick D.A., Steinmetz J.E.. Thompson R.F. Lesions of the inferior olivary complex cause extinction of the classicaly conditioned eyeblink response. Brain Res., 359, 120 (1985).

39. Montarolo P.G.. Palestini M., Strata P. The inhibitory effect of the olivo–cerebellar input to the cerebellar Purkinje cells in the rat. J. Physiol. (Lond.), 332, 187 (1982).

40. Passingham R. E., Perry V. H., WUkinson F. The long–term effects of removal of sensorimotor cortex in infant and adult Rhesus monkeys. Brain, 106, 675 (1983).

41. Puchala E., Windle W.F. The possibility of structural and functional restitution after spinal cord injury. A review. Experimental Neurology, 55, 1 (1977).

42. Roland P. E., Larsen В., Lassen N. A., Skinh<fj J. E. Supplementary motor area and other cortical areas in organization of voluntary movements in man. J. Neurophysiol.. 43, 118 (1980).

43. Sasaki К.. Gemba H. Development and change of cortical field potentials during learning processes of visually initiated movements in the monkey. Exp. Brain Res., 48, 429 (1982).

44. Sasaki К., Gemba H. Compensatory motor function of the somatosensory cortex for the motor cortex temporarily impaired by cooling in the monkey. Exp. Brain Res., 55, 60 (1984).

45. Sato A., Schmidt R. F. Somalosympathetic reflexes: afferent fibers, central pathways, discharge characteristics. Physiol. Rev., 53, 916 (1973).

46. Schmidt R. F. Presynaptic inhibition in the vertebrate central nervous system. Ergebn. Physiol., 63, 20 (1971).

47. Schmidt R. F. Control of the access of afferent activity to somatosensory pathways. In: Handb. of Sensory Physiology. Vol. II, Somatosensory System (Ed. A. Iggo), p. 151, Neidelberg, Springer, 1973.

48. Schultz W. Depletion of dopamine in the striatum as an experimental model of parkinsonism: direct effects and adaptive mechanisms. Progr. Neurobiol., 18, 121 (1982).

49. Selemon L.D„ Goldman– Rakic P.S. Longitudial topography and interdigitalion of cortico–striatal projections in the Rhesus monkey. J. Neurosci., 5, 776 (1982).

50. Shik M.L., Oriovsky G.N. Neurophysiology of locomotor automatism. Physiol Rev., 56, 465 (1976).

51. Tsukahara N. Synaptic plasticity in the mammalian nervous system. Ann. Rev. Neurosci, 4, 351 (1981).

52. Vallbo А. В. Muscle spindle response at the onset of isometric voluntary contractions in man. Time difference between fusiomotor and skeletomotor effects. J. Physiol. (Lond.), 218, 405 (1971).

53. Wiesendanger M. The pyramidal tract: its structure and function. In: Handbook Behav. Neurobiol. Vol. 5. Motor Coordination (Eds. A. L. Towe. E. S. Luschei), New York, Plenum, 1981.

54. Wiesendanger M. Organization of secondary motor areas of cerebral cortex. In: Handbook of Physiology. Section 1. The Nervous System, Vol. II, Motor Control, Part 2 (Ed. V.B. Brooks) Bethesda, Md. Amer. Physiol. Soc., 1981.

55. Wiesendanger M. Recent developments in studies of the supplementary motor area of promates. Rev. Physiol. Biochem. Pharmacol, 103, 1 (1986).

56. Wiesendanger M.. Miles T.S. Ascending pathways of low–threshold muscle afferents to the cerebral cortex and its possible role in motor control. Physiol. Rev., 62, 1234 (1982).

57. Woolsey С. N., Settlage P. H., Neyer D. R., Sencer W., PintoHamuy Т., Travis H. M. Patterns of localization in precentral and „supplementary" motor areas and their relation to the concept of a premolor area. Proc. Assoc. Res. nerv. Ment. Dis, Vol. 30 (1950).