Чёрная субстанция , также чёрное вещество ( лат. Substantia nigra ) — составная часть экстрапирамидной системы , находящаяся в области четверохолмия среднего мозга . Играет важную роль в регуляции моторной функции, тонуса мышц, осуществлении статокинетической функции участием во многих вегетативных функциях: дыхании , сердечной деятельности , тонусе кровеносных сосудов . Впервые обнаружена французским анатомом и врачом Феликсом Вик-д'Азиром в 1784 году .

Несмотря на то, что чёрная субстанция представляет собой непрерывную полосу в срезах среднего мозга , анатомические исследования показали, что на самом деле она состоит из двух частей с очень различными связями и функциями: pars compacta (компактная часть) и pars reticulata (сетчатая часть). Данная классификация была впервые предложена Сано в 1910 году . Pars compacta служит в основном в качестве приёмника сигналов — в цепи базальных ганглиев, поставляя дофамин полосатому телу . Pars reticulata служит в основном в качестве трансмиттера (передатчика), передавая сигналы от базальных ганглиев к другим многочисленным структурам головного мозга .

Анатомия

Представляет собой скопление нервных клеток. Расположена в дорсальной части ножки на границе с базальной частью среднего мозга. Substantia nigra простирается на всём протяжении ножки мозга от моста до промежуточного мозга . Люди имеют две Substantiae nigrae , по одной на каждую сторону (левую и правую), от средней линии мозга.

Клетки этой субстанции богаты одной из форм природного пигмента меланина — нейромеланином , который и придаёт ей характерный тёмный цвет. В чёрной субстанции различают дорсально расположенный компактный слой ( pars compacta ) и вентральный ( pars reticulata ) — сетчатый слой . Pars compacta лежит медиальнее pars reticulata . Иногда упоминается и третий латеральный слой — pars lateralis , хотя его обычно классифицируют как часть pars reticulata . Pars reticulata и внутренняя часть бледного шара разделяются внутренней капсулой .

Нейроны substantia nigra получают многочисленные проекции от нервных клеток базальных ганглиев . В свою очередь они образуют синаптические связи с нейронами ретикулярных ядер ствола мозга и базальных ганглиев . Нейроны, составляющие компактный отдел, имеют полихимическую природу. В ретикулярной части чёрной субстанции выявлено большое количество нейронов, содержащих ГАМК , в компактной части — дофамин . Кроме того, в чёрной субстанции имеются различные нейропептиды . Данная структура широко связана с различными отделами центральной нервной системы . Но особенно тесно чёрная субстанция функционально связана с базальными ганглиями ( полосатое тело и бледный шар ), а также анатомически — со зрительными буграми .

Чёрная субстанция, являясь филогенетически довольно древним образованием, имеет сложную структуру и обильное кровоснабжение , что говорит о высокой роли её компонентов в системе координации жизнедеятельности .

Pars reticulata

Pars reticulata имеет сильное сходство как структурное, так и функциональное с внутренней частью бледного шара. Нейроны бледного шара, как и в pars reticulata, в основном ГАМКергические.

Афферентные пути

Pars reticulata связана с полосатым телом . Связь представлена двумя путями, известными как прямой и косвенный (непрямой) пути. Прямой путь начинается от стриатума и идёт к сетчатой части чёрной субстанции и медиальному бледному шару. Он образован тормозными ГАМКергическими волокнами. Непрямой путь организован сложнее. Функция его заключается в подавлении возбуждающего влияния таламуса на другие отделы моторной коры. Первое звено этого пути — тормозные ГАМКергические проекции стриатума на латеральный бледный шар . Латеральный бледный шар посылает тормозные ГАМКергические волокна к субталамическому ядру. Выходы субталамического ядра представлены возбуждающими глутаматергическими волокнами — часть их возвращается к латеральному бледному шару, другие направляются к сетчатой части — pars reticulata чёрной субстанции и медиальному бледному шару . Прямые и косвенные пути происходят из различных подмножеств клеток полосатого тела: они тесно перемешаны, в них расположены различные типы дофаминовых рецепторов, которые отличаются на нейрохимическом уровне.

Эфферентные пути

Существуют значительные проекции в таламусе (вентрально-латеральных и передних вентральных ядер), четверохолмии, хвостатых ядрах, происходящие из Pars reticulata (нигроталамические пути) , которые используют ГАМК в качестве нейротрансмиттера . Кроме того, эти нейроны образуют до пяти коллатералей, которые имеют ответвления как в pars compacta , так и в pars reticulata , вероятно, модулируя дофаминергическую активность в pars compacta .

Pars compacta

Pars compacta чёрной субстанции состоит из дофаминергических нейронов. Эти нейроны афферентные и связываются с другими структурами мозга: хвостатым ядром и скорлупой , которые входят в группу под названием полосатое тело . Такая связь позволяет высвобождать дофамин в указанных структурах.

Физиология

Чёрная субстанция играет важную роль, благодаря ей осуществляются функции: движения глаз, она регулирует и координирует мелкие и точные движения, в частности пальцев; координирует процессы жевания и глотания . Имеются данные о роли чёрной субстанции в регуляции многих вегетативных функций: дыхания , сердечной деятельности , тонуса кровеносных сосудов. Электростимуляция чёрной субстанции вызывает увеличение артериального давления , частоты сердечных сокращений, частоты дыхательных движений.

Чёрная субстанция является важнейшей составной частью дофаминергической системы награды. Она также играет очень большую роль в мотивации и эмоциональной регуляции материнского поведения ^:141 .

Pars reticulata

Pars reticulata чёрной субстанции является важным процессовым центром в базальных ганглиях. ГАМКергические нейроны в Pars reticulata передают окончательные обработанные сигналы базальных ганглиев в таламус и четверохолмие. Кроме того, Pars reticulata ингибирует дофаминергическую активность в Pars compacta через коллатерали аксонов , хотя функциональная организация этих связей остается неясной.

Pars compacta

Наиболее известная функции Pars compacta — управление движениями , однако роль чёрной субстанции в управлении движениями тела является косвенной; электрическая стимуляция этой области чёрной субстанции не приводит к возникновению движений тела. Также это ядро отвечает за обеспечение синтеза дофамина , который поставляется другим структурам головного мозга посредством дофаминергических нейронов. Функция дофаминовых нейронов в Pars compacta чёрной субстанции является сложной.

Патологическая физиология

Чёрная субстанция играет весьма значимую роль в развитии многих заболеваний, включая болезнь Паркинсона . В чёрной субстанции расположены тела нейронов, аксоны которых, составляющие нигростриарный путь , проходят через ножки мозга , внутреннюю капсулу и оканчиваются в неостриатуме в виде широкого сплетения терминальных микровезикул с высоким содержанием дофамина . Именно этот путь является тем местом в мозге, поражение которого приводит к формированию синдрома паркинсонизма .

Болезнь Паркинсона

Болезнь Паркинсона является нейродегенеративным заболеванием, характеризующимся гибелью дофаминергических нейронов в pars compacta чёрной субстанции, причины, которой до сих пор неизвестны. Для болезни Паркинсона характерны двигательные нарушения: тремор , гипокинезия , мышечная ригидность , постуральная неустойчивость , а также вегетативные и психические расстройства — результат снижения тормозящего влияния бледного шара ( globus pallidus ), расположенного в переднем отделе головного мозга, на полосатое тело ( striatum ). Повреждение нейронов паллидума приводит к «торможению торможения» периферических двигательных нейронов ( мотонейронов спинного мозга ). На данный момент болезнь неизлечима, однако существующие методы консервативного и оперативного лечения позволяют значительно улучшить качество жизни больных . С помощью позитронно-эмиссионной томографии доказано, что темпы дегенерации нейронов чёрной субстанции при болезни Паркинсона намного выше, чем при нормальном старении .

Шизофрения

Известно, что повышение уровня дофамина участвует в развитии шизофрении. Однако большая дискуссия продолжается и по сей день вокруг этой теории, которая широко известна как « ». Несмотря на разногласия, антагонисты дофамина остаются стандартными средствами лечения шизофрении. Эти антагонисты включают препараты первого поколения (типичные) антипсихотики , такие как производные бутирофенона , фенотиазина и тиоксантена . Эти препараты были в значительной степени заменены препаратами второго поколения (атипичными нейролептиками), такими как клозапин и рисперидон . Следует отметить, что эти препараты вообще не действуют на дофамин-продуцирующие нейроны, также и на рецепторы постсинаптических нейронов.

Другие, немедикаментозные доказательства в поддержку гипотезы дофамина , связанные с чёрной субстанцией, включают структурные изменения в pars compacta, такие как сокращение размеров синаптических окончаний. Другие изменения в чёрной субстанции включают повышенную экспрессию NMDA-рецепторов в структуре и снижение экспрессии дисбиндина . Дисбиндин, который был (спорно) связан с шизофренией, может регулировать высвобождение дофамина, и показатель низкой экспрессией дисбиндина в чёрной субстанции может иметь важное значение в этиологии шизофрении.

С угнетением дофаминергической передачи в нигростриарной системе (блокадой дофаминовых Д2-рецепторов ) при использовании нейролептиков связывают развитие экстрапирамидных побочных эффектов : паркинсонизма , дистонии , акатизии , поздней дискинезии и др.

Различные независимые исследования показали, что многие лица, страдающие шизофренией, имеют повышенный поток дофамина и серотонина , поступающего в постсинаптические нейроны мозга. Эти нейромедиаторы являются частью так называемой « системы вознаграждения » и вырабатываются в больших количествах во время позитивного по представлению пациента опыта типа секса, наркотиков, алкоголя, вкусной еды, а также стимуляторов ассоциированных с ними. Нейробиологические эксперименты показали, что даже воспоминания о позитивном опыте могут увеличить уровень дофамина , поэтому данный нейромедиатор используется мозгом для оценки и мотивации, закрепляя важные для выживания и продолжения рода действия. Например, мозг лабораторных мышей вырабатывал дофамин уже даже во время предвкушения ожидаемого удовольствия. Однако некоторые пациенты умышленно перенапрягают эту систему вознаграждения, искусственно вызывая приятные для них воспоминания и мысли снова и снова, поскольку таким образом натурально производятся нейромедиаторы хорошего настроения, теряя при этом самоконтроль. Это похоже на наркотическую зависимость, ведь практически все наркотики прямо или косвенно нацелены на систему вознаграждения мозга и насыщают его структуры дофамином . Если пациент продолжает перестимулировать свою систему вознаграждения, то постепенно мозг адаптируется к чрезмерному потоку дофамина , производя меньше гормона и уменьшая количество рецепторов в системе вознаграждения . В результате химическое воздействие на мозг уменьшается, понижая способность пациента наслаждаться вещами, от которых он раньше получал удовольствие . Это понижение заставляет пациента, зависимого от дофамина , усиливать свою «мыслительную деятельность» пытаясь привести уровень нейромедиаторов в нормальное для него состояние — этот эффект известен в фармакологии как толерантность . Дальнейшее привыкание может постепенно привести к очень тяжелым изменениям в нейронах и других структурах мозга, и потенциально может в долговременной перспективе нанести серьёзный ущерб здоровью мозга . Современные антипсихотические препараты нацелены на блокировку функций дофамина . Но, к сожалению, эта блокировка иногда также вызывает и приступы депрессии, что может усилить зависимое поведение пациента . Когнитивно-поведенческая психотерапия (КПТ), проводимая профессиональным психологом, также может помочь пациентам эффективно контролировать свои настойчивые мысли, поднять самооценку, понять причины депрессии и объяснить им долговременные негативные последствия дофаминовой зависимости . «Дофаминовая теория» шизофрении стала очень популярной в психиатрии в связи с эффективностью атипичных антипсихотиков, блокирующих нейромедиаторы , однако многие психологи не поддерживают эту теорию, считая её «упрощенной», также существует несколько различных течений внутри сторонников теории .

Повреждения чёрной субстанции

Так при перерезке билатеральных путей, идущих из чёрной субстанции в стриатум , вызывают у животных неподвижность, отказ от еды и питья, отсутствие ответов на раздражение из внешнего мира. Повреждение чёрной субстанции человека, приводит к произвольным движениям головы и рук, когда больной сидит спокойно ( болезнь Паркинсона ) . Нередко, возникает т. н. экстрапирамидный синдром — проявление дисфункции экстрапирамидной (стриопаллидарной) системы в виде:

1. мышечной гипертонии ,
2. гипокинезии (олигокинезии), то есть уменьшением двигательной инициативы и затруднениями при переходе из состояния покоя в состояние движения и наоборот,
3. брадикинезии , замедлением движений и уменьшением их амплитуды,
4. преобладанием сгибательной позы (согнутая спина, наклонённая к груди голова, согнутые в локтях и лучезапястных суставах руки и в коленях — ноги),
5. гипомимией ,
6. монотонной, тихой и глухой речью,
7. отсутствием содружественных движений,
8. гиперкинезами (тремор, торсионный спазм, атетоз, хорея, миоклонии, локализованный спазм).

При этом некоторые гиперкинезы (хореические) связаны с мышечной гипотонией .

Химические воздействия на чёрную субстанцию

Химические воздействия и изменения чёрной субстанции, происходящие на молекулярном уровне, играют важную роль в таких областях медицины , как нейрофармакология и токсикология. Различные соединения, такие как леводопа и МФТП (метилфенилтетрагидропиридин), используются для лечения и изучения болезни Паркинсона , а также многие другие препараты оказывают влияние на substantia nigra .

Леводопа

Чёрная субстанция является главной целью химической терапии при лечении болезни Паркинсона . Леводопа (L-ДОФА), предшественник дофамина, является наиболее часто назначаемым противопаркинсоничесим препаратом. Особенно эффективна леводопа в лечении пациентов на ранних стадиях болезни Паркинсона, хотя препарат не теряет своей эффективности с течением времени . Благодаря прохождению через ГЭБ , леводопа повышает уровень необходимого дофамина в чёрной субстанции, таким образом облегчая симптомы болезни Паркинсона. Недостатком лечения леводопы является то, что она устраняет симптомы болезни Паркинсона, при котором регистрируется низкий уровень дофамина, а не причину — смерть дофаминергических нейронов чёрной субстанции.

МФТП

МФТП ( метилфенилтетрагидропиридин ) — является нейротоксином , действующим на дофаминергические клетки головного мозга (имеет высокое сродство к дофаминовому транспортёру (DAT) ), в частности, в чёрной субстанции. МФТП стал широко известен в 1982 году, когда у небольшой группы людей из округа Санты-Клары (Калифорния, США) был диагностирован паркинсонизм после использования метилфенилпропиноксипиридина (МФПП), загрязненного МФТП. Нейротоксичность МФТП объясняется нарушением обмена веществ в митохондриях дофаминергических нейронов, в результате которого образуются свободные радикалы .

В 1984 году Лэнгстоном (Langston) и сотрудниками были проведены опыты, доказывающие прямое влияние МФТП на блокаду образования дофамина , приводящее к болезни Паркинсона . В настоящее время это вещество используется для моделирования болезни Паркинсона с целью её изучения и возможного лечения в лаборатории. Опыты на мышах показали, что восприимчивость к МФТП увеличивается с возрастом .

Кокаин

Механизм действия кокаина в мозгу человека включает в себя ингибирование обратного захвата дофамина и блокаду дофаминового транспортёра DAT, приводящий к состоянию эйфории и психической зависимости . У лабораторных животных после однократного введения кокаина плотность дофаминовых рецепторов на постсинаптической мембране возрастала в среднем на 37 %, при повторном введении плотность рецепторов продолжала увеличиваться. В связи с постепенным нарастанием тяжести нарушения обмена дофамина при употреблении кокаина могут развиваться специфические психозы, по клиническому течению напоминающие шизофрению . Тем не менее кокаин является более активным в дофаминергических нейронах вентральной части покрышки, нежели чем в чёрной субстанции.

Инактивация чёрной субстанции может оказаться возможной для лечения кокаиновой зависимости . В исследованиях кокаиновой зависимости у крыс инактивация чёрной субстанции проводилась с помощью имплантированных канюль , позволила значительно сократить рецидивы .

Амфетамины

Как и кокаин , амфетамины увеличивают концентрацию дофамина в синаптической щели, тем самым усиливая реакцию постсинаптических нейронов. Кроме того, как и кокаин, вызывают нарушения функций дофамина, что способствует привыканию.

Исследования показали, что в некоторых областях мозга амфетамин и так называемые трейс или следовые амины увеличивают концентрации дофамина в синаптической щели, тем самым повышая реакцию постсинаптического нейрона. Различные механизмы, с помощью которых амфетамин и следовые амины влияют на концентрации дофамина, были широко изучены и, как известно, включают переносчик дофамина DAT и везикулярный транспортёр моноаминов 2 типа VMAT2 . Молекула амфетамина похожа по структуре на дофамин и следовые амины; как следствие, он может проникать в пресинаптический нейрон посредством DAT, а также напрямую проникать через нейрональную мембрану . При введении в пресинаптический нейрон амфетамин и следовые амины, происходит активация TAAR1, который посредством передачи сигналов протеинкиназы индуцирует отток дофамина, интернализацию DAT, зависящую от фосфорилирования, и неконкурентное ингибирование обратного захвата . Из-за структурного сходства между амфетамином и следовыми аминами он также является субстратом для транспортёров моноаминов; как следствие, он (конкурентно) ингибирует обратный захват дофамина и других моноаминов, конкурируя с ними за поглощение .

Примечания

См. также

• Базальные ядра
• Полосатое тело
• Экстрапирамидная система
• Средний мозг
• Паркинсонизм
• Шизофрения
• Голубое пятно