大脑底部的基底神经节如何促进和抑制运动？

基底神经节

基底神经节是位于大脑底部的一系列核团，包括纹状体、苍白球、丘脑下核、黑质等。

基底神经节

基底神经节最早被发现的功能是调控运动，这也是基底神经节广为流传的功能。基底神经节中的纹状体接受运动皮层的投射，随后经过苍白球和黑质的传导 ，通过丘脑返回运动皮层。基底神经节依此通路来调控运动。

基底神经节的病变，经常出现在许多运动障碍疾病中。例如神经退行性疾病帕金森症，患者黑质致密部的多巴胺神经元退化，导致纹状体内多巴胺水平不足，在行为水平上病人会出现身体僵硬、颤抖、动作缓慢等症状。再例如舞蹈症（Huntington's disease），遗传基因的原因致使基底神经节退化，病人无法自主控制运动，身体经常出现不自觉地抽搐、扭动。

Huntington's disease

下面，我们深入到基底神经节内的神经环路，来探究一下基底神经节是如何促进和抑制运动的。

基底神经节内的直接通路和间接通路

我们从基底神经节的信号收集器——纹状体(striatum)说起。

纹状体接受来自很大范围的皮层输入，然后伸出纤维给基底神经节的输出核团——苍白球和黑质。

• 纹状体中棘神经元

离开纹状体的输出纤维来自于一种名为中棘神经元（Medium spiny neuron）的投射神经元。中棘神经元是纹状体内最主要的神经元，占纹状体的95%，是一种抑制性神经元。中棘神经元兴奋时，会抑制和它有突触连接的下游神经元。

纹状体中棘神经元（MSN）示意图

纹状体中棘神经元又分为两类，一类细胞膜上表达多巴胺的D1受体，另一类表达多巴胺D2受体。我们简称为D1中棘神经元和D2中棘神经元。这两类神经元的分布是混杂在一起的。

伏隔核（NAc）内交错分布的D1（红色）和D2（绿色）中棘神经元

D1与D2中棘神经元的投射轴突有着不同的走向。

• D2中棘神经元和直接通路

D1中棘神经元投向内苍白球(GPi, internal globus pallidus)和黑质网状部(SNr，substantia nigra pars reticulata)，抑制其中的神经元。而内苍白球和黑质网状部的神经元又伸出纤维抑制丘脑内的神经元，丘脑内神经元又投射至运动皮层和脑干运动核团，可兴奋运动皮层和脑干运动核团，促进运动。这是一个长链条。

直接通路：红色连线为抑制，蓝色连线为兴奋

我们试着来启动这一链条。来自运动皮层兴奋信号激活D1中棘神经元，D1中棘神经元会释放抑制性神经递质，抑制内苍白球和黑质网状部。由于内苍白球和黑质网状部激活时可抑制丘脑内核团，因此当内苍白球和黑质网状部被抑制时，丘脑内神经元会去抑制，换句话说，丘脑内神经元会相对兴奋起来。而丘脑内神经元的兴奋，又会激活运动皮层，最终促进运动。

这就是基底神经节D1中棘神经元介导的直接通路，可促进运动。

那基底神经节是如何抑制运动的呢？

• D2中棘神经元和间接通路

这就涉及到另一条更长的链条，这一链条起始于纹状体内的D2中棘神经元。

D2中棘神经元并没有直接投向内苍白球和黑质网状部，而是先绕了一个圈。D2中棘神经元走出纹状体的第一站是外苍白球(GPe, external globus pallidus)。外苍白球也是抑制性神经元，它们的纤维瞄准丘脑下核（STN，Subthalamic nucleus），丘脑下核里的神经元是兴奋性神经元，会释放兴奋性递质到内苍白球和黑质网状部。之后的通路和直接通路一样：内苍白球和黑质网状部伸出抑制纤维到丘脑，丘脑又伸出兴奋性纤维到运动皮层和脑干。

来自D2中棘神经元的信号绕了一条路，才到达内苍白球和黑质网状部。因此称为间接通路。

间接通路

绕的这条路，让间接通路的结果和直接通路相比，完全相反。

我们再来试着启动下间接通路。来自皮层的兴奋性输入激活D2中棘神经元，D2中棘神经元会进一步抑制外苍白球，这导致丘脑下核的去抑制，丘脑下核神经元的兴奋（去抑制）又会兴奋内苍白球和黑质网状部，内苍白球和黑质网状部神经元的兴奋会抑制丘脑和脑干，运动皮层接受不到来自丘脑的信号，运动也便不再起始。

即，间接通路激活时，运动被抑制。

灵长类动物基底神经节内的直接通路和间接通路示意图

啮齿类动物基底神经节直接通路和间接通路示意图

'go/nogo'模型

基底神经节直接通路促进运动，而间接通路抑制运动，根据这一特性，科学家们提出了一个简单直接的‘go/nogo’模型。

‘go/nogo’模型认为，当我们需要运动时，直接通路被激活。相反，不需要运动时，间接通路被激活。

‘go/nogo’模型不仅作用于自发运动(spontaneous movements )，也在抉择时起重要作用。

科学实验中的go-nogo示意图

其实，这一模型还有另一个抉择版本。直接通路掌管中意的抉择行为，而间接通路掌管不喜欢的抉择行为。大脑会激活直接通路以触发青睐的抉择行为，并且抑制间接通路以摒弃不想要的抉择行为。

然而，在很长一段时间内，由于无法在体鉴定且观测纵纹状体D1和D2中棘神经元、也无法特异地操纵两种神经元，科学家无法检验‘go/nogo’模型的正确与否。

转基因技术以及光遗传技术的兴起，使科学家有机会在小鼠脑内直接验证‘go/nogo’模型。然而实验结果却与‘go/nogo’模型有所出入。