Организация внутренних связей в мозжечке

Кора мозжечка состоит из трех слоев – молекулярного, ганглиозного (или слоя Пуркинье) и гранулярного (рис. [516]) (рис. [517]). Ганглиозный слой (средний из трех) содержит практически только тела клеток Пуркинье (называемых также грушевидными нейронами), наиболее яркого и заметного элемента коры мозжечка, которые расположены там всего в один слой. Это единственные эфферентные нейроны коры мозжечка, их аксоны покидают кору мозжечка и направляются к внутримозжечковым ядрам. Все остальные клетки коры мозжечка являются внутренними интернейронами, их аксоны не выходят из коры. Уникальность клеток Пуркинье состоит не только в их относительно большом размере (более 50 мкм у крупных млекопитающих), но и в строении их обширного дендритного дерева: оно плоское и напоминает ветвистое растение, засушенное между листами гербария. Дендритные деревья клеток Пуркинье располагаются в молекулярном слое и ориентированы в парасагиттальный плоскостях, т.е. поперек направления листков мозжечка. У человека имеется несколько десятков миллионов клеток Пуркинье. В молекулярном слое также содержатся многочисленные тормозные корзинчатые и звездчатые клетки, однако большую часть объема этого слоя занимают нервные волокна. В гранулярном слое располагаются гранулярные клетки (клетки-зерна), униполярные щеточные клетки и клетки Гольджи.

Обработка сигналов, поступающих по мшистым волокнам. В гранулярном слое содержатся гранулярные клетки, или клетки-зерна. Короткие дендриты этих клеток имеют вид "когтевидных" отростков, на одной клетке может быть 4-7 таких образований. К этим дендритам подходят мшистые (моховидные) волокна и образуют на них синапсы (напомним, что мшистые волокна – это бо́льшая часть афферентов мозжечка, исключая проекции из нижней оливы и нейромодуляторные входы). В местах синаптических контактов мшистых волокон с дендритами клеток-зерен образуются характерные расширения терминалей – так называемые клубочки, или гломерулы. Моховидные волокна характеризуются обширной дивергенцией, и одно волокно образует синапсы примерно на 20 клетках-зернах. Как правило, к каждому "коготку" подходят разветвления от одного мшистого волокна; поскольку для возбуждения гранулярной клетки необходима суммация нескольких - по крайней мере двух - "коготков", то дальнейшая передача сигнала, входящего в кору мозжечка, происходит лишь при одновременной активации некоторого количества мшистых волокон. Частота следования импульсов по мшистым волокнам обычно достаточно велика (порядка 20 – 100 имп./с).

Аксоны гранулярных клеток поднимаются в молекулярный слой и в нем Т-образно ветвятся, образуя так называемые параллельные волокна, которые, например, у кошки тянутся в среднем 2 мм (до 5-7 мм). Параллельные волокна направлены вдоль складок листков мозжечка перпендикулярно сагиттальной плоскости, в результате чего каждое параллельно волокно пересекает дендриты многих сотен клеток Пуркинье; подобное анизотропное строение коры распространяется единообразно по всей ее площади. Для активации клетки Пуркинье по этому пути требуется одновременный разряд в достаточно большом количестве параллельных волокон, и в результате в них возникает импульсная активность, состоящая из простых спайков – обычных потенциалов действия, названных так для того, чтобы отличать их от другого вида активности – сложных спайков (рис. [518]) (см. ниже). На одной клетке Пуркинье могут располагаться десятки тысяч (до 100-200 тыс.) синапсов от параллельных волокон.

Отчетливо анизотропное строение коры мозжечка давно привлекало исследователей и заставляло их искать объяснения этому факту. Согласно одной из теорий, не получившей в дальнейшем подтверждения, параллельные волокна представляют собой линии задержки, позволяющие, например, вычислять запаздывание, с которым необходимо после активации агонистов включать антагонистические мышцы, чтобы обеспечить остановку движения в нужной точке. Данное предположение оказалось неверным хотя бы потому, что с учетом длины и толщины параллельных волокон они никак не смогли бы обеспечить задержки более несколько миллисекунд, чего явно оказывается не достаточно для реальных движений. Согласно более современным представлениям, подобная анизотропия имеет совсем другой смысл: она позволяет упорядоченно подать на каждую клетку Пуркинье максимально возможное число отдельных входных каналов передачи информации. Суммируя входы от множества параллельных волокон, каждая клетка Пуркинье имеет возможность непрерывно вычислять некоторый многомерный вектор, характеризующий различные внутренние и внешние аспекты состояния тела.

Аксоны клеток Пуркинье покидают кору мозжечка и направляются к внутримозжечковым ядрам. Таким образом, простейшая цепочка передачи сигнала через мозжечок включает в себя следующую последовательность синаптических контактов: мшистые волокна → гранулярные клети с параллельными волокнами → клетки Пуркинье → внутримозжечковые ядра (рис. [519]) (рис. [520]), при этом сначала происходит дивергенция, а затем сильная конвергенция входов. Клетки Пуркинье являются тормозными (ГАМК-эргическими), однако значение этого факта мы рассмотрим позднее. Остальные синапсы в этой цепочке возбудительные (глутаматергические).

Обработка сигналов, поступающих по лазающим волокнам. Есть еще один важнейший вход в кору мозжечка – это проекции от нижней оливы, которые представлены в коре мозжечка лазающими (лиановидными) волокнами. Хотя эти волокна также являются возбуждающими (глутаматергическими), характер их окончания в коре мозжечка сильно отличается от такового для мшистых волокон. Лазающие волокна ветвятся меньше, чем мшистые, и заканчиваются сразу на клетках Пуркинье без дополнительных переключений, при этом возникает некоторая дивергенция – в среднем, разветвления одного лазающего волокна подходят к 10 клеткам Пуркинье. Уникальной особенностью этой передачи является то, что каждая клетка Пуркинье получает синаптический вход строго от одного (!) лазающего волокна. Хотя в эмбриогенезе к каждой клетке Пуркинье изначально подходит несколько разных лазающих волокон, по мере созревания мозжечка остается только одно. Лазающие волокна, иначе также называемые лиановидными, получили свое название по той причине, что они оплетают основания дендритов клеток Пуркинье подобно вьющимся растениям.

Количество синапсов между одним лазающим волокном и клеткой Пуркинье может достигать трехсот, и располагаются они на апикальной части дендритов, лишенной шипиков. В результате единичный спайк, пришедший по лазающему волокну, оказывает чрезвычайно мощное воздействие на клетку Пуркинье – в ней возникает так называемый сложный (или комплексный) спайк в виде последовательности нескольких быстрых колебаний потенциала (рис. 518).

Импульсы по лазающим волокнам приходят достаточно редко (в среднем порядка 1 имп./с). Одним из факторов, ограничивающим частоту разряда в этом входе, являются тормозные проекции из ядер мозжечка в нижнюю оливу. Данный вход играет очень важную роль в функционировании мозжечка: как уже говорилось выше, разрушение нижней оливы ведет практически к таким же нарушениям в двигательной сфере, как и разрушение самого мозжечка. Дальше мы увидим, что разряд в лазающих волокнах остается низким лишь до тех пор, пока выполняемые движения достигают своей цели и производятся точно в соответствии с исходной двигательной командой, не требуя никакой коррекции.

Внутренние тормозные системы коры мозжечка. Цепочка передачи внутри коры мозжечка на самом деле выглядит несколько сложнее, чем было описано выше. В коре мозжечка есть как минимум две внутренние системы тормозных ГАМК-ергических интернейронов. Одна из них представлена клетками Гольджи, расположенными в гранулярном слое. Эти клетки активируются параллельными, а также мшистыми и лазящими волокнами, и тормозят клетки-зерна. Аксон каждой клетки Гольджи сильно ветвится и тормозит одновременно много клеток-зерен. Согласно идеям, высказанным Д.Марром и Дж.Олбусом в начале 70-х гг., клетки Гольджи служат автоматическим средством подстройки уровня входа по мшистым волокнам, позволяя избежать чрезмерной беспорядочной активации всего пула гранулярных клеток. Таким образом обеспечивается нужный коэффициент передачи входного сигнала, чтобы на его фоне наиболее четко проявлялись фокусы максимальной активности - а более слабые входы при этом вытормаживаются.

Тормозной системе клеток Гольджи противодействует работа униполярных щеточных клеток, которые располагаются в гранулярном слое червя, промежуточной зоны мозжечка и во флоккуло-нодулярной доле. Эти клетки возбуждаются мшистыми волокнами и другими щеточными клетками, и далее сильно возбуждают близлежащие гранулярные клетки, увеличивая таким образом силу и длительность реакции на активацию мшистых волокон.

Еще одна внутренняя тормозная система коры мозжечка представлена корзинчатыми и звездчатыми клетками (также ГАМК-ергическими), расположенными в молекулярном слое; их количество более чем на порядок превосходит число клеток Пуркинье. Эти клетки активируются преимущественно параллельными волокнами, а также коллатералями лазящих волокон. Кроме того, они сами подвергаются торможению со стороны других корзинчатых и звездчатых клеток, а также их тормозят коллатерали клеток Пуркинье. Назначение этих клеток – торможение клеток Пуркинье: каждая клетка Пуркинье получает синаптические контакты от многих десятков корзинчатых и звездчатых клеток.

Нейромодуляторные входы в кору мозжечка. Помимо возбудительных входов по мшистым и лазающим волокнам, работа нервных сетей коры мозжечка модулируется норадренергическими, серотонинергическими, холинергическими и гистаминергическими волокнами, хотя модуляция носит преимущественно неспецифический характер и настраивает режимы работы описанных выше цепочек передачи сигнала.

Взаимодействие мозжечка с другими моторными центрами. Как уже было сказано выше, клетки Пуркинье посылают свой тормозный выход на внутримозжечковые ядра (а также на латеральное вестибулярное ядро). С другой стороны, внутримозжечковые ядра получают коллатерали всех возбудительных входов, идущих в мозжечок и попадающих в его кору по мшистым и лазающим волокнам. Конкуренция между этими возбудительными и тормозными входами и составляет основу формирования выходного сигнала, который мозжечок направляет в связанные с ним структуры. Поскольку внутримозжечковые ядра обычно связаны двусторонними возбудительными связями со своими мишенями, то в этих замкнутых петлях создаются условия для регенерации активности на основе положительной обратной связи; степень же этой положительной обратной связи регулируется тормозными воздействиями клеток Пуркинье.

Рассмотрим гипотетический пример с четырьмя микромодулями, предложенный Дж.Хуком и Л.Миллером (рис. [521]). Каждый микромодуль задает движение в одном из четырех направлений на плоскости – например, вверх (нейрон моторной коры 1), вправо (нейрон 2), вниз (нейрон 3) и влево (нейрон 4). Каждый такой микромодуль представляет собой замкнутую петлю между участком моторной коры и соответствующим ему участком во внутримозжечковых ядрах (роль промежуточных переключений между этими структурами через ядра моста и таламус здесь не учитывается). Около каждого модуля показан уровень спайковой активности соответствующей клетки Пуркинье (верхняя линия) и клетки внутримозжечкового ядра (нижняя линия). Нейроны внутримозжечковых ядер тормозятся клетками Пуркинье, которые спонтанно активны. Предположим, что в рассматриваемый нами момент времени совершается движение вверх. В этом случае клетки Пуркинье, связанные с движением вверх, прекратят свой разряд, и в соответствующем микромодуле создадутся условия для реверберации активности. В результате в моторной коре будет сгенерирована мощная команда для движения вверх.

Все остальные три микромодуля – а в особенности антагонистический, ответственный за движение вниз, испытают на себе усиление тормозного воздействия со стороны клеток Пуркинье, в результате чего в них произойдет ослабление или полное подавление их активации в момент совершения данного движения (для простоты на рисунке изображено, что в начальный момент времени нейроны внутримозжечковых ядер не имеют спонтанной активности). Это обеспечит расслабление антагонистических мышц при совершении данного движения. Видимо, приблизительно по такой схеме мозжечок действительно может в постоянном взаимодействии с моторными центрами видоизменять генерируемую в них двигательную команду.

Естественно, приведенная выше схема является сильным упрощением реальной ситуации. В частности, очевидно, что таких микромодулей должно быть намного больше. Кроме того, в настоящее время считается, что мозжечок, равно как моторная кора и красное ядро, организованы не в терминах направления движения как такового, а в терминах функционально полезных групп мышц. Показано, что разряд клеток Пуркинье коррелирует с направлением и скоростью движения.