чорна субстанція

Чорна субстанція. також чорна речовина (лат. Substantia nigra) - складова частина екстрапірамідної системи. що знаходиться в області четверохолмия середнього мозку. Відіграє важливу роль в регуляції моторної функції, тонусу м'язів, здійсненні статокінетіческой функції участю в багатьох вегетативних функціях: диханні. серцевої діяльності. тонусі кровоносних судин [1].

Незважаючи на те, що чорна субстанція являє собою суцільну смугу в зрізах середнього мозку. анатомічні дослідження показали, що насправді, вона складається з двох частин з дуже різними зв'язками і функціями: pars compacta і pars reticulata. Pars compacta служить в основному як приймач сигналів - в ланцюзі базальних гангліїв, поставляючи дофамін смугастому тілу. Pars reticulata служить в основному в якості трансмітера (передавача), передаючи сигнали від базальних гангліїв до інших численних структурам головного мозку.

Являє собою скупчення нервових клітин. Розташована в дорсальній частині ніжки на кордоні з базальної частиною середнього мозку. Substantia nigra простягається на всьому протязі ніжки мозку від моста до проміжного мозку. Люди мають дві Substantiae nigrae. по одній, на кожну сторону (ліву і праву) від середньої лінії мозку.

Клітини цієї субстанції багаті однією з форм природного пігменту меланіну -нейромеланіном. який і надає їй характерний темний колір. У чорній субстанції розрізняють дорсально розташований компактний шар (pars compacta) і вентральний (pars reticulata) - сітчастий шар [2]. Pars compacta лежить медіальніше pars reticulata. Іноді згадується і третій латеральний шар - pars lateralis. хоча його зазвичай класифікують як частина pars reticulata. Pars reticulata і внутрішня частина блідої кулі поділяються внутрішньої капсулою.

Нейрони substantia nigra отримують численні проекції від нервових клітин базальних гангліїв. У свою чергу вони утворюють синаптичні зв'язки з нейронами ретикулярних ядер стовбура мозку і базальних гангліїв [3]. Нейрони, складові компактний відділ мають поліхіміческую природу. У ретикулярної частини чорної субстанції виявлено велику кількість нейронів, що містять ГАМК. в компактній частині - дофамін. Крім того, в чорній субстанції є різні нейропептиди. Дана структура широко пов'язана з різними відділами центральної нервової системи. Але особливо тісно чорна субстанція функціонально пов'язана з базальними гангліями (смугасте тіло і бліда куля), а також анатомічно - із зоровими буграми.

Чорна субстанція, будучи філогенетично досить древнім утворенням, має складну структуру і рясне кровопостачання. що говорить про високу роль її компонентів в системі координації життєдіяльності [4].

Pars reticulata

Pars reticulata має сильне схожість, як структурний, так і функціональне, з внутрішньою частиною блідої кулі. Нейрони блідої кулі, як і в pars reticulata в основному ГАМКергіческіе.

аферентні шляху

Pars reticulata пов'язана з смугастим тілом. Зв'язок представлена двома шляхами, відомі як прямий і непрямий (зовнішній) шляху. Прямий шлях починається від стриатума і йде до сітчастої частини чорної субстанції і медіального блідому кулі. Він утворений гальмівними ГАМКергіческіх волокнами. Непрямий шлях організований складніше. Функція його полягає в придушенні збудливого впливу таламуса на інші відділи моторної кори. Перша ланка цього шляху - гальмівні ГАМКергіческіе проекції стриатума на латеральний блідий кулю. Латеральний блідий кулю посилає гальмівні ГАМКергіческіе волокна до субталамічного ядру. Виходи субталамічного ядра представлені збудливими глутаматергіческіх волокнами - частина їх повертається до латерального блідому кулі, інші прямують до сітчастої частини чорної субстанції і медіального блідому кулі. Прямі та непрямі шляхи відбуваються з різних підмножин клітин смугастого тіла: вони тісно поєднані, в них розташовані різні типи дофамінових рецепторів, які відрізняються на нейрохимическом рівні.

еферентні шляху

Існують значні проекції в таламусі (вентрально-латеральних і передніх вентральних ядер), четверохолміе, хвостатих ядрах, що відбуваються з Pars reticulata (нігроталаміческіе шляху), які використовують ГАМК як нейротрансмітера.

Pars compacta

Pars compacta чорної субстанції складається з дофамінергічних нейронів. Ці нейрони аферентні і зв'язуються з іншими структурами мозку: хвостатим ядром і шкаралупою, які входять в групу під назвою смугасте тіло. Це дозволяє вивільняти дофамін в цих структурах.

Чорна субстанція грає важливу роль, завдяки їй здійснюються функції: рухи очей, вона регулює і координує дрібні і точні рухи, зокрема, пальців; координує процеси жування і ковтання. Є дані про роль чорної субстанції в регуляції багатьох вегетативних функцій: дихання. серцевої діяльності. тонусу кровоносних судин. Електростимуляція чорної субстанції викликає збільшення артеріального тиску. частоти серцевих скорочень, частоти дихальних рухів.

Pars reticulata

Pars reticulata чорної субстанції є важливим процесові центром в базальних гангліях. ГАМКергіческіе нейрони в Pars reticulata передають остаточні оброблені сигнали базальних гангліїв в таламус і четверохолмие. Крім того, Pars reticulata пригнічує дофаминергическую активність в Pars compacta через колатералі аксонів. хоча і функціональна організація цих зв'язків залишається неясною.

Pars compacta

Найбільш відома функції Pars compacta є - управління рухами, проте роль чорної субстанції в управлінні рухами тіла є непрямою; електрична стимуляція цієї області чорної субстанції не приводить до виникнення рухів тіла. Також, це ядро відповідає за забезпечення синтезу дофаміну. який поставляється іншим структурам головного мозку. за допомогою дофамінергічних нейронів. Функція дофамінових нейронів в Pars compacta чорної субстанції є складною.

Хвороба Паркінсона

На фотографії показана патологія чорної субстанції, яка проявляється втратою (загибеллю) дофамінергічних нейронів в pars compacta. також видно Тельця Леві.

Хвороба Паркінсона є нейродегенеративних захворюванням, що характеризується загибеллю дофамінергічних нейронів в pars compacta чорної субстанції, причини, якої досі невідомі. Для хвороби Паркінсона характерні рухові порушення: тремор. гіпокінезія. м'язова ригідність. постуральная нестійкість. а також вегетативні і психічні розлади [6] - результат зниження гальмуючих дій блідої кулі (globus pallidus), розташованого в передньому відділі головного мозку, на смугасте тіло (striatum). Пошкодження нейронів паллидума призводить до «гальмування гальмування» периферичних рухових нейронів [6] (мотонейронів спинного мозку). На даний момент хвороба невиліковна, однак існуючі методи консервативного і оперативного лікування дозволяють значно поліпшити якість життя хворих [6]. За допомогою позитронно-емісійної томографії доведено, що темпи дегенерації нейронів чорної субстанції при хворобі Паркінсона набагато вище, ніж при нормальному старінні [7].

шизофренія

Відомо, що підвищення рівня дофаміну бере участь у розвитку шизофренії. Однак, велика дискусія триває й донині навколо цієї теорії, яка широко відома як «дофаминовая теорія шизофренії». Незважаючи на розбіжності, антагоністи дофаміну залишаються стандартними і успішними засобами лікування шизофренії. Ці антагоністи включають препарати першого покоління (типові) антипсихотики. такі як похідні бутирофенона. фенотиазина. і тіоксантена. Ці препарати були в значній мірі замінені препаратами другого покоління (атипові) нейролептиками. такими як клозапин і паліперидон. Слід зазначити, що ці препарати взагалі не діють на дофамін-продукують нейрони, також і на рецептори постсинаптичних нейронів.

Інші, немедикаментозні докази на підтримку гіпотези дофамін. пов'язані з чорної субстанцією, включають структурні зміни в pars compacta, такі як скорочення розмірів синаптичних закінчень. Інші зміни в чорній субстанції включають підвищену експресію NMDA-рецепторів в структурі і зниження експресії дісбіндіна. Дісбіндін, який був (спірно), пов'язаний з шизофренією, може регулювати вивільнення дофаміну і показник низької експресією дісбіндіна в чорній субстанції може мати важливе значення в етіології шизофренії.

Основні елементи синапсу

Різні незалежні дослідження показали, що багато осіб, які страждають на шизофренію, мають підвищений потік дофаміну і серотоніну. що надходить в постсинаптичні нейрони мозку. [10] [11] [12] [13] Ці нейромедіатори є частиною так званої «системи винагороди» і виробляються у великих кількостях під час позитивного за поданням пацієнта досвіду типу сексу, наркотиків, алкоголю, смачної їжі, а також стимуляторів ассоцірованних з ними . [14] Нейробіологічні експерименти показали, що навіть спогади про позитивний досвід можуть збільшити рівень дофаміну [15] [16] [17]. тому даний нейромедіатор використовується мозком для оцінки і мотивації, закріплюючи важливі для виживання і продовження роду дії. [18] Наприклад, мозок лабораторних мишей виробляв дофамін вже навіть під час передчуття очікуваного задоволення. [19] Однак деякі пацієнти навмисне перенапружують цю систему винагороди, штучно викликаючи приємні для них спогади і думки знову і знову, оскільки таким чином натурально виробляються нейромедіатори гарного настрою, втрачаючи при цьому самоконтроль. [13] Це схоже на наркотичну залежність, [20] адже практично всі наркотики прямо або побічно націлені на систему винагороди мозку і насичують його структури дофамином [21] [22]. Якщо пацієнт продовжує перестімуліровать свою систему винагороди, то поступово мозок адаптується до надмірного потоку дофаміну. виробляючи менше гормону і зменшуючи кількість рецепторів в системі винагороди [23]. В результаті хімічний вплив на мозок зменшується, знижуючи здатність пацієнта насолоджуватися речами, від яких він раніше отримував задоволення [22]. Це зниження змушує пацієнта, залежного від дофаміну. посилювати свою «розумову діяльність» намагаючись привести рівень нейромедіаторів в нормальне для нього стан [13] - цей ефект відомий в фармакології як толерантність. Подальше звикання може поступово привести до дуже тяжких змін в нейронах та інших структурах мозку, і потенційно може в довгостроковій перспективі завдати серйозної шкоди здоров'ю мозку [24]. Сучасні антипсихотичні препарати націлені на блокування функцій дофаміну. Але, на жаль, це блокування іноді також викликає і напади депресії, що може посилити залежна поведінка пацієнта [25]. Когнітивно-поведінкова психотерапія (КПТ), що проводиться професійним психологом, також може допомогти пацієнтам ефективно контролювати свої наполегливі думки, підняти самооцінку, зрозуміти причини депресії і пояснити їм довготривалі негативні наслідки дофаминовой залежності [26] [27]. «Дофамінова теорія» шизофренії стала дуже популярною в психіатрії в зв'язку з ефективністю атипових антипсихотиків, які блокують нейромедіатори. проте багато психологи не підтримують цю теорію, вважаючи її «спрощеної», також існує кілька різних течій всередині прихильників теорії [10].

Пошкодження чорної субстанції

Так при перерезке білатеральних шляхів, що йдуть з чорної субстанції в стриатум. викликають у тварин нерухомість, відмова від їжі і пиття, відсутність відповідей на подразнення із зовнішнього світу. Пошкодження чорної субстанції людини, призводить до довільних рухів голови і рук, коли хворий сидить спокійно (хвороба Паркінсона) [28]. Нерідко, виникає т. Н. екстрапірамідний синдром - прояв дисфункції екстрапірамідної (стриопаллидарной) системи у вигляді:

м'язової гіпертонії,
гіпокінезії (олігокінезія), тобто зменшенням рухової ініціативи і труднощами при переході зі стану спокою в стан руху і навпаки,
брадикінезії. уповільненням рухів і зменшенням їх амплітуди,
переважанням згинальній пози (зігнута спина, нахилена до грудей голова, зігнуті в логтей іпроменезап'ясткових руки і в колінах - ноги),
гіпоміміей,
монотонної, тихою і глухий промовою,
відсутністю співдружніх рухів,
гіперкінезами (тремор, торсіонний спазм, атетоз, хорея, миоклонии, локалізований спазм).

При цьому деякі гіперкінези (хореические) пов'язані з м'язовою гіпотонією [29].

Хімічні впливу на чорну субстанцію

Хімічні впливу і зміни чорної субстанції, що відбуваються на молекулярному рівні грають важливу роль, в таких областях медицини. як Нейрофармакология і токсикологія. Різні сполуки, такі як леводопа і МФТП (метілфенілтетрагідропірідін) використовуються для лікування і вивчення хвороби Паркінсона. а також багато інших препаратів впливають на substantia nigra.

Чорна субстанція є головною метою хімічної терапії, при лікуванні хвороби Паркінсона. Леводопа (L-ДОФА), попередник дофаміну, є найбільш часто призначаються протівопаркінсонічесім препаратом. Особливо ефективна леводопа в лікуванні пацієнтів на ранніх стадіях хвороби Паркінсона, хоча препарат не втрачає своєї ефективності з плином часу. Завдяки проходженню через гематоенцефалічний бар'єр. леводопа підвищує рівень необхідного дофаміну в чорній субстанції, таким чином, полегшуючи симптоми хвороби Паркінсона. Недоліком лікування леводопи є те, що вона усуває симптоми хвороби Паркінсона, при якому реєструється низький рівень дофаміну, а не причину - смерть дофамінергічних нейронів чорної субстанції.

МФТП (метілфенілтетрагідропірідін) - є нейротоксином. чинним на дофамінергічні клітини головного мозку (має високу спорідненість до дофамінових транспортеру (DAT) [30]), зокрема в чорній субстанції. МФТП став широко відомий в 1982 році, коли у невеликої групи людей з округу Санти-Клари (Каліфорнія, США) був діагностований паркінсонізм, після використання метілфенілпропіноксіпірідіна (МФПП), забрудненого МФТП. Нейротоксичність МФТП пояснюється порушенням обміну речовин в мітохондріях дофамінергічних нейронів, в результаті якого утворюються вільні радикали [31].

У 1984 році Ленгстона (Langston) і співробітниками були проведені досліди, які доводять прямий вплив МФТП на блокаду освіти дофаміну. що приводить до хвороби Паркінсона. В даний час ця речовина використовується для моделювання хвороби Паркінсона, з метою її вивчення і можливого лікування у лабораторії. Досліди на мишах показали, що сприйнятливість до МФТП збільшується з віком [32].

Механізм дії кокаїну в мозку людини включає в себе інгібування зворотного захоплення дофаміну і блокаду дофамінового транспортера, що приводить до стану ейфорії і психічної залежності. У лабораторних тварин після одноразового введення кокаїну щільність дофамінових рецепторів на постсинаптичні мембрані зростала в середньому на 37%, при повторному введенні щільність рецепторів продовжувала збільшуватися. У зв'язку з поступовим наростанням тяжкості порушення обміну дофаміну при вживанні кокаїну можуть розвиватися специфічні психози, за клінічним перебігом нагадують шизофренію. Проте, кокаїн є більш активним в дофамінергічних нейронах вентральної частини покришки, ніж чим у чорній субстанції.

Інактивація чорної субстанції може виявитися можливою для лікування кокаїнової залежності. У дослідженнях кокаїнової залежності у щурів інактивація чорної субстанції проводилася за допомогою імплантованих канюль дозволила значно скоротити рецидиви.

амфетаміни

Як і кокаїн. амфетаміни збільшують концентрацію дофаміну в синаптичної щілини, тим самим посилюючи реакцію постсинаптических нейронів. Крім того, як і кокаїн, викликають порушення функцій дофаміну, що сприяє звикання.

Механізм, за допомогою якого амфетаміни збільшують дофамін на синаптическом рівні, є його звільнення з пресинаптичних пухирців і підвищення концентрації дофаміну в цитоплазмі пресинаптических нейронів. Висока концентрація дофаміну в пресинаптичних закінченнях приводить до того, що зворотний транспорт дофаміну здійснюється за допомогою переносника дофаміну (DAT) і з синаптичної щілини.