基底神经节：生命中的隐密世界

近日，以色列著名神经科学家Hagai Bergman教授的新书 The Hidden Life of the Basal Ganglia《基底节中的生命隐秘世界》由麻省理工学院出版社出版。该书是他毕生的梦想，结合了他作为研究员的科研经验、临床医生的医疗经历、以及人类个体的切身体验。Hagai教授成功地将自己独特的智慧和热情，与对基底神经节的深刻而广泛的理解融为一体。

 

 

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基底神经节主要接受大脑与运动和计划有关的前额叶的信号，这些信号可能是初步的运动意图。基底神经节将这些初步的运动意图，经过一番计算后，再将信号传达会大脑皮层，帮助大脑皮层制定详细的运动命令。

基底神经节系统的六大生理功能

 

• 整合情绪、思维与行为
• 使精细的动作变得流畅
• 抑制不必要的动作行为
• 设定身体的无任务状态或焦虑水平
• 提升动机水平
• 调控快乐／狂热感

 

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运动功能

基底神经节在运动控制中的功能尚不清楚。似乎基底神经节通过调节存储在运动皮层和运动层次结构中的其他地方的运动程序，参与了练习运动行为的启用和自主运动的启动。因此，自主运动不是在基底神经节中开始的（它们是在皮层中开始的）；然而，基底神经节的正常功能似乎是必要的，以便运动皮层将适当的运动命令传递到层次结构的较低级别。

基底神经节和运动皮层形成一个处理循环，由此基底神经节通过直接通路启用存储在运动皮层回路中的适当运动程序，并通过间接通路抑制竞争性运动程序。根据从皮层传递的所需运动输出选择合适的运动程序。请注意，为清楚起见，直接和间接通路的复杂回路被示意性地绘制为单个神经元。

基底神经节的主要输出是从 GPint（或 SNr）到丘脑（或上丘）的抑制性连接。对猴子眼球运动的研究揭示了基底神经节环的功能。正常情况下，SNr 神经元处于紧张状态，抑制控制扫视眼球运动的丘状神经元的输出。当直接通路纹状体神经元被皮质额叶眼动区兴奋时，信噪比神经元被暂时抑制，从而使丘状神经元摆脱抑制。这允许适当的丘状神经元向眼球运动的目标发出信号，允许猴子将目光转向新的位置。运动开始于额叶视野；然而，基底神经节的强直抑制输出的功能是什么？

在不同位置刺激猴子的运动皮层会导致刻板的动作序列，例如将手放在嘴边或采取防御姿势。许多“原始”运动程序似乎存储在皮层中，运动控制可能需要以精确的时间顺序激活这些基本运动程序，以完成复杂的运动计划。然而，在给定时间只有一个运动程序处于活动状态是很重要的，这样一种运动行为（例如，用手将食物送到嘴里）不会与冲突的运动行为（例如，用手遮住脸）竞争来自危险物体）。

据认为，基底神经节通常活跃于抑制不适当的运动程序，直接通路的激活暂时解除了一个运动程序的抑制，使其能够被生物体执行。因此，基底神经节充当了能够在层次结构中执行自动程序的门。

多巴胺能神经元发出意外奖励或意外缺乏奖励的信号（Hollerman 和 Schultz，1998）。(A) 如果奖励意外发生，多巴胺能神经元会迅速激发。这可能会加强导致奖励的皮层运动程序。(B) 如果猴子先前学到的奖励是由刺激预测的，则神经元放电不会改变，从而表明一切都在正常进行。(C) 如果奖励预测刺激不产生奖励，则神经元放电受到抑制。这种抑制可能会削弱没有产生预期奖励的皮层运动程序。

哪些运动程序应该在特定时刻解除抑制？基底神经节可能在了解哪些运动行为会导致对生物体的奖励方面发挥重要作用。该信息由SNc 和腹侧被盖核的多巴胺能神经元提供。猴子中这些神经元的记录表明，当猴子收到意想不到的奖励时，它们往往会做出反应，而当猴子没有收到预期的奖励时，它们往往会受到抑制。

因为激活黑质纹状体通路的净效应是激发直接通路并抑制间接通路，这种多巴胺能激发模式可能参与调节直接/间接通路活动的相对平衡，以增强产生奖励结果的皮层运动程序的激发，并抑制不产生奖励的运动程序的活动。通过这种方式，可以建立倾向于奖励动物的运动习惯。

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认知功能

通过基底神经节有许多皮层环，涉及前额叶联合皮层和边缘皮层。通过这些循环，基底神经节被认为在认知功能中发挥作用，类似于它们在运动控制中的作用。也就是说，基底神经节参与选择和启用存储在这些其他皮质区域的各种认知、执行或情感程序。

此外，基底神经节似乎参与某些类型的学习。例如，在啮齿类动物中，纹状体对于动物学习某些刺激反应任务是必要的（例如，如果存在刺激 A，则右转，如果存在刺激 B，则左转）。大鼠纹状体神经元的记录显示，在训练的早期，纹状体神经元在许多位置发射，而大鼠在 T 形迷宫中学习这样的任务。这表明最初纹状体参与了整个任务的执行。

这表明最初纹状体参与了整个任务的执行。随着动物学习任务并变得非常擅长其表现，纹状体神经元会改变它们的活动模式，仅在试验开始和结束时才放电。看来解决这个任务的学习程序现在存储在其他地方；迷宫开始时纹状体神经元的放电可能反映了皮层中适当的运动/认知计划的启用，而迷宫结束时的放电可能涉及评估试验的奖励结果。这表明最初纹状体参与了整个任务的执行。

随着动物学习任务并变得非常擅长其表现，纹状体神经元会改变它们的活动模式，仅在试验开始和结束时才放电。看来解决这个任务的学习程序现在存储在其他地方；迷宫开始时纹状体神经元的放电可能反映了皮层中适当的运动/认知计划的启用，而迷宫结束时的放电可能涉及评估试验的奖励结果。

看来解决这个任务的学习程序现在存储在其他地方；迷宫开始时纹状体神经元的放电可能反映了皮层中适当的运动/认知计划的启用，而迷宫结束时的放电可能涉及评估试验的奖励结果。看来解决这个任务的学习程序现在存储在其他地方；迷宫开始时纹状体神经元的放电可能反映了皮层中适当的运动/认知计划的启用，而迷宫结束时的放电可能涉及评估试验的奖励结果。

纹状体的习惯学习（Jog 等，1999）。(A) 一只老鼠被训练在 T 形迷宫中奔跑，如果听到高音就向左转以获得食物奖励，如果听到低音则向右转以获得食物奖励。(B) 在训练的早期，当老鼠开始学习任务时，纹状体神经元在迷宫的各个位置发射，尤其是在选择点。(C) 在训练后期，当大鼠掌握了任务并非常快速和准确地执行时，纹状体神经元现在仅在迷宫的开始和结束时激发。

在人类中，基底神经节似乎是某些形式的内隐记忆任务所必需的。像运动习惯学习一样，许多类型的认知学习需要反复试验并且通常是无意识的。一个例子是概率分类。在这种类型的任务中，人们必须学习根据属于某个类别的概率而不是任何明确的规则来对对象进行分类。

在一个实验中，受试者被展示了一副带有不同符号的纸牌。每个符号都与预测下雨或阳光的一定概率相关联，受试者必须在每次试验中说出该符号是预测下雨还是阳光。因为同一个符号有时预测晴天，有时预测下雨，受试者无法设计一个简单的规则，他们一开始犯了很多错误。然而，随着时间的推移，他们开始更好地对符号进行适当的分类，尽管他们仍然经常声称是在猜测。基底神经节障碍患者在这项任务中受损，这表明基底神经节认知循环的处理在某种程度上参与了我们下意识地学习与特定刺激相关的预测结果的概率的能力。

基底神经节障碍患者在学习这种隐式概率分类任务时受到损害，他们必须根据一组 4 个提示卡预测天气（Packard 和 Knowlton，2002）。

• 焦虑症、紧张症
• 惊恐发作
• 焦虑的生理感觉
• 喜欢预测未来最糟糕的事情
• 冲突性回避
• 妥瑞氏综合征
• 肌肉紧张，痛苦
• 震颤
• 精细动作的问题
• 头痛
• 过低或过高的动机