基底神经环路（四）——苍白球及基底神经环路对动作幅度的控制。

摘要：苍白球的作用是配合纹体对运动信号进行聚合式整合，将空间排列的神经元的并行输出，整合为放行和制动的串行控制输出，使运动在受控状态下进行。这一整合带来的另一作用是将一个运动动作分解为若干小段，在底丘脑激励脉冲发放节律的控制下，通过控制每一小段的执行时间来控制该段的运动距离，从而最终控制整个动作幅度的大小。

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4.1苍白球包括外侧份GPe和内侧份GPi，都主要是由GABA神经元组成，处在皮质→纹体→苍白球→丘脑这一运动信号处理的主环路上，其输入为来自纹体的GABA神经的运动信号投射，其输出向丘脑的板内核、腹前核和腹外侧核进行投射。如图4—1所示。苍白球的其他神经投射，主要还包括：⑴、苍白球外侧份和内侧份都接受来自底丘脑的谷氨酸神经投射，同时外侧份向底丘脑进行投射，构成苍白球—底丘脑的神经环路。⑵、苍白球外侧份有GABA神经向黑质网状部进行投射，而苍白球的内侧份也接受黑质致密部的多巴胺神经投射，构成苍白球—黑质的往返投射环路。（其工作机制及作用跟纹体—黑质的往返投射是相似的，可参考后面关于黑质工作机制的文章）。⑶、苍白球接受脑干的调制性神经核团的投射，同时也向它们进行回馈投射。（说明身体状态、情绪与运动存在双向的互相影响）。

按照解剖资料，纹体（新纹状体）向苍白球外侧份和内侧份的神经纤维主要是抑制性的GABA神经投射，但有些神经纤维也包含有P物质（SP）、强啡肽（DYN）和脑啡肽（ENK）等神经递质或神经肽，其中投射到外侧份的纤维富含脑啡肽，似乎是起抑制性调制作用，而投射到苍白球内侧份的纤维富含P物质，P物质主要起兴奋性调制作用。在苍白球内部还存在外侧份向内侧份的投射，这些投射是外侧份向底丘脑投射的分枝，属于抑制性的GABA神经。

4.2对于苍白球及其在基底节环路中的工作，目前的教材和文献一般采用直接环路和间接环路的假说，纹体向苍白球内侧份的投射属于直接通路，能够易化运动，纹体向外侧份的投射属于间接通路，能够抑制运动。该假说仍然是把神经环路作为一种黑盒子解释，增加什么便易化运动，减少便抑制运动，未能从神经元层面来解释基底环路如何进行运动控制。而如果仅仅是为了以易化或抑制来平衡控制运动，完全能够以更简单更稳定的方式来实现。基底环路存在多个神经核团，各个核团之间的交叉投射非常复杂，其神经元数量巨大且神经活动非常活跃，这些核团一旦出现问题又容易产生严重的运动障碍，大脑既然进化或者说保留这么一个高成本高耗能又高风险的复杂环路，绝不会只是对运动起易化和抑制这么简单，它应该具有更加显著的存在理由，能够对运动进行具体的、必要的和非常重要的过程控制。

而且，该假说完全忽视底丘脑核存在向苍白球外侧份的神经投射，该投射的神经数量远远大于向内侧份的投射。该假说也没有提及在苍白球内部外侧份向内侧份的神经投射，可是，如果苍白球内部外侧份和内侧份之间没有足够密切和重要的神经联系，那么在漫长的生物进化过程中，这两部分早就会被分离成为分界明显的两个核团，既然经过漫长进化后，这两部分仍然紧密结合在一块，以至仍然成为一个苍白球整体，说明其内部外侧份向内侧份存在着丰富的密切的神经投射。还有，从解剖上看，纹体向内侧份投射的神经束都要穿过外侧份，而按照中枢神经的工作特点，这些穿过外侧份的大量神经不可能长期活动却没有跟外侧份的神经产生密切联系，一般都有存在向外侧份的神经进行投射的分枝。

图4—2是在文献找到的苍白球内部的神经投射关系的一幅图，虽不敢肯定这是准确的，可笔者认为这一投射关系更加合理。

4.3笔者重新厘清和分析基底神经环路以至整个运动神经系统的工作过程，认为基底神经环路的工作远远不只是易化运动和抑制运动这么简单，而是更为复杂和巧妙并具有非常重要的功能。以无意识运动为例，运动皮质上以空间排列的不同运动神经元（位置编码），在依次激活发放兴奋脉冲时一方面通过锥体束或椎体外束进行运动输出，另一方面同时将运动信号向纹体进行投射，而基底神经环路将这些不同运动神经元依次发放输入的并行的运动信号，整合为串行的由发放脉冲构成且具有节律性调制的簇状控制信号，并以此对丘脑→皮质上行通道的兴奋信号进行放行和制动控制，而丘脑→皮质上行通道的激励信号又继续激励和控制运动皮质上的神经元的下一个激活动作。如此构成一个闭环控制环路。该控制环路能够将一个运动动作分解为由若干制动点和放行段组成，用以对运动动作的执行和停止进行过程控制。并通过对发放节律的调整，来控制制动和放行的时间长短，从而实现对一个空间编码相同的动作信号，转换为运动距离（幅度）不同的各种输出动作。而实现这一整合和控制功能的，正是由苍白球和底丘脑构成的神经环路。

笔者分析，纹体→苍白球外侧份→底丘脑→苍白球（外侧份和内侧份）这一所谓的间接通道，和纹体→苍白球外侧份→内侧份这一直接通道，实现的是两种不同的作用。前者实现的是对底丘脑与被盖网状核构成的激励脉冲形成环路进行调制，以调制该环路的激励脉冲的发放节律，反过来由底丘脑核向苍白球外侧份和内侧份发放兴奋性激励脉冲以激励它们的神经活动。而后者是将纹体的并行运动信息通过聚合投射整合为串行的控制信号输出，再由苍白球内侧份向丘脑→皮质上行通道进行制动和放行控制。下面分别对两部分进行阐述。（参见图4—3）。

4.4在上一篇基底神经环路（三）——底丘脑及运动神经系统的激励脉冲控制中，描述了基底神经节的同步激励脉冲环路，由脑干网状结构的被盖网状核（胆碱能神经）←→底丘脑往返投射构成，投射链路为：被盖网状核→底丘脑核→底丘脑网状核→被盖网状核，该环路往返发放构成振荡环路来产生同步激励脉冲。这一兴奋性的同步激励脉冲激励着苍白球外侧份、内侧份和黑质网状部的GABA神经元的活动，也控制着它们的脉冲发放的节律和时序。

而该振荡环路的工作及其激励脉冲发放节律，也受到多种输入信号的调制，包括来自皮质、小脑、脊髓，也包括通过纹体→苍白球外侧份→底丘脑的这一来自苍白球外侧份的重要投射，而该振荡环路又通过底丘脑核对苍白球外侧份和内侧份进行兴奋性的激励脉冲投射，形成苍白球（外侧份）→底丘脑→苍白球（外侧份和内侧份）的控制环路，（这也充分体现了中枢神经各个局部神经环路互相投射互相调制的环环相扣的基本架构）。由于苍白球外侧份向底丘脑的投射是抑制性的GABA神经，是抑制了底丘脑的神经活动，其结果是降低该振荡环路的激励脉冲发放节律。而从整个基底神经环路的工作看，当皮质向纹体进行兴奋输入，使纹体GABA神经激活向苍白球外侧份进行高节律发放，会抑制外侧份的神经活动，使外侧份降低对底丘脑的抑制，从而使底丘脑的振荡环路的激励脉冲发放节律升高。所以，纹体的GABA神经活动的发放节律，对底丘脑振荡环路的发放节律形成正相关的调制，（注意两者的发放节律是不同的，也并不同步），并最终影响着苍白球内侧份对丘脑→皮质上行通道的制动和放行的节律。

而且，这里是以神经核团进行描述，但实际上苍白球外侧份和底丘脑里面包含大量神经元，苍白球外侧份向底丘脑的投射和底丘脑反过来向苍白球的投射具有位置上的局部定位，这些具有局部定位的神经投射与机体不同骨骼肌的运动信号具有对应关系，并分别调制这些骨骼肌的各自的运动。所以，在底丘脑核可检测到不同的神经元存在不同的发放节律。

4.5而在运动信号整合部分，纹体的GABA神经存在直接向苍白球内侧份的抑制性投射，但主要是向苍白球外侧份进行抑制性投射，苍白球外侧份又向内侧份进行抑制投射，同时纹体还向苍白球外侧份和内侧份进行脑啡肽和P物质的投射，而最终由苍白球内侧份的GABA神经输出对丘脑→皮质上行通道进行控制。所以笔者认为，在基底神经环路，用于整合处理运动信息的是纹体→苍白球外侧份→苍白球内侧份→丘脑这一由GABA神经构成的主环路。在苍白球内部，苍白球外侧份向内侧份的投射应该和底丘脑一样都具有位置上的局部定位，这些具有局部定位的神经投射与机体不同骨骼肌的运动信号具有对应关系，分别控制着这些骨骼肌的各自的运动。（当然，这并非是某几个神经元固定对应于某条骨骼肌，而是根据运动的相关性，整合相关的众多神经元形成一条信号处理通道来控制一条骨骼肌）。

而且，根据解剖资料，苍白球外侧份的神经元数量明显比苍白球内侧份多，（大约为51万和17万，3比1），而从体积上看，纹体的神经元数量应该也是明显比苍白球外侧份多，那么，在整合处理运动信息的基底主环路的每一路对骨骼肌进行控制的神经通道上，从皮质—纹体—苍白球外侧份—苍白球内侧份这一链路的神经元数量都是呈现多向少的聚合投射。如图4—4。所以，笔者推测苍白球的重要作用，是配合纹体对运动信号进行进一步的聚合式整合，将皮质上按空间结构排列（空间编码）的神经元的并行运动输出，整合为串行的控制信号输出。

4.6这两方面互相配合，以完成对运动动作的整合和控制过程：

⑴、首先，在静止状态下，皮质上没有运动神经的有效活动，皮质向纹体的投射也就没有兴奋信号或者兴奋很弱，这时纹体的GABA神经处于低节律的自发放状态，其输出对苍白球外侧份进行弱抑制，外侧份在得到底丘脑的兴奋性脉冲激励时激活产生高节律发放，一方面对底丘脑进行抑制，使底丘脑与被盖网状核构成的激励脉冲形成环路处于较低的发放节律，这能够降低被盖网状核对运动神经系统其他方面的兴奋激励以维持静止状态，另一方面向内侧份进行强抑制，使内侧份神经活动降低，减弱对丘脑—皮质上行通道的抑制，这样不会在静止状态下对上行通道造成过多抑制，也即不会影响皮质对运动动作的启动。

⑵、运动动作的启动首先是由脑干网状结构整合启动的，脑干网状结构内侧区（包括被盖网状核）在得到信号输入（包括有意识的跟思维相关的信号，和无意识的来自感觉传入的信号）刺激时，某些神经通道直接产生激活发放，通过丘脑—皮质上行通道发散向皮质进行兴奋性激励脉冲发放，使皮质上某一组神经元整合后激活发放一组兴奋脉冲。这组兴奋脉冲一方面作为运动输出通过锥体系和锥体外系下行去控制骨骼肌，另一方面兴奋脉冲也向纹体进行投射，使纹体的GABA神经也出现脉冲发放。这种投射是有对应关系的，比如这时接受兴奋输入而激活发放的可称为纹体第一组（个）神经元。

⑶、纹体的这一组GABA神经的脉冲发放投射到苍白球对应的神经元上，使苍白球外侧份受强抑制而活动减弱，降低对底丘脑和内侧份的抑制，于是底丘脑的激励脉冲环路的发放节律升高，同时内侧份出现高节律发放。这一信号输出到丘脑（板内核、腹外侧核等），对丘脑—皮质上行通道进行制动，也即在纹体脉冲输出期间，内侧份对丘脑—皮质上行通道是抑制制动的。但这一控制过程是动态进行的，也是非线性的，（所以不能简单的以静态的易化或抑制运动来理解）：纹体的抑制输出是间隔性的，所以内侧份的神经活动是间隔性的簇状发放，内侧份对上行通道的抑制也是间隔性的，形成制动和放行交替进行的控制，在其密集发放期间抑制制动上行信号，在间隔期则放行上行兴奋信号。

⑷、被放行的上行兴奋信号，又对皮质相关神经元进行兴奋激励，激励产生新一组神经的新一次激活发放，新的神经活动所输出的兴奋脉冲同样一方面通过锥体系和锥体外系进行运动输出，另一方面兴奋脉冲又向纹体进行投射，使纹体的新一组GABA神经出现高节律发放。这时接受兴奋激活发放的是纹体第二组（个）神经元。

⑸、纹体的新一组GABA神经同样投射到苍白球，由于纹体—外侧份—内侧份是聚合投射，所以聚合的结果，仍然由内侧份同一组（个）神经元向丘脑—皮质上行通道进行制动和放行控制。而上行通道的兴奋脉冲又继续向皮质进行兴奋激励，激励新一组神经元的新一次激活发放。

⑹、上述过程循环进行，苍白球内侧份通过间隔性的抑制输出，使丘脑—皮质上行通道被间隔性制动和放行兴奋脉冲，对皮质进行兴奋激励，皮质不同位置的神经元逐组（个）发放产生兴奋脉冲，一方面不断输出去控制骨骼肌运动，另一方面不断投射到纹体的不同神经元，而纹体这些不同的神经元的依次输出，又通过聚合投射整合为同一通道的苍白球内侧份的控制输出，对丘脑上行通道继续进行控制。以此完成基底环路对运动动作的过程控制。

当然，由于神经活动是非线性的，各核团的神经活动节律既不相同也不同步，所以上述过程并非是一一对应的步骤控制，而只是按照这种机制进行动态控制。而且，各核团的神经元之间也可能不是固定投射，而是可以在运动学习中通过可塑性进行整合。

4.7基底环路这一动态的过程控制的功能首先是使机体运动在受控状态下、通过闭环控制、逐次放行来进行。该环路不影响运动动作的启动，可是，动作一旦启动，它便开始介入，对运动进行控制，这能够使机体运动平稳可控，避免运动输出只有正向激励而没有制动控制时，会出现不受控的大幅度剧烈运动。（所以纹体或底丘脑受损时，会产生不受控的舞蹈样动作或投掷样动作，后面另有文章详细描述）。

基底环路这一过程控制的第二个重要功能在于：由于这种制动和放行的时间点和时间长度，受底丘脑所发放的激励脉冲的控制，所以能够通过改变底丘脑的激励脉冲环路的发放节律，来改变这一制动和放行控制的节奏，并以此将一个空间结构一样的运动动作，通过放行并输出不同时间长度的运动信号，来改变运动动作的幅度。也就是说，基底神经环路将一个由运动皮质发动输出的运动输出，分解为由若干制动点和若干放行段组成，而肌肉在执行运动动作时，这些点和段又连接为一个连贯动作，而且，通过控制这些点的时间和段的长度，来控制运动动作的长度也即运动幅度。

（基底环路的第三个重要功能，涉及主动肌和拮抗肌的协调控制，将在基底神经环路（六）——黑质及其特殊的互抑调制作用进行阐述）。

参见图4—5。（图形仅用于说明原理，比例不考究）。同一运动动作的输出，当底丘脑的激励脉冲发放节律变高，则苍白球内侧份对丘脑上行通道的制动和放行节奏变快，导致动作的输出长度也即运动幅度变短，即图4—5的A部分；当底丘脑的激励脉冲发放节律变低，则苍白球内侧份对丘脑上行通道的制动和放行节奏变慢，动作的输出长度也即运动幅度变长，即图4—5的C部分。

典型的例子，一个字的写法属于空间信息记录在大脑皮质上，但在进行写字这一运动输出时，基底神经环路按照上述工作机制，通过制动和放行将字的任一笔划，分解为若干小段组成，通过改变激励脉冲的发放节律，可改变笔划的每一小段的放行输出的时间，从而改变笔划的长度，最终改变了所写的字的大小。（注意写字的速度，也即运动的速度更主要是由运动皮质神经输出的发放节律所决定，由丘脑向运动皮质的上行激励脉冲发放节律控制，而并非由上述皮质—纹状体神经环路的发放节律所控制）。所以大脑无需记忆大小不同的字，而只需记忆这个字的空间结构，类似于计算机中的字库，而通过改变笔划的长度来实现写字的大小。

4.8而底丘脑的激励脉冲振荡环路的发放节律受到多方面的调制，包括：来自纹体→苍白球外侧份→底丘脑的投射的调制，以实现运动动作的过程控制；也包括来自皮质、小脑、脊髓上行信号等运动神经系统其他方面向底丘脑或被盖网状核的调制，（脊髓的信号不知是否是来自肌梭传感器），以实现整个运动神经系统的协调控制。一个运动动作在启动和进行时，环路的发放节律会比较低，每个放行小段会比较长，所以动作会进行得比较流畅。而在运动动作的末端或中途需要减速（包括改变方向），这种调制可能使激励脉冲发放节律升高，使得制动频繁和放行段缩短，从而使动作减速直至停止。另外底丘脑还受到来自中脑中缝的5—HT神经等调制性神经投射，纹体也受到来自杏仁核的直接投射，分析这些可能是使运动状态能够与机体其他状态包括情绪和精神状态相适应。

当基底环路的某些核团受损，便会影响环路对运动的过程控制。比如，当纹体或底丘脑受损，便会破坏环路的制动控制功能，导致产生不受控的舞蹈样动作或投掷样动作。比如，部分帕金森病人在写字时，虽然笔划的结构不变，但由于黑质的DA神经可供释放的多巴胺不足，对纹体GABA神经的抑制越来越弱，于是纹体对苍白球外侧份的抑制越来越强，苍白球外侧份对底丘脑的抑制作用越来越弱，底丘脑的激励脉冲发放节律越来越高，导致笔划的每一小段被放行输出的时间越来越短，于是写出来的每一段笔划越来越短，最终整个字也写得越来越小（小写症）。这些运动障碍还有帕金森病的其他运动障碍将会在后面另一篇文章做分析和评述。

另外，苍白球内侧份存在向脚桥被盖网状核的投射，投射到由被盖网状核与底丘脑往返发放构成的同步激励脉冲振荡环路，作为该振荡环路的回馈信号，详见另一篇：基底神经环路（三）——底丘脑核的工作及运动神经系统的同步激励脉冲控制。

——ST量子写于2017年11月。

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1、本文不是资料，而是笔者对基底环路工作机制的分析和猜想。

2、本文原创，但不清楚近期是否有其他文献公开类似内容。

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