目前，基底節（basal ganglia）的系統模型一般是以直接、間接、超直接通路的形式預測基底節功能，現已經應用於例如DBS治療帕金森病（PD）和肌張力障礙症（dystonia）的患者。
該綜述以新的視角，討論MRI纖維追蹤的方式來理解基底節區的效應方式，同時探討皮層-基底節、基底節-小腦通路在運動障礙中的病理意義。彌散MRI和示蹤技術的發展為人類腦連接研究提供了有力的、無創的解剖工具，例如應用DWI做白質纖維追蹤，提供解剖連接的直接信息。然而，纖維追蹤的準確性和可靠性還存在很大的爭議。
本文旨在總結關於運用基於CSD纖維追蹤的DWI方法研究人類皮層-基底節區-小腦連接體的研究。並且結合生理及臨床的發現，為結論提供依據。
圖源：news.mit.edu
經典的皮質-基底節-小腦連接體
皮質發出的纖維通過兩種投射方式到達基底節區：直接或間接通路，它們來自紋狀體(striatum)不同亞區的神經核團並且以相反的效應向基底節輸出。“超直接通路”是該理論的延伸發現，例如：從皮層到蒼白球（globus pallidus，GP）的傳遞通過丘腦底核（subthalamic nucleus, STN）。基底節作為重要的信息環路，其作用是接收來自皮層信息並且將加工後的信息通過丘腦投射回皮層，或者直接通過丘腦紋狀體連接投射到紋狀體。
儘管它看起來很簡單，但這個模型提供了關於基底神經節功能的驚人的準確預測，它已被用於設計深部腦刺激 (Deep Brain Stimulation, DBS)方法來治療基底神經節疾病，如帕金森病和肌張力障礙。
近十年，通過DWI和纖維追蹤的方法，直接的、間接的和超直接通路，加上蒼白球丘腦、黑質蒼白球和丘腦紋狀體投射，都已被成功地表徵。實現了在體的、全面的基底神經節連接體重建。
用CSD追蹤定義其他的人腦連接
在本綜述中，我們希望關注在人體中被發現的額外通路：直接的皮層-基底節控制通路，該通路繞過了作為主要中繼的紋狀體。
皮層-蒼白球連接：
我們最近的工作使用高角分辨率擴散成像(HARDI)基於約束性球面去卷積（constrained spherical deconvolution，CSD）的纖維追蹤來識別皮層與蒼白球(GP)內外（GPi和GPe）之間的直接連接。
圖1：皮層與齒狀核同GPe的連接。(A) GPe(綠色興趣區)和GPi(紅色興趣區)的三維軸向視圖。(B)連接大腦皮層不同區域與GPe(對透明度感興趣的綠色區)的神經纖維的矢狀旁圖;纖維連接在齒狀核(淺棕色的感興趣區)與通過小腦上腳的GPe尾後部區域。(C)在GPe水平上顯示的放大圖。
圖2：皮層與齒狀核同GPi的連接。(A) GPe(綠色興趣區)和GPi(紅色感興趣區)的三維軸位視圖。(B)連接運動相關皮層與GPi(紅色感興趣區）的神經纖維的矢狀旁位圖;纖維連接齒狀核(淺棕色感興趣區)與通過小腦上腳連接的GPi最後部區域。(C)在GPi水平上顯示的放大圖。
皮層-黑質連接：
功能連接發現黑質(substrantia nigra)同額上回(superior frontal gyrus)有強連接；同黑質和其他額葉前部區域，如額蓋部(pars opercularis)、眶部(pars orbitalis)、三角部(pars triangularis)和吻側額中回(rostral middle frontal gyrus)有著較低的連接強度；我們還發現了與運動功能相關的皮層區域，如中央旁小葉和中央前回(paracentral lobule and precentral gyrus)，與黑質之間有明顯的結構聯繫。
圖3：皮層與齒狀核同SN的連接。(A)中腦水平SN三維軸位圖(紫色感興趣區)。(B)額葉和頂葉區與SN主要相連的纖維(紫色感興趣區);連接齒狀核(淺棕色感興趣區)與通過小腦上腳連接的SN最後部區域。(C)在SN水平上顯示的放大圖。
總結新連接的發現：
齒狀核與GPi和黑質之間的直接連接繞過了丘腦，人類和猴子的都存在皮質-GPi和皮質-SN之間的直接連接 (Cacciola et al.2017c)。然而，由於纖維追蹤技術的固有限制(見下文)，我們應該謹慎看待小腦和基底神經節之間這種繞過丘腦直接連接的存在。
這些新連接的生理相關性
已證實靈長類動物的皮質脊髓束是單突觸發育，齧齒類動物和貓的運動執行是由運動皮層-中間神經元-脊髓灰質神經元的協同合作完成。這些發現提示神經元間的直接連接，使得動作具有靈活性和分步性。大腦皮層直接向蒼白球的輸入也可能對蒼白球的輸出有更直接的影響。
的確，它暗示了從大腦皮層和小腦的感覺運動區最直接的投射到GPi的“新”連接在運動控制中的重要作用。前額葉與背側GPe的強連接與目的導向型的行為有關, 這說明直接連接與動作的靈活性相關。
類似的考慮也可應用於皮質-黑質連接，對直接和間接通路進行監督。該通路的補充可以為人類提供一個臨床上的短潛伏期（見下文）。皮質-黑質的直接連接疊加在舊的路徑上，實現小腦、基底神經節和運動皮層之間的快速交互，從而允許它們實時快速地協調輸出。
基底神經節可以被看作是一個環路，用來選擇想要的動作和去抑制潛在的競爭的不想要的動作。基底節區主要輸出來自GPi和SNr（黑質網狀結構），起著抑制丘腦核團、上丘和腦幹的橋腳區。因此，基底神經節的輸出類似於制動系統(Mink, 1996)。
當因要執行某動作時，大腦皮層或腦幹中的特定運動模式發生器就會啟動，基底神經節向該發生器投射的輸出神經元會減少放電，從而消除緊張性抑制並“釋放”該發生器上的“剎車”。同時基底神經節輸出神經元投射到其他運動模式的發生器，增加它們的放電率，參與競爭行動，從而對這些發生器施加“制動”。
促進所需要的運動和抑制不需要的運動的能力被病理性的原因破壞時，則會導致緩慢的自主運動(帕金森症)，異常的非自主運動(舞蹈病，肌張力障礙，抽搐)，或兩者兼有(Mink, 2003)。
我們在此提出的模型是將舊的觀點強化，即基底神經節的特徵是存在離散的、平行的、分離的、功能上不同但同源的迴路(Alexander et al., 1986)。在這個新的模型內，GPe和GPi直接控制基底神經節輸出神經元，或許將導致更靈活地控制直接和間接通路，調節同時抑制競爭作用。
我們的假設是，直接的皮質- GP\\SN-齒狀核的通路協同作用，使皮質具有調整決策和運動選擇的能力。此外，它們可以為環境中任何意想不到的變化提供更快速的靈活性，這是人類物種的特權。
圖4：提出了整合經典和新的皮質-基底神經節-小腦通路的模型。實心黑線強調:從大腦皮層到紋狀體，然後通過GABA能抑制投射到GPi/SNr的“直接”通路，從而選擇性地降低GPi/SNr活性，釋放涉及運動模式發生器的丘腦皮層迴路。黑色虛線表示: “間接”通路:紋狀體D2受體在大腦皮層穀氨酸能興奮性輸入的刺激下，使紋狀體基質細胞向GPe發送抑制信號，從而對STN產生緊張性GABA能抑制。藍線：STN的穀氨酸能興奮性神經元可以激活GPi/SNr，從而抑制大腦皮層的丘腦活動，增加對上運動神經元的抑制作用。最近，人們描述了一種“超直接”途徑(大腦皮層和STN之間的藍線)，通過STN上的運動、聯想和邊緣腦區傳遞興奮性刺激，繞過“間接”抑制迴路，導致興奮的GPi/SNr活動。紅線表示: 小腦通過齒狀回-丘腦-紋狀體通路輸出到基底神經節，通過橋腦-小腦皮層通路控制小腦基底神經節。綠線表示：大腦皮層與GPi, GPe和SN，以及齒狀核和這些核之間的新補充的通路。
臨床中的適應和非適應的可塑性
該模型在皮層、基底神經節和小腦之間存在平行的直接和間接投射，補充了將運動障礙視為複雜運動網絡的障礙而不是基底神經節單個核的有限分裂的新觀點。在這種情況下，就更容易理解為什麼GP和丘腦的病變沒有伴隨嚴重的運動功能障礙。基底神經節損害將觸發皮質-基底-小腦連接體內重構，並引入替代通路(例如皮質-黑質通路)，從而彌補(或惡化)初級缺陷。
小腦在帕金森病和肌張力障礙的臨床症狀的發生中起著重要的作用。這種過度激活或增強小腦連接的性質在帕金森病中仍是一個有爭議的問題。 一些證據表明，它可能具有代償作用:小腦的過度活躍可能抵消其他一些區域的活動不足，如補充運動皮層和紋狀體。
事實上，小腦有可能補償帕金森病GPi的低活性，通過我們最近描述的齒狀回-蒼白球和齒狀回-黑質通路或通過傳統的小腦-丘腦-皮層迴路(Sen et al.， 2010)。這可能是帕金森病的前驅期較長，無明顯臨床症狀的原因之一。
小腦補償可能在疾病早期發生，但也可能是在疾病進展的後期，小腦的變化變得不適應。帕金森病伴左旋多巴所致運動障礙的異常神經元同步化，可能從STN向小腦傳播，使小腦皮層處於極度活躍狀態。外科DBS刺激STN/GPi，治療多巴胺誘導的肌張力障礙，調節小腦的神經活動或新陳代謝，減少這種過度活躍。小腦對左旋多巴所致運動障礙的假設也在重複經顱磁刺激治療後的療效中得以應證。
利用纖維追蹤技術來探索大腦的解剖學連接:侷限性和優點
侷限性：分辨率較低；不能判斷纖維極性，即輸入還是輸出；一些基本模型不能解析纖維扭曲、轉折、重疊等複雜結構；假陽性比率較高。雖然目前最優善方法HARDI，已提供了一個較高的靈敏度，但他們的可重複性仍是一個有爭議的問題。
優點：DWI和纖維追蹤技術是目前唯一能夠在活體和非侵襲性條件下研究人腦解剖學連接的技術。事實上，擴散示蹤術已被廣泛認為是第一個在體內的解剖方法，以極其精確的方式繪製人腦中的主要纖維束，並顯示新的關聯通路的存在。
最後，我們應該始終謹慎地解釋纖維追蹤的結果，並且對擴散追蹤法的方法學研究，需要伴隨我們對人腦結構連接性認識的提高。
Angelo Quartarone, Alberto Cacciola, Demetrio Milardi. New insights into cortico-basal-cerebellar connectome: clinical and physiological considerations. Brain. 2020 Feb 2; 396-406.
doi:10.1093/brain/awz310
參考文獻：
Cacciola A, Milardi D, Livrea P, Flace P, Anastasi G, Quartarone A. The known and missing links between the cerebellum, basal ganglia, and cerebral cortex. Cerebellum 2017c; 16: 753–5.
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Sen S, Kawaguchi A, Truong Y, Lewis MM, Huang X. Dynamic changes in cerebello-thalamo-cortical motor circuitry during progression of Parkinson’s disease. Neuroscience 2010; 166: 712–9.
作者信息
編譯作者：CholeF（brainnews創作團隊）
校審：Cong and Simon（brainnews編輯部）
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