مخچه و هسته‌های قاعده‌ای

کنترل خودکار تعادل و رفلکس‌های مربوط به آن در سطح زیرقشری مغز انجام می‌شود. مسیر اصلی این رفلکس‌ها از هسته‌های دهلیزی آغاز شده و به مخچه می‌رود تا تعادل به صورت خودکار و بدون نیاز به دخالت قشر مخ تنظیم گردد. دستگاه تعادلی گوش داخلی شامل ساختارهای تخصصی است که حرکت و موقعیت سر را در فضا پایش می‌کنند. این دستگاه دارای دو بخش اصلی یعنی اندام‌های اتولیتی (اوتریکول و ساکول) و مجاری نیم‌دایره‌ای است.

اندام‌های حسی اوتریکول و ساکول دارای ساختارهایی به نام ماکولا هستند که مسئولیت کشف شتاب خطی سر در فضا را بر عهده دارند. یک اشتباه رایج این است که تصور شود این اندام‌ها سرعت خطی را تشخیص می‌دهند، در حالی که آن‌ها تنها به تغییرات سرعت (شتاب) پاسخ می‌دهند. در مقابل، مجاری نیم‌دایره‌ای و ساختار حسی درون آن‌ها یعنی کریستا آمپولا، حساسیت بسیار بالایی به شتاب زاویه‌ای (چرخشی) دارند و برای تشخیص چرخش سر در جهت‌های مختلف طراحی شده‌اند.

مکانیسم تحریک سلول‌های مژه‌دار تعادلی بسیار منحصر‌به‌فرد است. با خم شدن مژک‌های حسی به سمت بزرگ‌ترین مژه (کینوسیلیوم)، مجاری یونی حساس به کشش باز می‌شوند. برخلاف بیشتر سلول‌های تحریک‌پذیر بدن، در اینجا یون‌های مثبت پتاسیم از مایع آندولنف اطراف (که غلظت پتاسیم بسیار بالایی دارد) به داخل سلول جریان یافته و موجب دپولاریزاسیون و تحریک سلول مژه‌دار می‌شوند. ورود سدیم نقشی در این تحریک اولیه ندارد.

جهت‌گیری فضایی ماکولاهای اوتریکول و ساکول وظایف متفاوتی به آن‌ها می‌بخشد. ماکولای اوتریکول عمدتاً در صفحه افقی قرار دارد و نقش مهمی در تعیین جهت‌گیری سر در وضعیت قائم (ایستاده) ایفا می‌کند. در مقابل، ماکولای ساکول در صفحه قائم قرار گرفته و به شتاب‌های عمودی حساس است.

یکی از رفلکس‌های حیاتی این سیستم، رفلکس چشمی - دهلیزی (VOR) است. این رفلکس به ما اجازه می‌دهد هنگام حرکت دادن سر، نگاه خود را روی یک نقطه ثابت نگه داریم. سیگنال‌های ناشی از چرخش سر از هسته‌های دهلیزی و از طریق یک مسیر ارتباطی به نام فاسیکولوس طولی داخلی (MLF) به هسته‌های اکولوموتور (کنترل‌کننده عضلات چشم) منتقل می‌شوند و چشم‌ها را دقیقاً به همان میزان ولی در جهت مخالف چرخش سر حرکت می‌دهند. برای مثال، در شروع چرخش ناگهانی سر به طرف راست، مایع درون مجاری نیم‌دایره حرکت کرده و موجب تحریک و افزایش فعالیت فیبرهای آوران عصب دهلیزی-حلزونی (vestibulocochlear) سمت راست می‌شود، در حالی که فعالیت سمت چپ کاهش می‌یابد.

مخچه به عنوان یکی از کلیدی‌ترین ساختارهای تنظیم‌کننده حرکت در دستگاه عصبی مرکزی، بر اساس معیارهای تکاملی و عملکردی به سه بخش اصلی و مجزا تقسیم می‌شود: مخچه‌ی دهلیزی (Vestibulocerebellum)، مخچه‌ی نخاعی (Spinocerebellum) و مخچه‌ی مغزی (Cerebrocerebellum). هر یک از این بخش‌های سه‌گانه با هسته‌های عمقی خاصی در ارتباط عملکردی بوده و نقش‌های متفاوتی را در هماهنگی، تعادل و یادگیری حرکتی ایفا می‌کنند.

مخچه‌ی دهلیزی که قدیمی‌ترین بخش مخچه از نظر تکاملی است (مخچه‌ی باستانی)، شامل لوب فولوکولوندولر (flocculonodular lobe) می‌باشد. این بخش به همراه ساقه مغز و نخاع، به صورت اختصاصی برای کنترل تعادل و حرکات وضعیتی بدن فعالیت می‌کند. اهمیت بالینی این ناحیه در این است که آسیب به لوب فولوکولوندولر مستقیماً سبب اختلال شدید در تعادل فرد می‌شود (علائمی مشابه تخریب مجاری نیم‌دایره‌ای گوش)، اما برخلاف سایر نواحی مخچه، منجر به بروز دیس‌دیادوکواکینزی (ناتوانی در انجام حرکات سریع متناوب) نمی‌شود.

مخچه‌ی نخاعی بخش میانی مخچه را تشکیل می‌دهد و خود به دو ناحیه متمایز ساختاری تقسیم می‌شود: کرمینه (ورمیس) و لوب‌های بینابینی یا واسطه‌ای. کرمینه که در خط وسط مخچه واقع شده، مسئولیت کنترل انقباض عضلات محوری بدن شامل گردن، شانه‌ها و مفاصل خاصره را بر عهده دارد تا وضعیت پایه‌ی بدن حفظ شود. در مقابل، لوب‌های بینابینی وظیفه دارند انقباض عضلات بخش‌های انتهایی (دیستال) اندام‌های فوقانی و تحتانی را کنترل کنند. هسته‌ی واسطه‌ای (interposed) مخچه، که از هسته‌های عمقی مخچه است، مستقیماً با این لوب‌های بینابینی در ارتباط ساختاری و عملکردی است و به عنوان یک ایستگاه رله برای تنظیم دقیق حرکات ارادی دست‌ها و پاها عمل می‌کند.

مخچه‌ی مغزی که از نظر تکاملی جدیدترین بخش مخچه است، از بخش‌های جانبی نیمکره‌های مخچه تشکیل شده است. ویژگی منحصر‌به‌فرد این نواحی جانبی آن است که فاقد هرگونه اطلاعات ورودی حسی مستقیم از قسمت‌های محیطی بدن هستند. این بخش عمدتاً با قشر حرکتی مغز در ارتباط است و هسته‌ی دندانه‌دار (dentate) هسته عمقی مرتبط با آن محسوب می‌شود. وظیفه اصلی مخچه‌ی مغزی و هسته دندانه‌دار، برنامه‌ریزی، شروع و زمان‌بندی حرکات متوالی، پیچیده و هدف‌دار است. به همین دلیل، تخریب هسته دندانه‌دار موجب از بین رفتن برنامه‌ریزی و زمان‌بندی حرکات متوالی می‌شود، اما تأثیری بر کنترل تعادل استاتیک بدن ندارد.

مدار عملکردی مخچه نمونه‌ای بی‌نظیر از هماهنگی سلولی برای کنترل و تنظیم دقیق حرکات است. در این مدار، تمام پیام‌های ورودی حسی و حرکتی پردازش شده و در نهایت یک خروجی تنظیم‌شده به سیستم حرکتی ارسال می‌شود. یکی از این مسیرهای ورودی، راه نخاعی - مخچه‌ای شکمی (ventral spinocerebellar tract) است. برخلاف تصور رایج، این راه اطلاعات مربوط به کشش یا تانسیون عضلانی را منتقل نمی‌کند، بلکه وضعیت دقیق سیگنال‌های حرکتی صادر شده از شاخ قدامی نخاع را به مخچه گزارش می‌دهد تا مخچه از دستورات حرکتی صادر شده مطلع شود.

در سطح قشر مخچه، پردازش نهایی توسط چندین نوع سلول انجام می‌گیرد. سلول‌های گرانولر (دانه‌دار) فراوان‌ترین نورون‌های مخچه هستند؛ به طوری که نسبت آن‌ها به سلول‌های پورکینژ بسیار زیاد بوده و به ازای هر سلول پورکینژ، حدود ۵۰۰ الی ۱۰۰۰ سلول گرانولر وجود دارد. فیبرهای خزه‌ای (mossy fibers) ورودی پس از ورود به مخچه، علاوه بر تحریک هسته‌های عمقی، با این سلول‌های گرانولر سیناپس می‌دهند. آکسون سلول‌های گرانولر با صعود به لایه مولکولی، فیبرهای موازی را می‌سازد که با سلول‌های پورکینژ سیناپس تحریک‌پذیر برقرار می‌کنند و سبب ایجاد اسپایک ساده (simple spike) در آن‌ها می‌شوند. علاوه بر این، سلول‌های سبدی (basket cells) و ستاره‌ای (stellate) در لایه مولکولی با ایجاد مهار جانبی بر روی سلول‌های پورکینژ، به تمرکز و افزایش دقت سیگنال‌ها کمک می‌کنند.

مسیر ورودی دیگر، فیبرهای بالارونده (climbing fibers) هستند که منحصراً از هسته زیتونی تحتانی (inferior olive) منشأ می‌گیرند. این فیبرها با ایجاد اسپایک پیچیده (complex spike) در سلول‌های پورکینژ، نقش محوری در یادگیری حرکتی و تصحیح خطاهای حرکتی دارند. خروجی نهایی قشر مخچه تنها از طریق آکسون‌های سلول‌های پورکینژ ارسال می‌شود که اثری مهارکننده بر روی سلول‌های هسته‌ای عمقی مخچه اعمال می‌کنند. خروجی نهایی کل واحد عملکردی مخچه از این هسته‌های عمقی منشأ می‌گیرد که تحت تعادل تحریک‌های ورودی و مهار سلول‌های پورکینژ قرار دارند.

مخچه از طریق این هسته‌های عمقی، اثر تحریکی بر روی نورون‌های حرکتی آلفا در نخاع اعمال می‌کند تا تون عضلانی را حفظ کند. در سطح نخاع، نورون‌های رنشاو به عنوان نورون‌های واسطه‌ای مهارکننده، وظیفه مهار پس‌خورد خود این نورون‌های حرکتی آلفا (و نه سلول‌های پشتیبان یا نوروگلیاها) را دارند. شایان ذکر است که نوروگلیاها بر خلاف نورون‌ها، قدرت تکثیر و تقسیم فعال در سیستم عصبی دارند.

ضایعات مخچه‌ای به دلیل نقش حیاتی این اندام در هماهنگ‌سازی و پیش‌بینی زمانی حرکات، تظاهرات بالینی بسیار بارز و مشخصی دارند. درک این نشانه‌ها به پزشکان کمک می‌کند تا محل ضایعه را با دقت بالایی تشخیص دهند. یکی از اصول اساسی در فیزیولوژی مخچه این است که هر نیمه از مخچه، همان سمت بدن را کنترل می‌کند. بنابراین، آسیب یک‌طرفه به هسته‌های عمقی مخچه منجر به هیپوتونی عضلانی (کاهش تون عضلانی) در همان سمت ضایعه (هم‌سو با ضایعه) می‌شود.

یکی از آشکارتری علائم ضایعات مخچه‌ای، لرزش عضلانی (tremor) است. لرزش مخچه‌ای از نوع لرزش حین عمل یا لرزش ارادی (intention tremor) است؛ یعنی در حالت استراحت کامل هیچ لرزشی وجود ندارد، اما به محض اینکه بیمار تصمیم به حرکت ارادی می‌گیرد، لرزش آغاز شده و با نزدیک‌تر شدن اندام به هدف مورد نظر تشدید می‌شود. این وضعیت کاملاً برخلاف لرزش بیماری پارکینسون است که در حالت استراحت رخ می‌دهد و با شروع حرکت متوقف می‌شود.

فقدان کنترل پیش‌بینانه مخچه باعث بروز دیس‌متری (dysmetria) می‌شود که به معنای فراتر رفتن حرکت از حد مورد نظر یا تخمین نادرست مسافت است. به دلیل دیس‌متری و تلاش‌های مکرر و خودآگاه مغز برای جبران این اشتباه به جلو و عقب، فرد دچار آتاکسی (ataxi) یا همان حرکت ناهماهنگ و تلوتلو خوردن می‌شود.

دو اختلال مهم دیگر در زمان‌بندی حرکات رخ می‌دهند. ناتوانی بیمار در انجام حرکات سریع، متوالی و متناوب (مانند چرخاندن پی‌درپی کف دست به رو و پشت) به دلیل اختلال در زمان‌بندی شروع و پایان انقباض عضلات، دیس‌دیادوکواکینزی نام دارد. از سوی دیگر، دیزآرتری (dysarthria) به اختلال در هماهنگی عضلات تکلم و ادای نامفهوم و بریده‌بریده سیلاب‌های کلمات اطلاق می‌شود. علاوه بر اندام‌ها و تکلم، حرکت کره چشم نیز تحت تأثیر قرار می‌گیرد؛ نیستاگموس مخچه‌ای (cerebellar nystagmus) نوعی لرزش رفت و برگشتی کره چشم است که به ویژه زمانی که فرد تلاش می‌کند نگاه خود را روی منظره‌ای در یک طرف سر ثابت نگه دارد، بروز می‌کند.

عقده‌های قاعده‌ای (basal ganglia) مجموعه‌ای از هسته‌های خاکستری عمیق مغز هستند که نقش بسیار مهمی در برنامه‌ریزی، تنظیم و هدایت حرکات ارادی ایفا می‌کنند. این سیستم از طریق دو مدار موازی و متمایز کورتیکواستریاتال عمل می‌کند که به نام‌های مدار پوتامن (Putamen) و مدار هسته دم‌دار (Caudate) شناخته می‌شوند. این دو مدار با وجود همسایگی ساختاری نزدیک در مغز، عملکردهای کاملاً متفاوتی را در کنترل حرکات بدن بر عهده دارند.

مدار هسته دم‌دار مسئول اصلی کنترل شناختی فعالیت حرکتی (cognitive control of motor activity) است. منظور از کنترل شناختی، تبدیل افکار، برنامه‌ها و تصمیمات ذهنی به الگوهای حرکتی مناسب است؛ مانند تصمیم‌گیری آنی برای فرار ناگهانی از یک موقعیت خطرناک بر اساس محرک‌های محیطی. یکی از ویژگی‌های آناتومیک و فیزیولوژیک بسیار مهم مدار شناختی هسته دم‌دار این است که تقریباً هیچ‌یک از پیام‌های خروجی آن به طور مستقیم به قشر حرکتی اولیه (primary motor cortex) ارسال نمی‌شوند. در عوض، فیبرهای خروجی این مدار به نواحی پره‌فرونتال (پیش‌پیشانی)، پیش‌حرکتی (premotor) و مکمل حرکتی قشر مخ ختم می‌شوند تا ابتدا طرح حرکت بر اساس فکر ریخته شود و سپس به قشر حرکتی منتقل گردد.

در مقابل، مدار هسته پوتامن برای کنترل الگوهای حرکتی پیچیده، ارادی و یادگرفته‌شده طراحی شده است. حرکاتی که با تکرار مداوم به صورت ناخودآگاه و اتوماتیک درآمده‌اند، توسط این مدار مدیریت می‌شوند. نوشتن حروف الفبا، قیچی کردن کاغذ، کوبیدن میخ و یا انجام حرکات ورزشی یادگرفته‌شده نمونه‌هایی از این الگوها هستند که مدار پوتامن عهده‌دار هماهنگی آن‌هاست.

علاوه بر این تفکیک عملکردی، عقده‌های قاعده‌ای وظیفه بسیار مهم دیگری نیز دارند که شامل تعیین سرعت و بزرگی حرکات. مغز برای مقیاس‌گذاری (scaling) حرکات یعنی اینکه یک حرکت با چه سرعتی و با چه دامنه‌ای (بزرگ یا کوچک) انجام شود، متکی به عقده‌های قاعده‌ای است. عقده‌های قاعده‌ای این نقش کلیدی در تنظیم مقیاس حرکت را با همکاری قشر آهیانه خلفی (posterior parietal cortex) انجام می‌دهند تا حرکات متناسب با فضای پیرامون هماهنگ شوند.

آسیب به بخش‌های مختلف عقده‌های قاعده‌ای منجر به بروز اختلالات حرکتی شدید و مشخصی می‌شود که به دلیل تغییر در تعادل میان مسیرهای تحریکی و مهاری رخ می‌دهند. این اختلالات را می‌توان بر اساس نوع حرکات غیرطبیعی و محل دقیق ضایعه طبقه‌بندی کرد.

یکی از این اختلالات، همی‌بالیسم (hemiballismus) نام دارد که با حرکات ناگهانی، شدید و پرتابی در تمام یک اندام مشخص می‌شود. این بیماری برخلاف برخی باورها ناشی از ضایعه در گلوبوس پالیدوس نیست، بلکه در اثر ضایعه در هسته‌های زیرتالاموسی (ساب‌تالاموس) ایجاد می‌شود. در مقابل، آسیب به گلوبوس پالیدوس (globus pallidus) سبب بروز آتتوز (athetosis) می‌گردد که مشخصه آن حرکات پیچ و تاب‌دار خودبه‌خودی، مداوم و کند در دست، بازو یا عضلات صورت است. اختلال حرکتی دیگر، کره (Chorea) نام دارد که با حرکات تکانه‌ای، سریع و جهشی در دست‌ها و صورت همراه است. کره در اثر ضایعات کوچک متعدد در هسته پوتامن بروز می‌کند، نه به دلیل تخریب وسیع در جسم سیاه.

بیماری پارکینسون (Parkinson's disease) یکی از شایع‌ترین اختلالات عقده‌های قاعده‌ای است. علت اصلی این بیماری، تخریب نورون‌های حاوی ملانین ترشح‌کننده دوپامین در مسیر جسم سیاه به استریاتوم (مسیر نیگرو استریاتال) است. با نابودی این مسیر، اثر مهاری دوپامین بر روی هسته‌های دم‌دار و پوتامن از بین رفته و فعالیت مهاری بیش از حد افزایش می‌یابد. این امر منجر به علائم کلاسیک پارکینسون شامل سختی عضلانی (rigidity)، کندی حرکت (akinesia) و لرزش غیرارادی در حالت استراحت می‌شود. تجویز داروی L-Dopa به عنوان پیش‌ساز دوپامین (که برخلاف دوپامین قادر به عبور از سد خونی-مغزی است)، به طور چشمگیری این علائم، به‌ویژه سختی عضلانی و کندی حرکت را بهبود می‌بخشد.

بیماری کره هانتینگتون (Huntington's chorea) یک اختلال ارثی و ژنتیکی پیشرونده است. علت فیزیولوژیک این بیماری، فقدان نورون‌های ترشح‌کننده GABA (یک انتقال‌دهنده مهاری) در هسته دم‌دار و پوتامن و همچنین کاهش نورون‌های ترشح‌کننده استیل‌کولین در نواحی مختلف مغز است. این نقص سبب آزاد شدن مسیرهای حرکتی و بروز حرکات جهشی، پیچشی غیرارادی و اختلالات شناختی پیشرونده می‌شود.