Sensorimotor integration in health and after stroke

Full Text

Жизнедеятельность организма определяется присущей ему способностью правильно оценивать поступающую афферентную информацию - и адекватно на нее реагировать, в первую очередь, вырабатывая наиболее удачную двигательную программу. Однако разделение на сенсорную и двигательную систему (дихотомический подход) является в значительной мере искусственным, поскольку функционирование этих систем происходит в тесной связи и носит циклический характер - «перцепция-действие-перцепция» [1-3]. Эта цикличность не может быть понята, если один из ее компонентов «ампутирован» и изучается изолированно, вне связи с другим компонентом [1-3]. Основу соматосенсорной системы составляют афферентные волокна, начинающиеся от периферических рецепторов и заканчивающиеся в спинном мозге или стволе головного мозга, релейные нейроны, обеспечивающие передачу информации от этих структур к таламусу, проекционные пути от таламуса к разным отделам коры полушарий головного мозга и пути, связывающие между собой корковые соматосенсорные зоны, двигательную кору и другие корковые области, а также субкортикальные структуры [2, 4-6]. Корковые сенсомоторные области, помимо первичной сенсомоторной коры в постцентральной извилине (S1), включают вторичную сенсомоторную кору (S2) в оперкулярных отделах теменных долей, дополнительные латеральные корковые зоны в сильвиевой щели, girus supramarginalis и гранулярную префронтальную кору [7]. Основана эта система на принципе параллельной обработки поступающей информации, иерархический принцип функционирования рассматривается как менее значимый [1]. Для того чтобы успешно осуществить то или иное движение, необходимо поступление сенсорной информации о положении эффектора. При этом обязательным условием для выполнения тонких движений является не только наличие обратной связи, обеспечиваемой сенсорной импульсацией [6], но также сохранность возможности сенсомоторной интеграции [2, 8]. При этом сами по себе процессы сенсомоторной интеграции основаны на феномене предугадывания/предвосхищения последствий той или иной двигательной программы, поскольку в противном случае, основываясь лишь на механизме обратной связи, выработка эффективного ответа «в реальном времени» происходила бы слишком медленно, чтобы обеспечить оптимальную адаптацию индивидуума к меняющимся условиям внешней среды [2, 9]. Однако и механизмы обратного контроля также важны. Являясь сенсорными по своей сути, они позволяют достигнуть цели, хотя и более времязатратны [2, 9]. Также следует заметить, что и разделение механизмов двигательного контроля на «периферические» и «центральные» является искусственным и не отражающим действительность - эти механизмы интегрированы и функционируют одновременно [1, 6]. Так, например, при периферических двигательных повреждениях, сопровождающихся соматосенсорной деафферентацией, отмечаются изменения центральные, проявляющиеся, в частности, изменением межполушарных взаимоотношений [10]. В целом, сенсомоторная система функционирует, постоянно проводя «рекалибровку» - сравнивая полученный результат с ожидаемым и внося, исходя из этого, соответствующие коррективы в осуществляемое движение [2]. В этом процессе участвуют как кортикальные, так и субкортикальные структуры. В ситуациях, когда необходимо осуществить новую для индивидуума двигательную команду либо имеется несоответствие между ожидаемым/планируемым результатом движения - и тем, что происходит в действительности (конфликт между поступающей в церебральные структуры по механизму обратной связи сенсорной информации и ранее предугаданным движением), - исполнение двигательной программы прерывается [8]. Существующая модель предугадывания результатов тех или иных движений носит динамичный характер, она обновляется постоянно в процессе осуществления запланированной двигательной программы. В процессах ее обновления ключевую роль играют теменная кора и мозжечок [8, 9]. Следует подчеркнуть, что соматосенсорная кора обладает значительным нейропластическим потенциалом [11, 12]. Процессы нейропластичности в двигательной и сенсорной сферах тесно связаны друг с другом [12-14], а сама по себе сенсомоторная интеграция в определенной мере определяется и генетическими факторами [15]. Сенсорные области коры обеспечивают мониторинг двигательной активности [2, 8]. Сенсорная афферентация (в частности, проприоцептивная) активирует и M1, и S1-зоны коры [16]. При этом связи между корковыми двигательными и соматосенсорными зонами не ограничиваются первичными областями (M1, S1), а носят более распространенный характер, в частности, связывая премоторную и префронтальную кору с теменной корой [12]. Было показано, что передние части инсулярной коры играют важную роль в интеграции сенсорной информации, поступающей к структурам центральной нервной системы (ЦНС), вне зависимости от ее модальности [17], а также в интеграции кортикальных и субкортикальных структур в когнитивных и эмоциональных процессах [18]. Именно эти отделы инсулярной коры определяют, какое решение будет вырабатываться с участием поясной извилины, включая и механизмы, приводящие к началу движения (в частности, выбор наиболее адекватной двигательной реакции, процессы принятия решения, планирование двигательного ответа) [17]. При этом существующая двигательная система предвосхищения/предугадывания событий модулирует сенсорную систему, афферентация которой в свою очередь влияет на точность исполнения движений [8]. Следует заметить, что имеются и определенные гендерные анатомические различия. Так, у мужчин передние отделы инсулярной коры связаны с бледным шаром и скорлупой, а у женщин - с парагиппокампальной долькой [18]. Двигательные и регулирующие зоны коры обеспечивают модулирование сенсорных корковых структур, как в момент подготовки к совершению движения, так и в процессе его выполнения [8]. Этот процесс затрагивает зрительную, слуховую и соматосенсорную систему, модулируя приходящую по ним информацию и устанавливая нужный в данный момент баланс между внутренней и внешней сенсорной импульсацией. Критически важным является вычленение из всего массива афферентации, поступающей к структурам ЦНС, именно той информации, которая необходима для исполнения намеченного движения [8]. Этот процесс «фильтрации» (модулирования) информации происходит с участием S1-зоны коры, а интеграция предполагаемой до начала движения проприоцептивной импульсации, которая должна быть получена в результате его осуществления, - со зрительной информацией, поступающей по механизму обратной связи и отражающей реальную картину, осуществляется теменной корой [8]. При этом активные упражнения в конечности могут приводить к увеличению ее коркового представительства (так, например, корковое представительство пальцев рук у лиц, профессионально играющих на струнных инструментах, больше, чем у не-музыкантов) [4]. Любопытно заметить, что усиление функциональных связей разных сенсорных областей головного мозга с дополнительной моторной корой сопровождается нарушениями сна [19], а отрицательные эмоции усиливают пластичность первичной двигательной коры (последнее связывают с изменениями ГАМКергической и глютаматергической NMDA-систем, что отражает защитную функцию избегания/ухода от опасности) [20]. В основе сенсомоторной интеграции лежат и центрипетальные, и центрифугальные механизмы [6, 8]. Причем последние не менее важны, чем первые, - именно центрифугальные проекционные связи обеспечивают селективность внимания путем увеличения нейрональной реакции на наиболее важные стимулы, одновременно подавляя сенсорную реакцию на стимулы, не столь важные в настоящий момент [6]. Также кортикофугальным влиянием объясняется усиление осцилляторной активности, что приводит к синхронизации нейронов, располагающихся в разных «релейных центрах» (относящихся или не относящихся к данной сенсорной модальности) и улучшению передачи афферентной информации [6]. И наконец, именно центрифугальными влияниями обеспечивается «тонкая настройка» передачи всей сенсорной информации в ЦНС [6]. Изменение активности соматосенсорной коры происходит еще на этапе подготовки к исполнению движения (примерно за 500 мс до начала произвольного движения активируются S1- и S2-области), причем существенное влияние на это оказывают корковые зоны, обеспечивающие когнитивные функции [8]. При этом S2-область коры рассматривается как одна из ключевых в центрифугальных процессах, происходящих до получения информации по механизму обратной связи [21]. Односторонняя афферентная импульсация с конечностей приводит к активации не только S2-области контрлатерального полушария головного мозга, но и активации этой же области в ипсилатеральном по отношению к конечности полушарии [21]. Получены данные, свидетельствующие об осуществлении процессов сенсомоторной интеграции в S2-области коры - независимо от процессов, происходящих в S1-области [5, 8]. В целом, в отличие от S1-области коры S2-область участвует в выработке более высокоорганизованных функций (внимание, принятие решений, распознавание объектов) [21]. Существующие кросс-модальные связи между потоками зрительной и соматосенсорной афферентации обеспечивают ключевую роль зрения в определении положения эффекторов [8]. Так, например, в условиях наблюдения за жестикуляцией или мимикой окружающих людей отмечается повышение активности корковых отделов соматосенсорного анализатора, что свидетельствует об участии последних в выполнении зеркальных движений [8]. Влияние поступающей по сенсорным путям информации на выполнение того или иного действия требует перевода (конвертации) этой информации в «общий формат», поскольку системы кодировки проприоцептивной, зрительной, вестибулярной, тактильной афферентации различны. Однако с учетом того, что одна и та же информация может использоваться с разными целями, требуется ее параллельное сохранение в разных форматах [2]. Так, например, поступающая зрительная информация об определенном объекте может использоваться для регуляции движения глаз с целью слежения за ним - и одновременно для точного движения рукой, с тем чтобы взять этот объект [2]. Кодирование информации происходит двумя путями. Первый из них связан с выработкой нескольких кодировочных систем, каждая из которых служит своей цели и обрабатывается в разных областях головного мозга. Второй путь основан на создании универсальной схемы кодировки, которая обеспечивает базу для извлечения из нее информации с последующей повторной кодировкой в специфический для каждого механизма реагирования формат [2]. Влияние разных форматов кодировки сенсорной и двигательной информации друг на друга не носит фиксированный/неизменяемый характер - это влияние динамично, оно меняется в зависимости от существующих условий, как внешних, так и внутренних. Также динамичны и связи внутренних процессов, протекающих в структурах ЦНС, с процессами внешними. Именно в этом и заключается суть сенсомоторной интеграции. Однако поступающая афферентация, хотя она и закодирована в разных форматах (зрительном, проприоцептивном и др.), отражает один и тот же объект, причем о нем в результате складывается объемное/стереоскопическое представление. Это объемное представление, основанное на супрамодальной кодировке информации о внутренней и внешней среде, является основой для выработки наиболее эффективного двигательного ответа [2]. Перенесенный инсульт и сенсомоторная интеграция Восстановление нарушений, обусловленных перенесенным инсультом, является крайне важной медицинской и социальной проблемой, причем существенные успехи в этом направлении могут быть достигнуты при условии понимания механизмов, которые лежат в основе изменений в постинсультном периоде [22, 23]. Основные вопросы, интересующие специалистов, занимающихся этой проблемой, связаны с прогнозированием исхода перенесенного инсульта, выявлением пациентов, которым требуется та или иная специфическая терапия, и разработкой новых терапевтических стратегий [23]. Неврологический дефицит, связанный с инсультом, обусловлен поврежденной зоной и проводящими путями, проходящими поблизости от нее, а также нарушением нейронных сетей за пределами очага ишемии [24-27]. Отмечается не только повреждение анатомических связей, страдают и функциональные связи [24, 28]. Дисфункция нейрональных сетей отмечается уже в первые часы после случившегося инсульта [24]. Было показано, что повреждение нейронных связей лучше объясняет имеющийся постинсультный дефект, чем локализация очага ишемии [24, 29], причем дефект, возникающий при поражении связей тех или иных отделов, нередко носит более значительный характер, чем поражение самих этих зон [30]. И даже при субкортикальной локализации инсульта изменения затрагивают оба полушария головного мозга [25], причем более значительная активация выявляется не в периинфарктной зоне, а в противоположной ишемическому очагу полушарии, в частности, при двигательных нарушениях - в первичной моторной коре (область M1) [16, 31]. Процессы валлеровской дегенерации при ишемическом инсульте субкортикальной локализации отмечаются уже в подострую фазу инсульта - примерно на 10-й день от начала заболевания [27]. Позднее наступают дегенеративные изменения, распространяющиеся в основном антероградно [27]. Глобальная реорганизация периинфарктных связей возникает даже при небольшом очаге, локализующемся в первичной моторной коре [13]. На расстоянии от очага ишемии возникают процессы апоптоза, нейровоспаления и нейродегенерации, которые, нарушая существующие нейронные сети, могут приводить к развитию в клинической картине более значительного, чем сам по себе очаг ишемии, неврологического дефекта [24, 27]. Этим изменениям придается особое значение в развитии постинсультных расстройств, а сами по себе они могут весьма значительно ограничивать процессы восстановления после перенесенного инсульта. Изучение механизмов подобных изменений имеет большое клиническое значение, поскольку часть из них потенциально обратима (диашиз и нейровоспаление), а использование альтернативных путей потенциально позволяет добиться лучшего восстановления. Поэтому и придается такое значение восстановлению функциональных связей у лиц, перенесших инсульт, в том числе и с помощью немедикаментозных методов воздействия [24]. Двигательный дефект является наиболее частой и важной в плане инвалидизации проблемой у лиц, перенесших инсульт. В острую фазу инсульта двигательные нарушения выявляются у 2/3 больных [25]. Наиболее часто нарушаются движения в руке, а также страдает ходьба [32]. Восстановление движений в конечностях при полушарной локализации очага наиболее значительно в течение первых 4-6 нед от начала инсульта, при этом оно обычно начинается с мышц верхних конечностей [33, 34]. При субкортикальной локализации ишемического очага процесс функционального восстановления занимает более продолжительный период времени [33]. Однако восстановление может продолжаться и в более отдаленном периоде после перенесенного инсульта [32], причем степень его зависит и от стороны поражения [35]. Восстановление после инсульта определяется процессами нейропластичности, под которой понимается способность головного мозга менять свою структуру и/или функции в ответ на внутренние или внешние воздействия. Важно заметить, что полученные в эксперименте на животных данные относятся преимущественно к процессам, происходящим в сером веществе головного мозга, а у человека чаще отмечаются инсульты, поражающие белое вещество, проводящие пути (кортикофугальные, кортикопетальные, кортикокортикальные) [22]. В основе восстановления после инсульта лежит нормализация церебральной перфузии, активация путей, располагающихся как около ишемического очага, так и на расстоянии от него, а также изменение возбудимости корковых структур [33]. Нейропластические процессы затрагивают и анатомические, и функциональные связи [36]. Причем реорганизация может идти двумя путями - наиболее часто ранее существовавшие связи повышают свою эффективность в одной популяции нейронов и снижают в другой либо образуются новые связи, ранее не существовавшие [4]. Восстановление в двигательной сфере зависит не только от степени поражения первичной моторной коры, но и от поражения премоторной и дополнительной моторной коры, а также от состояния соматосенсорной системы [13, 16, 27, 37]. В частности, в эксперименте было показано, что не только нейроны M1-зоны имеют непосредственные связи со спинальными a-мотонейронами - с последними также непосредственно связаны нейроны, располагающиеся в латеральной премоторной и дополнительной моторной коре [25]. При этом аксоны нейронов дополнительной моторной коры составляют не менее 10% кортикоспинального тракта [25]. В дополнение к этому на степень постинсультного восстановления могут влиять экстрапирамидные пути, используя механизмы структурных связей в рамках двигательной нейронной сети [27]. Так, например, через 3 мес от начала заболевания выраженность поражения кортикоруброспинального тракта влияет на степень восстановления двигательных функций в конечностях и ходьбу, что, вероятно, обусловлено его экстрапирамидными волокнами [27]. Следует принимать во внимание и то, что характер нейропластических процессов в сенсомоторной сфере связан и с чисто биологическими процессами (синаптогенез, аксональный спраутинг и др.) [22] и модулируется мотивационными факторами и уровнем внимания [4]. Способность к передвижению в постинсультном периоде коррелирует с объемом кортикоретикулярного тракта непораженного полушария [27]. Это увеличение в объеме носит более значительный характер у лиц с хорошим восстановлением ходьбы - по сравнению с теми, у кого нарушения ходьбы восстанавливаются в небольшой степени [27]. В случае нарушения перенесенным инсультом связей между областями M1 и S1 (первичной сенсомоторной корой, 3b-зоной по Бродманну), примерно через 5 мес возникают новые связи между вентральной премоторной корой и S1-областью, компенсирующие имеющееся повреждение [13]. Современные представления о сенсомоторной интеграции после инсульта После перенесенного инсульта по данным функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) происходит снижение активности связей коннектома «в покое», нарушаются региональная гомогенность активности и амплитуда в норме существующей низкочастотной флюктуации нейронов [38]. При этом связям между амигдалой и сенсорными/(пре)моторными зонами придается особое значение как одной из составляющих функционального коннектома «в покое» [39], а кортикальные осцилляции, отражающие баланс между возбуждающими и тормозящими процессами, сами по себе рассматриваются как ключевой компонент нейропластичности [40]. В постинсультном периоде степень восстановления непосредственно зависит и от выраженности торможения феномена трансколлазальной ингибиции. Так, отмечается снижение интенсивности связей между гомологичными моторными и сенсорными зонами пораженного и интактного полушарий головного мозга, а степень сохранности этих связей коррелирует со степенью восстановления двигательных функций [27, 30, 41]. Однако лучший прогноз определяется не только возможностями сенсомоторной интеграции, он носит более глубокий характер. Прогностически благоприятным признаком считается сохранность связей между фронтопариетальными отделами (в норме именно эти нейронные сети обеспечивают выбор, подготовку и начало движений, используя проприоцептивную, зрительную и другие виды информации) и моторной корой [41]. Таким образом, можно сделать вывод, что восстановление после перенесенного инсульта в значительной мере определяется возможностями ЦНС к мультимодальной интеграции, а не ограничивается только сенсомоторной интеграцией. Степень восстановления после инсульта также коррелирует с нормализацией кортикальной активности в непораженном полушарии головного мозга [24, 25, 34, 42]. Более значительное восстановление двигательных функций происходит и в случае повышенной активации дополнительной моторной коры обоих полушарий головного мозга [13, 16], хотя ранее подобной зависимости и не было выявлено [35]. Однако избыточная активация гомологичных двигательных зон непораженного полушария может носить и мальадаптивный характер [34, 43, 44]. При этом большое значение в плане оптимального восстановления сенсомоторных функций придается сохранению тонкого баланса возбуждающих и тормозящих процессов между пораженным и непораженным полушарием [23, 25, 27, 34, 43], в частности, между возбуждающими (глютаматергическими) пирамидными клетками и тормозящими (ГАМК-ергическими) вставочными нейронами [23]. Предполагается, что вследствие инсульта происходит резкое снижение тормозящего влияния пораженного полушария - на гомологичные зоны непораженного полушария [41, 45]. В свою очередь, в результате выраженного растормаживания непораженного полушария по механизму межполушарного взаимодействия возникает подавление/торможение активности в окружающей инфаркт зоне коры, что клинически проявляется худшим восстановлением [41, 45]. При этом роль избыточной активации гомологичных зон непораженного полушария зависит от выраженности неврологического дефекта: при выраженном парезе она положительна (адаптивна), при легком и умеренном парезе - отрицательна (мальадаптивна) [43]. Впрочем, имеющиеся на настоящий момент данные о роли непораженного полушария в процессе восстановления постинсультного двигательного дефекта носят неоднозначный характер, а сама по себе эта проблема требует дальнейшего изучения [16, 29, 42]. Следует подчеркнуть, что динамическая фМРТ позволила оценивать деятельность головного мозга в целом и функционирование сенсомоторной системы в частности с принципиально новых позиций [25, 30, 38, 39, 46, 47]. Остро возникший ишемический инсульт приводит не только к нарушению функциональных и эффективных связей, составляющих коннектом, но и существенно меняет динамические характеристики (силу, частоту) связанных нейронной сетью зон корковых осцилляций, что приводит к их десинхронизации [38]. Результаты, полученные с помощью фМРТ, подтверждаются и данными транскраниальной магнитной стимуляции [40]. Двигательная активность в паретичной конечности сопровождается повышенной активацией в периинфарктной зоне и за ее пределами. Однако это повышение активности само по себе как благоприятный прогностический признак не рассматривается - прогностическое значение имеет нормализация корковой активности, приближение ее к уровню, который имелся до развития инсульта [36]. Значительное нарастание амплитуды флюктуаций в периинфарктной зоне происходит и без всякого внешнего влияния уже в первые часы после инсульта, что связано как с усилением нейрональной активности, так и изменениями локальной гемодинамики [24]. При этом усиление флюктуаций в соматосенсорной коре зависит и от ряда других факторов, включая поведенческие и не невральные по своей природе изменения [48-50]. Важно заметить, что на префронтальные зоны, как и на другие участки коннектома, можно воздействовать и с помощью внешней стимуляции [25, 51-61]. В основе влияния на сенсомоторную кору магнитной стимуляции лежит улучшение оксигенации крови [62]. При этом происходит усиление связей между моторной корой пораженного полушария с премоторной корой непораженного полушария головного мозга [53]. Однако усиление связей между областями M1 правого и левого полушарий головного мозга происходит только в момент проведения стимуляции - и исчезает при ее завершении [63]. В то же время можно увеличить возбудимость M1-зоны с помощью стимуляции - даже при отсутствии влияния этого воздействия на межполушарные взаимодействия [64]. Было показано, что воздействие на теменную кору и M1-зону улучшает выполнение бимануальных проб, причем увеличивается и скорость, и точность их выполнения [60]. В другой работе этих же авторов были приведены данные, свидетельствующие об улучшении не только би-, но и унимануальных движений, причем этот эффект сохранялся и через 1 нед после стимуляции [65]. Изучение с помощью фМРТ коннектома «в покое» показало, что представление об исполняемом движении (даже не само движение) приводит к активации связей, в том числе и обусловливающих поведенческие реакции [66]. Ведущая роль в этом процессе, особенно в его планировании, принадлежит левой теменной доли и ее связям с лобными долями [66]. Представление об исполняемом движении, хотя само по себе и обладает небольшим нейропластическим потенциалом [67], позволяет улучшить результаты проводимых в реальности двигательных реабилитационных мероприятий у пациентов, перенесших инсульт [68-70]. При этом воздействие на спонтанные осцилляции у пациентов, перенесших инсульт, рассматривается как потенциальная цель проводимых нейрореабилитационных мероприятий [40]. Заключение Таким образом, имеющиеся в настоящее время данные свидетельствуют о роли сенсомоторной интеграции как одной из базовых особенностей функционирования ЦНС. Взаимосвязь и взаимовлияние афферентных и эфферентных путей передачи информации в головном мозге обеспечивает оптимальную адаптацию индивидуума к меняющимся условиям внешней среды. Понимание структурно-функциональной основы сенсомоторной интеграции, ее динамичности открывает но

About the authors

I. V Damulin

I.M.Sechenov First Moscow State Medical University of the Ministry of Health of the Russian Federation

Email: damulin@mmascience.ru
119991, Russian Federation, Moscow, ul. Trubetskaia, d. 8, str. 2

References

Supplementary files