Basalgangliene

Basalgangliene er en gruppe kjerner som ligger dypt inne i storhjernen. Til tross for navnet, er de ikke ganglier i vanlig forstand, siden ganglion vanligvis brukes om ansamlinger av nerveceller i det perifere nervesystemet. Basalgangliene hører derimot til sentralnervesystemet.

Deres viktigste rolle er å fungere som et filter for motoriske signaler. De initierer ikke bevegelser på egen hånd, men de bestemmer hvilke motorprogrammer som skal forsterkes og hvilke som skal holdes tilbake. På den måten sørger basalgangliene for at bevegelsene våre blir hensiktsmessige, presise og målrettede, og at overdrevne eller unødvendige bevegelser dempes.

Basalgangliene samarbeider tett med hjernebarken, thalamus og hjernestammen. Sammen danner de et nettverk som hele tiden finjusterer motorikken, slik at bevegelse kan utføres smidig og koordinert.

Anatomi og kjernegrupper

Basalgangliene består av flere atskilte kjerner som ligger dypt inne i storhjernen og hjernestammen. Sammen danner de et komplekst nettverk for bearbeiding og modulering av motoriske signaler.
Den viktigste inngangsporten til systemet er striatum, som består av to strukturer: nucleus caudatus og putamen. Disse mottar informasjon fra hjernebarken – særlig fra motoriske og assosiative områder – via glutamaterge (eksitatoriske) forbindelser. Nevronene i striatum er i hovedsak GABAerge, det vil si at de bruker GABA som nevrotransmitter og har hemmende effekt på sine målceller. Det er faktisk viktig å forstå om de er inhibitoriske eller stimulerende, så ha det i bakhodet.

Videre finner vi globus pallidus, som består av en ytre del (GPe) og en indre del (GPi). Begge deler inneholder GABAerge nevroner, og fungerer derfor hemmende.
GPi regnes som en av hovedutgangene fra basalgangliene tilbake til resten av hjernen – først og fremst via thalamus. GPe inngår hovedsakelig i de interne reguleringssløyfene og modulerer aktiviteten i systemet indirekte.

En annen sentral struktur er substantia nigra, som ligger i hjernestammen og deles i to deler: pars compacta (SNc) og pars reticulata (SNr).
SNc inneholder dopamin-produserende nevroner, som sender projeksjoner til striatum.
Dopamin virker modulerende, men effekten varierer: På noen celler er den eksitatorisk via D1-reseptorer, på andre hemmende via D2-reseptorer.
SNr har derimot GABAerge nevroner, og har en utgangsfunksjon som ligner på GPi.

I tillegg inngår nucleus subthalamicus (STN) i nettverket. Denne strukturen er unik ved at den består av glutamaterge nevroner, og den sender eksitatoriske signaler til GPi og SNr.
STN spiller en sentral rolle i den indirekte sløyfen og er viktig for å hemme bevegelse i situasjoner hvor det er hensiktsmessig.

Oppsummert danner disse strukturene et kontrollsystem som ikke initierer bevegelser i seg selv, men som finjusterer og filtrerer motoriske signaler. Balansen mellom eksitasjon og inhibisjon, mellom glutamat, GABA og dopamin, er avgjørende for at motorikken vår skal være presis, koordinert og tilpasset situasjonen.

Direkte og indirekte sløyfe

Basalgangliene fungerer som en portvakt for motorisk aktivitet. De filtrerer hvilke bevegelser som skal tillates, forsterkes eller hemmes. Dette skjer gjennom to hovedsløyfer: den direkte sløyfen, som fremmer bevegelse, og den indirekte sløyfen, som hemmer bevegelse.

Denne balansen er avgjørende fordi presise bevegelser krever et nøye samspill mellom muskler som skal aktiveres og muskler som samtidig må hemmes. Basalgangliene bidrar til at dette skjer på en koordinert måte, slik at bevegelsen verken blir for svak, for kraftig eller unødvendig stiv.

Den direkte sløyfen – fremmer bevegelse

Den direkte sløyfen gjør det lettere å starte en ønsket bevegelse.

Alt begynner i motorisk hjernebark. Når du bestemmer deg for å bevege deg, sender cortex stimulerende signaler med glutamat til striatum – det vil si nucleus caudatus og putamen.

Nevronene i striatum er hemmende. Det betyr at når de aktiveres, frigjør de mye av signalstoffet GABA i synapsene mot sine målceller. GABA reduserer sjansen for at målcellen danner nye aksjonspotensialer. På den måten blir signalet i neste nevron dempet.

Målcellene for denne hemmingen er globus pallidus internus (GPi) og substantia nigra pars reticulata (SNr). Disse to strukturene holder i utgangspunktet thalamus under en kontinuerlig brems. De sender jevn strøm av hemmende GABA-signaler, noe som gjør at thalamus ikke fritt kan stimulere cortex.

Når striatum aktiveres, hemmer det GPi og SNr. Dermed reduseres deres hemming av thalamus. Bremsen løsner. Thalamus kan nå sende eksitatoriske signaler tilbake til motorisk cortex, og dette gjør at den planlagte bevegelsen kan settes i gang.

Kort sagt:
– Cortex stimulerer striatum
– Striatum hemmer GPi/SNr med GABA
– GPi/SNr mister evnen til å hemme thalamus
– Thalamus sender signaler tilbake til cortex
→ Bevegelse fremmes

Den indirekte sløyfen – hemmer bevegelse

Mens den direkte sløyfen gjør det lettere å starte en bevegelse, har den indirekte sløyfen motsatt funksjon: den bremser ned og undertrykker bevegelser som ikke skal utføres.

Også her starter alt i hjernebarken. Cortex sender stimulerende signaler med glutamat til striatum (nucleus caudatus og putamen).

Nevronene i striatum er hemmende og frigjør GABA, som reduserer antall aksjonspotensialer i neste nevron. I den indirekte sløyfen går disse GABA-signalene til globus pallidus externus (GPe).

GPe står vanligvis og hemmer nucleus subthalamicus (STN) med GABA. Det betyr at STN i utgangspunktet holdes tilbake og ikke kan sende sine egne signaler.

Når GPe selv blir hemmet av striatum, mister den denne kontrollen. Dermed kan STN «slippe løs» og sende eksitatoriske signaler med glutamat til globus pallidus internus (GPi) og substantia nigra pars reticulata (SNr).

GPi og SNr blir nå sterkere aktive og øker sin hemming av thalamus. Når thalamus holdes nede på denne måten, reduseres stimuleringen tilbake til motorisk cortex, og bevegelsen undertrykkes.

Kort sagt:
– Cortex stimulerer striatum
– Striatum hemmer GPe
– GPe mister evnen til å hemme STN
– STN aktiverer GPi/SNr med glutamat
– GPi/SNr hemmer thalamus enda mer
– Thalamus kan ikke stimulere cortex
→ Bevegelse dempes

Dopamin-modulasjon fra substantia nigra pars compacta

Et viktig tillegg til dette bildet er at substantia nigra pars compacta (SNc) påvirker begge sløyfer gjennom dopamin. Dopamin har ulik effekt på ulike reseptortyper i striatum:

• I den direkte sløyfen virker dopamin på D1-reseptorer i putamen og fremmer aktiviteten – altså forsterker bevegelse.
• I den indirekte sløyfen virker dopamin på D2-reseptorer og hemmer denne sløyfen – altså reduserer bevegelseshemming.

Resultatet av dopamin i begge sløyfer er dermed: økt motorisk aktivitet.

Koblinger mellom basalgangliene, thalamus og cortex

Basalgangliene er ikke et lukket system – de er en del av et større motorisk nettverk som inkluderer thalamus og flere områder i hjernebarken. De fleste motoriske signalene starter i cortex, bearbeides i basalgangliene, og sendes deretter tilbake til cortex via thalamus, før de til slutt går til ryggmargen via pyramidebanen. Denne sirkulære strukturen gjør at basalgangliene kan modulere aktiviteten i motoriske områder før bevegelser faktisk utføres.

Thalamus – formidler og filtrerer motorisk informasjon

Thalamus fungerer som en slags «mellomstasjon». Når basalgangliene har bearbeidet signaler fra cortex, sender de sine utgående signaler (via GPi og SNr) til bestemte kjerner i thalamus, særlig den ventrale anteriore (VA) og ventrale laterale (VL) kjernen. Disse kjernene sender så glutamaterg stimulering tilbake til motorisk korteks.

Hemmingen fra basalgangliene til thalamus er kontinuerlig («tonisk»), og det er først når denne hemmingen reduseres at thalamus får «lov» til å sende signaler videre. Dermed kan basalgangliene styre hvilke motoriske programmer som blir aktivert, og hvilke som holdes tilbake.

Motoriske områder i cortex – hvem gjør hva?

Motorisk kontroll i hjernen er ikke begrenset til én bestemt region. Flere områder samarbeider for å planlegge, initiere og kontrollere bevegelser:

• Primær motorisk korteks (M1): Dette er hovedutgangen for viljestyrte bevegelser. M1 ligger i gyrus precentralis, og nevronene her danner pyramidebanen (tractus corticospinalis). Den somatotopiske organiseringen gjør at ulike deler av kroppen har hvert sitt representasjonsområde i M1 – dette er «motor-homunculus».
• Primær somatosensorisk korteks (S1): Selv om dette er et sensorisk område, er det viktig i motorisk kontroll. Informasjon om berøring, propriosepsjon og stilling sendes fra S1 til motoriske områder for å justere og finjustere bevegelser.
• Premotorisk korteks (PMA): Ligger rett foran M1. Dette området er viktig for planlegging av bevegelser, særlig de som krever visuell veiledning, som å gripe etter en kopp du ser på bordet. PMA samarbeider med basalgangliene og lillehjernen.
• Supplementær motorisk område (SMA): Viktig for planlegging av selvinitierte bevegelser, altså de du selv bestemmer deg for å utføre – som å reise deg opp eller ta på deg skoene. SMA er også involvert i bimanual koordinasjon, altså bevegelser som krever koordinering av begge hender samtidig.
• Prefrontal cortex: Bidrar med overordnede beslutninger og målrettet atferd, og samarbeider med basalgangliene i valg og undertrykking av motoriske programmer. Dette er særlig viktig i ustrukturerte eller komplekse situasjoner, der du må velge mellom flere mulige handlinger.

Den kortiko-basalganglie-thalamo-kortikale sløyfen

Alt dette er koblet sammen i det vi kan kalle en sløyfe:

1. Motorisk og premotorisk cortex sender glutamaterg input til striatum (putamen).
2. Informasjonen bearbeides i basalgangliene gjennom den direkte og indirekte sløyfen.
3. GPi og SNr sender tonisk GABAerge signaler til thalamus (VA/VL).
4. Når disse dempes, får thalamus lov til å sende glutamaterg signal tilbake til cortex.
5. Cortex bruker denne informasjonen til å igangsette og finjustere bevegelse via pyramidebanen.

Klinikk: Parkinsons sykdom – hva skjer i de motoriske sløyfene?

Parkinsons sykdom er en kronisk, nevrodegenerativ sykdom som først og fremst rammer dopaminproduserende nerveceller i substantia nigra pars compacta (SNc). Dette området er, som vi har sett, avgjørende for å modulere aktiviteten i både den direkte og indirekte motoriske sløyfen i basalgangliene. Når disse nervecellene dør, blir det mindre dopamin tilgjengelig i striatum – og det får konsekvenser for balansen mellom de to sløyfene.

Dopamin har normalt en stimulerende effekt på D1-reseptorene i den direkte banen, og en hemmende effekt på D2-reseptorene i den indirekte banen. Når dopamin forsvinner, svekkes den direkte banen (som skulle fremme bevegelse), og den indirekte banen blir mer aktiv (som hemmer bevegelse). Resultatet er at motorisk aktivitet reduseres, og pasienten får vansker med å starte og utføre bevegelser.

De klassiske symptomene ved Parkinson skyldes altså en ubalanse i basalgangliene:

• Treghet i bevegelsene (bradykinesi)
• Hviletremor (skjelving i hvile)
• Rigiditet (økt muskelmotstand, “blyrørsrigiditet”)
• Postural ustabilitet (dårlig balanse)

I tillegg kan man se hypomimi (redusert ansiktsmimikk), redusert armbevegelighet ved gange, og etter hvert nedsatt kroppsholdning og gange med små skritt. Kognitive symptomer kan også forekomme, særlig i senere stadier.

Parkinsons sykdom er et godt eksempel på hvordan en liten gruppe nevroner kan ha stor betydning for motorisk kontroll, nettopp fordi dopamin har en så sentral rolle i å balansere og modulere aktiviteten i hele det motoriske nettverket i basalgangliene.