Los ganglios basales ( BG ) o núcleos basales son un grupo de núcleos subcorticales que se encuentran en el cerebro de los vertebrados . En humanos y otros primates , existen diferencias, principalmente en la división del globo pálido en regiones externa e interna, y en la división del cuerpo estriado . Ubicados en la base del prosencéfalo y en la parte superior del mesencéfalo , tienen fuertes conexiones con la corteza cerebral , el tálamo , el tronco encefálico y otras áreas del cerebro. Los ganglios basales están asociados con una variedad de funciones, incluida la regulación de los movimientos motores voluntarios , el aprendizaje de procedimientos , la formación de hábitos , el aprendizaje condicional , [1] los movimientos oculares , la cognición , [2] y la emoción . [3]
Los principales componentes funcionales de los ganglios basales incluyen el cuerpo estriado , que consta tanto del cuerpo estriado dorsal ( núcleo caudado y putamen ) como del cuerpo estriado ventral ( núcleo accumbens y tubérculo olfatorio ), el globo pálido , el pálido ventral , la sustancia negra y el núcleo subtalámico . [4] Cada uno de estos componentes tiene estructuras anatómicas y neuroquímicas internas complejas. El componente más grande, el cuerpo estriado (dorsal y ventral), recibe información de varias áreas del cerebro, pero solo envía información a otros componentes de los ganglios basales. El globo pálido recibe información del cuerpo estriado y envía señales inhibidoras a varias áreas relacionadas con la motricidad. La sustancia negra es la fuente de la entrada estriatal del neurotransmisor dopamina , que juega un papel importante en la función de los ganglios basales. El núcleo subtalámico recibe información principalmente del cuerpo estriado y la corteza cerebral y se proyecta al globo pálido.
Se cree que los ganglios basales desempeñan un papel clave en la selección de acciones , ayudando en la elección de conductas a ejecutar. Más concretamente, regulan las áreas corticales motoras y premotoras, facilitando movimientos voluntarios suaves. [2] [5] Los estudios experimentales muestran que los ganglios basales ejercen una influencia inhibidora sobre varios sistemas motores , y que la liberación de esta inhibición permite que un sistema motor se active. El "cambio de comportamiento" que tiene lugar dentro de los ganglios basales está influenciado por señales de muchas partes del cerebro, incluida la corteza prefrontal , que desempeña un papel clave en las funciones ejecutivas . [3] [6] También se ha planteado la hipótesis de que los ganglios basales no sólo son responsables de la selección de acciones motoras, sino también de la selección de acciones más cognitivas. [7] [8] [9] Los modelos computacionales de selección de acciones en los ganglios basales incorporan esto. [10]
Los ganglios basales son de gran importancia para la función y el comportamiento normales del cerebro. Su disfunción da como resultado una amplia gama de afecciones neurológicas que incluyen trastornos del control del comportamiento y del movimiento, así como déficits cognitivos similares a los que resultan del daño a la corteza prefrontal . [11] Los de comportamiento incluyen el síndrome de Tourette , el trastorno obsesivo-compulsivo y la adicción . Los trastornos del movimiento incluyen, en particular, la enfermedad de Parkinson , que implica la degeneración de las células productoras de dopamina en la sustancia negra; la enfermedad de Huntington , que implica principalmente daño al cuerpo estriado; [2] [4] distonía ; y más raramente hemibalismo . Los ganglios basales tienen un sector límbico a cuyos componentes se les asignan nombres distintos: núcleo accumbens , pálido ventral y área tegmental ventral (VTA). Existe evidencia considerable de que esta parte límbica juega un papel central en el aprendizaje de recompensa , así como en la cognición y el funcionamiento del lóbulo frontal , a través de la vía mesolímbica desde el VTA hasta el núcleo accumbens que utiliza el neurotransmisor dopamina y la vía mesocortical . Se cree que varias drogas altamente adictivas, incluidas la cocaína , la anfetamina y la nicotina , funcionan aumentando la eficacia de esta señal de dopamina. También hay evidencia que implica una hiperactividad de la proyección dopaminérgica VTA en la esquizofrenia . [12]
En términos del desarrollo del sistema nervioso en humanos , el sistema nervioso central a menudo se clasifica basándose en las tres vesículas cerebrales primitivas originales : Estas vesículas primarias se forman en el desarrollo normal del tubo neural del embrión e inicialmente incluyen el prosencéfalo , el mesencéfalo y rombencéfalo , en orientación rostral a caudal (de la cabeza a la cola). Más adelante en el desarrollo, cada sección se convierte en componentes más pequeños. Durante el desarrollo, las células que migran tangencialmente para formar los ganglios basales son dirigidas por las eminencias ganglionares lateral y medial . [13] La siguiente tabla demuestra esta clasificación del desarrollo y la rastrea hasta las estructuras anatómicas que se encuentran en los ganglios basales. [2] [4] [14] Las estructuras relevantes para los ganglios basales se muestran en negrita .
Los ganglios basales forman un componente fundamental del cerebro . A diferencia de la capa cortical que recubre la superficie del prosencéfalo, los ganglios basales son una colección de masas distintas de materia gris que se encuentran en lo profundo del cerebro, no lejos de la unión del tálamo . Se encuentran a un lado del tálamo y lo rodean. [15] Como la mayoría de las partes del cerebro, los ganglios basales constan de lados izquierdo y derecho que son imágenes especulares virtuales entre sí.
En términos de anatomía, los ganglios basales se dividen en cuatro estructuras distintas, dependiendo de qué tan superiores o rostrales estén (es decir, dependiendo de qué tan cerca de la parte superior de la cabeza estén): Dos de ellos, el estriado y el pálido. , son relativamente grandes; los otros dos, la sustancia negra y el núcleo subtalámico , son más pequeños. En la ilustración de la derecha, dos secciones coronales del cerebro humano muestran la ubicación de los componentes de los ganglios basales. Es de destacar, y no se ve en esta sección, que el núcleo subtalámico y la sustancia negra se encuentran más atrás ( posteriormente ) en el cerebro que el cuerpo estriado y el pálido.
El cuerpo estriado es una estructura subcortical generalmente dividida en cuerpo estriado dorsal y cuerpo estriado ventral , aunque se ha sugerido que una clasificación lateral medial es más relevante desde el punto de vista conductual [16] y se está utilizando más ampliamente. [17]
El cuerpo estriado está compuesto en su mayor parte por neuronas espinosas medianas . Estas neuronas GABAérgicas se proyectan al globo pálido externo (lateral) y al globo pálido interno (medial), así como a la sustancia negra pars reticulata . Las proyecciones hacia el globo pálido y la sustancia negra son principalmente dopaminérgicas, aunque se expresan encefalina , dinorfina y sustancia P. El cuerpo estriado también contiene interneuronas que se clasifican en neuronas nitrérgicas (debido al uso de óxido nítrico como neurotransmisor ), interneuronas colinérgicas tónicamente activas (es decir, que liberan neurotransmisores constantemente a menos que estén inhibidas), neuronas que expresan parvalbúmina y neuronas que expresan calretinina . [18] El cuerpo estriado dorsal recibe importantes aportes glutamatérgicos de la corteza, así como aportes dopaminérgicos de la sustancia negra pars compacta. Generalmente se considera que el cuerpo estriado dorsal participa en las actividades sensoriomotoras. El cuerpo estriado ventral recibe aportes glutamatérgicos de las áreas límbicas, así como aportes dopaminérgicos del VTA, a través de la vía mesolímbica . Se cree que el cuerpo estriado ventral desempeña un papel en la recompensa y otras funciones límbicas. [19] El cuerpo estriado dorsal está dividido en caudado y putamen por la cápsula interna, mientras que el cuerpo estriado ventral está compuesto por el núcleo accumbens y el tubérculo olfatorio . [20] [21] El caudado tiene tres regiones principales de conectividad, y la cabeza del caudado demuestra conectividad con la corteza prefrontal, la corteza cingulada y la amígdala . El cuerpo y la cola muestran diferenciación entre el borde dorsolateral y el caudado ventral, proyectándose a las regiones sensoriomotora y límbica del cuerpo estriado respectivamente. [22] Las fibras estriatopalidas conectan el cuerpo estriado con el pálido.
El pálido consta de una gran estructura llamada globo pálido ("globo pálido") junto con una extensión ventral más pequeña llamada globo pálido ventral . El globo pálido aparece como una única masa neural, pero se puede dividir en dos partes funcionalmente distintas, el globo pálido interno (GPi) y el globo pálido externo (GPe). [2] Ambos segmentos contienen principalmente neuronas GABAérgicas, que por lo tanto tienen efectos inhibidores sobre sus objetivos. Los dos segmentos participan en circuitos neuronales distintos . El GPe recibe información principalmente del cuerpo estriado y se proyecta al núcleo subtalámico. El GPi recibe señales del cuerpo estriado a través de las vías "directa" e "indirecta". Las neuronas pálidas funcionan según un principio de desinhibición. Estas neuronas se activan a velocidades altas y constantes en ausencia de información, y las señales del cuerpo estriado hacen que hagan una pausa o reduzcan su velocidad de activación. Debido a que las propias neuronas pálidas tienen efectos inhibidores sobre sus objetivos, el efecto neto de la entrada del cuerpo estriado al pálido es una reducción de la inhibición tónica ejercida por las células pálidas sobre sus objetivos (desinhibición) con una mayor velocidad de disparo en los objetivos.
La sustancia negra es una porción de materia gris del mesencéfalo de los ganglios basales que tiene dos partes: la pars compacta (SNc) y la pars reticulata (SNr). SNr a menudo actúa al unísono con GPi y el complejo SNr-GPi inhibe el tálamo. Sin embargo, la sustancia negra pars compacta (SNc) produce el neurotransmisor dopamina , que es muy importante para mantener el equilibrio en la vía estriado. La siguiente parte del circuito explica la función y las conexiones del circuito de cada uno de los componentes de los ganglios basales.
El núcleo subtalámico es una porción de materia gris diencefálica de los ganglios basales y la única porción de los ganglios que produce un neurotransmisor excitador, el glutamato . La función del núcleo subtalámico es estimular el complejo SNr-GPi y forma parte de la vía indirecta . El núcleo subtalámico recibe información inhibidora de la parte externa del globo pálido y envía información excitadora al GPi.
Se han propuesto múltiples modelos de circuitos y funciones de los ganglios basales, sin embargo, han surgido dudas sobre las divisiones estrictas de las vías directas e indirectas , su posible superposición y regulación. [23] El modelo de circuitos ha evolucionado desde el primer modelo propuesto en la década de 1990 por DeLong en el modelo de procesamiento paralelo , en el que la corteza y la sustancia negra pars compacta se proyectan hacia el cuerpo estriado dorsal dando lugar a una vía inhibidora indirecta y excitadora directa.
Generalmente, el circuito de los ganglios basales se divide en cinco vías: una límbica, dos asociativas (prefrontales), una oculomotora y una motora. (Las vías motora y oculomotora a veces se agrupan en una vía motora). Las cinco vías generales se organizan de la siguiente manera: [24]
La vía directa, que se origina en el cuerpo estriado dorsal, inhibe GPi y SNr, lo que resulta en una desinhibición o excitación neta del tálamo. Esta vía consta de neuronas espinosas medias (MSN) que expresan el receptor de dopamina D1 , el receptor muscarínico de acetilcolina M4 y el receptor de adenosina A1 . [27] Se ha propuesto la vía directa para facilitar las acciones motoras, la sincronización de las acciones motoras, la activación de la memoria de trabajo y las respuestas motoras a estímulos específicos. [26]
La vía indirecta (larga) se origina en el cuerpo estriado dorsal e inhibe la GPe, lo que da como resultado la desinhibición de la GPi, que luego queda libre para inhibir el tálamo. Esta vía consta de MSN que expresan el receptor de dopamina D2 , el receptor muscarínico de acetilcolina M1 y el receptor de adenosina A2a . [27] Se ha propuesto que esta vía produce una inhibición motora global (inhibición de toda la actividad motora) y la terminación de las respuestas. Se ha propuesto otra vía indirecta más corta, que implica la excitación cortical del núcleo subtalámico, lo que da como resultado la excitación directa del GPe y la inhibición del tálamo. Se propone que esta vía dé como resultado la inhibición de programas motores específicos basados en el aprendizaje asociativo. [26]
Como parte de la teoría del centro circundante , se ha propuesto una combinación de estas vías indirectas que dan como resultado una vía hiperdirecta que resulta en la inhibición de las entradas de los ganglios basales además de un foco específico . [28] [29] Se propone que esta vía hiperdirecta inhiba las respuestas prematuras o inhiba globalmente los ganglios basales para permitir un control más específico de arriba hacia abajo por parte de la corteza. [26]
Las interacciones de estas vías están actualmente en debate. Algunos dicen que todas las vías se antagonizan directamente entre sí en una forma de "empujar y tirar", mientras que otros apoyan la teoría del centro envolvente , en la que una entrada enfocada en la corteza está protegida por la inhibición de entradas competitivas por el resto de las vías indirectas. [26]
Los ganglios basales reciben muchas entradas glutamatérgicas aferentes, con fibras eferentes predominantemente GABAérgicas , vías colinérgicas moduladoras , dopamina significativa en las vías que se originan en el área tegmental ventral y la sustancia negra , así como diversos neuropéptidos . Los neuropéptidos que se encuentran en los ganglios basales incluyen la sustancia P , neuroquinina A , colecistoquinina , neurotensina , neuroquinina B , neuropéptido Y , somatostatina , dinorfina y encefalina . Otros neuromoduladores que se encuentran en los ganglios basales incluyen el óxido nítrico , el monóxido de carbono y la feniletilamina . [30]
La conectividad funcional, medida por coactivación regional durante estudios de neuroimagen funcional, es ampliamente consistente con los modelos de procesamiento paralelo de la función de los ganglios basales. El putamen generalmente se coactivaba con áreas motoras como el área motora suplementaria , la corteza cingulada anterior caudal y la corteza motora primaria , mientras que el putamen caudado y rostral se coactivaban con mayor frecuencia con el ACC y el DLPFC rostrales. El cuerpo estriado ventral se asoció significativamente con la amígdala y el hipocampo, que aunque no se incluyó en las primeras formulaciones de modelos de ganglios basales, ha sido una adición a modelos más recientes. [31]
Una función intensamente estudiada de los ganglios basales es su papel en el control de los movimientos oculares . [32] El movimiento ocular está influenciado por una extensa red de regiones cerebrales que converge en un área del mesencéfalo llamada colículo superior (SC). El SC es una estructura en capas cuyas capas forman mapas retinotópicos bidimensionales del espacio visual. Un "golpe" de actividad neuronal en las capas profundas del SC impulsa un movimiento ocular dirigido hacia el punto correspondiente en el espacio.
El SC recibe una fuerte proyección inhibidora de los ganglios basales, con origen en la sustancia negra pars reticulata (SNr). [32] Las neuronas en el SNr generalmente se activan continuamente a altas velocidades, pero al inicio de un movimiento ocular hacen una "pausa", liberando así al SC de la inhibición. Los movimientos oculares de todo tipo se asocian con "pausa" en el SNr; sin embargo, las neuronas SNr individuales pueden estar más fuertemente asociadas con algunos tipos de movimientos que con otros. Las neuronas en algunas partes del núcleo caudado también muestran actividad relacionada con los movimientos oculares. Dado que la gran mayoría de las células caudadas se disparan a velocidades muy bajas, esta actividad casi siempre se manifiesta como un aumento en la velocidad de activación. Así, los movimientos oculares comienzan con la activación en el núcleo caudado, que inhibe el SNr a través de las proyecciones GABAérgicas directas, que a su vez desinhiben el SC.
La dopamina extracelular en los ganglios basales se ha relacionado con estados de motivación en roedores, con niveles altos relacionados con el estado de saciedad, niveles medios con la búsqueda y bajos con la aversión. Los circuitos de los ganglios basales límbicos están fuertemente influenciados por la dopamina extracelular . El aumento de dopamina da como resultado la inhibición del pallidum ventral , el núcleo entopeduncular y la sustancia negra pars reticulata , lo que resulta en la desinhibición del tálamo. Este modelo de vías directas D1 e indirectas D2 explica por qué los agonistas selectivos de cada receptor no son gratificantes, ya que se requiere actividad en ambas vías para la desinhibición. La desinhibición del tálamo conduce a la activación de la corteza prefrontal y del cuerpo estriado ventral , selectiva para el aumento de la actividad D1 que conduce a la recompensa. [25] También hay evidencia de estudios de electrofisiología humana y de primates no humanos de que otras estructuras de los ganglios basales, incluido el globo pálido interno y el núcleo subtalámico, están involucradas en el procesamiento de recompensa. [33]
Se han propuesto dos modelos para los ganglios basales, uno es que las acciones son generadas por un "crítico" en el estriado ventral y estima el valor, y las acciones las lleva a cabo un "actor" en el estriado dorsal. Otro modelo propone que los ganglios basales actúan como un mecanismo de selección, donde las acciones se generan en la corteza y son seleccionadas en función del contexto por los ganglios basales. [34] El ciclo CBGTC también participa en el descuento de recompensas, donde los despidos aumentan con una recompensa inesperada o mayor de lo esperado. [35] Una revisión apoyó la idea de que la corteza estaba involucrada en el aprendizaje de acciones independientemente de su resultado, mientras que los ganglios basales estaban involucrados en la selección de acciones apropiadas basadas en el aprendizaje de prueba y error basado en recompensa asociativa. [36]
Se ha propuesto que los ganglios basales controlen lo que entra y lo que no entra en la memoria de trabajo . Una hipótesis propone que la vía directa (Go, o excitatoria) permite que la información ingrese al PFC , donde permanece independiente de la vía; sin embargo, otra teoría propone que para que la información permanezca en el PFC, la vía directa debe continuar reverberando. Se ha propuesto la vía indirecta corta para, en un antagonismo directo de vaivén con la vía directa, cerrar la puerta al PFC. Juntos, estos mecanismos regulan el enfoque de la memoria de trabajo. [26]
La enfermedad de los ganglios basales es un grupo de trastornos del movimiento que resultan de una salida excesiva de los ganglios basales al tálamo ( trastornos hipocinéticos) o de una salida insuficiente ( trastornos hipercinéticos ) . Los trastornos hipocinéticos surgen de una salida excesiva de los ganglios basales, que inhibe la salida del tálamo a la corteza y, por tanto, limita el movimiento voluntario. Los trastornos hipercinéticos resultan de una baja salida de los ganglios basales al tálamo, lo que no inhibe suficientemente las proyecciones talámicas a la corteza y, por lo tanto, produce movimientos incontrolados/involuntarios. La disfunción de los circuitos de los ganglios basales también puede provocar otros trastornos. [37]
La siguiente es una lista de trastornos, afecciones y síntomas que se han relacionado con los ganglios basales: [ cita necesaria ]
La aceptación de que el sistema de ganglios basales constituye un sistema cerebral importante tardó en surgir. La primera identificación anatómica de distintas estructuras subcorticales fue publicada por Thomas Willis en 1664. [47] Durante muchos años, el término cuerpo estriado [48] se utilizó para describir un gran grupo de elementos subcorticales, algunos de los cuales se descubrió más tarde que eran funcionalmente no relacionado. [49] Durante muchos años, el putamen y el núcleo caudado no estuvieron asociados entre sí. En cambio, el putamen se asoció con el pálido en lo que se llamó núcleo lenticular o núcleo lentiforme .
Una profunda reconsideración por parte de Cécile y Oskar Vogt (1941) simplificó la descripción de los ganglios basales al proponer el término cuerpo estriado para describir el grupo de estructuras formado por el núcleo caudado, el putamen y la masa que los une ventralmente , el núcleo accumbens . El cuerpo estriado recibió su nombre en base a la apariencia estriada (rayada) creada por haces densos irradiados de axones estriato-pálido-nigrales , descrito por el anatomista Samuel Alexander Kinnier Wilson (1912) como "parecido a un lápiz".
Más tarde se descubrió el vínculo anatómico del cuerpo estriado con sus objetivos principales, el pálido y la sustancia negra . Déjerine atribuyó el nombre globus pallidus a Burdach (1822). Para ello, los Vogt propusieron el " pallidum " más simple. El término "locus niger" fue introducido por Félix Vicq-d'Azyr como tache noire en (1786), aunque desde entonces esa estructura se conoce como sustancia negra, debido a las contribuciones de Von Sömmering en 1788. La similitud estructural entre la sustancia nigra y globus pallidus fueron observados por Mirto en 1896. Juntos, los dos se conocen como conjunto palidonigral, que representa el núcleo de los ganglios basales. En conjunto, las estructuras principales de los ganglios basales están unidas entre sí por el haz estriato-pálido-nigral, que atraviesa el pálido , cruza la cápsula interna como el "haz en peine de Edinger" y finalmente llega a la sustancia negra .
Estructuras adicionales que más tarde se asociaron con los ganglios basales son el "cuerpo de Luys" (1865) (núcleo de Luys en la figura) o núcleo subtalámico , cuya lesión se sabía que producía trastornos del movimiento. Más recientemente, se ha pensado que otras áreas, como el núcleo centromediano y el complejo pedunculopontino, son reguladores de los ganglios basales.
Hacia principios del siglo XX, el sistema de ganglios basales se asoció por primera vez con funciones motoras, ya que las lesiones de estas áreas a menudo provocaban movimientos desordenados en los humanos ( corea , atetosis , enfermedad de Parkinson ).
La nomenclatura del sistema de ganglios basales y sus componentes siempre ha sido problemática. Los primeros anatomistas, al ver la estructura anatómica macroscópica pero no saber nada de la arquitectura celular o la neuroquímica, agruparon componentes que ahora se cree que tienen funciones distintas (como los segmentos interno y externo del globo pálido) y dieron nombres distintos a los componentes que Ahora se cree que son funcionalmente partes de una sola estructura (como el núcleo caudado y el putamen).
El término "basal" proviene del hecho de que la mayoría de sus elementos se encuentran en la parte basal del prosencéfalo. El término ganglios es inapropiado: en el uso moderno, los grupos neuronales se denominan "ganglios" sólo en el sistema nervioso periférico ; en el sistema nervioso central se les llama "núcleos". Por esta razón, los ganglios basales también se conocen ocasionalmente como "núcleos basales". [50] Terminologia anatomica (1998), la autoridad internacional para la denominación anatómica, retuvo "núcleos basales", pero esto no se usa comúnmente.
La Sociedad Internacional de Ganglios Basales (IBAGS) [51] considera informalmente que los ganglios basales están formados por el cuerpo estriado , el pálido (con dos núcleos), la sustancia negra (con sus dos partes diferenciadas) y el núcleo subtalámico , mientras que Terminologia anatomica excluye los dos últimos. Algunos neurólogos han incluido el núcleo centromediano del tálamo como parte de los ganglios basales, [52] [53] y algunos también han incluido el núcleo pedunculopontino . [54]
Los ganglios basales forman uno de los componentes básicos del prosencéfalo y pueden reconocerse en todas las especies de vertebrados. [55] Incluso en la lamprea (generalmente considerada uno de los vertebrados más primitivos), los elementos estriatal, pálido y nigral se pueden identificar sobre la base de la anatomía y la histoquímica. [56]
Los nombres dados a los distintos núcleos de los ganglios basales son diferentes en las distintas especies. En gatos y roedores el globo pálido interno se conoce como núcleo entopeduncular . [57] En las aves, el cuerpo estriado se llama paleostriatum augmentatum y el globo pálido externo se llama paleostriatum primitivum .
Una cuestión emergente clara en la anatomía comparada de los ganglios basales es el desarrollo de este sistema a través de la filogenia como un bucle cortical reentrante convergente junto con el desarrollo y expansión del manto cortical. Sin embargo, existe controversia sobre hasta qué punto se produce el procesamiento selectivo convergente versus el procesamiento paralelo segregado dentro de los bucles cerrados reentrantes de los ganglios basales. Independientemente, la transformación de los ganglios basales en un sistema de reentrada cortical en la evolución de los mamíferos se produce a través de una redirección de la salida pálida (o "paleostriatum primitivum") desde objetivos del mesencéfalo como el colículo superior, como ocurre en el cerebro saurópsido , hacia regiones específicas del tálamo ventral y desde allí regresan a regiones específicas de la corteza cerebral que forman un subconjunto de aquellas regiones corticales que se proyectan hacia el cuerpo estriado. La abrupta redirección rostral de la vía desde el segmento interno del globo pálido hacia el tálamo ventral (a través de la vía del ansa lenticularis ) podría verse como una huella de esta transformación evolutiva del flujo de salida de los ganglios basales y la influencia dirigida.
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