ปมประสาทฐาน

ปมประสาทฐาน หรือ Basal ganglia หรือ basal nuclei (, ตัวย่อ BG) เป็นกลุ่มของนิวเคลียสที่อยู่ในเขตต่าง ๆ ของสมองในสัตว์มีกระดูกสันหลังที่ทำกิจหน้าที่เป็นหน่วยเดียวกัน นิวเคลียสเหล่านั้นอยู่ที่ฐานของซีรีบรัม และมีการเชื่อมต่อกันอย่างหนาแน่นกับเปลือกสมอง ทาลามัส และเขตอื่น ๆ ในสมอง
basal ganglia มีบทบาทในหน้าที่หลายอย่างรวมทั้ง การสั่งการเคลื่อนไหวใต้อำนาจจิตใจ การเรียนรู้เชิงกระบวนวิธี (procedural learning) ที่เกี่ยวข้องกับพฤติกรรมซ้ำซากหรือพฤติกรรมเป็นนิสัย เป็นต้นว่าการขบฟัน การเคลื่อนไหวของตา กิจทางประชาน (cognitive functions) และกิจที่เกี่ยวกับอารมณ์ความรู้สึก

ในปัจจุบัน ทฤษฎีที่ได้รับความนิยมแสดงความเกี่ยวข้องของ basal ganglia ในการเลือกการกระทำ (action selection) ซึ่งก็คือ การตัดสินใจว่า ในบรรดาหลายพฤติกรรมที่เลือกได้ จะลงมือกระทำพฤติกรรมอะไรในเวลานั้น ๆ

งานวิจัยแบบทดลองแสดงว่า basal ganglia มีอิทธิพลแบบยับยั้ง (Inhibition) ในระบบสั่งการหลายระบบ และว่า เมื่อการยับยั้งนั้นมีการระงับ ระบบสั่งการหนึ่ง ๆ จึงจะสามารถเริ่มปฏิบัติการได้ การเลือกพฤติกรรมที่เกิดขึ้นใน basal ganglia ได้รับอิทธิพลจากสัญญาณจากส่วนต่าง ๆ จำนวนมากในสมอง รวมทั้ง prefrontal cortex ซึ่งมีบทบาทสำคัญใน executive functions

ส่วนประกอบหลักของ basal ganglia ก็คือ striatum (caudate nucleus และ putamen), globus pallidus (หรือเรียกว่า pallidum), substantia nigra, nucleus accumbens, และ subthalamic nucleus
แต่ละเขตที่กล่าวมานี้ ล้วนแต่มีกายวิภาคและองค์ประกอบทางประสาทเคมีที่ซับซ้อน

basal ganglia มีบทบาทสำคัญในความผิดปกติทางประสาทหลายอย่าง รวมทั้ง การเคลื่อนไหวผิดปกติ (movement disorder) ที่รู้จักกันเป็นอย่างดีก็คือโรคพาร์กินสัน ซึ่งเกิดจากความเสื่อมของเซลล์ที่ผลิตโดพามีนใน substantia nigra pars compacta และอีกอย่างหนึ่งก็คือโรคฮันติงตัน ซึ่งโดยมากเกิดจากความเสียหายใน striatum ความผิดปกติของ basal ganglia ก็เป็นเหตุของความผิดปกติในการควบคุมพฤติกรรมประเภทต่าง ๆ ด้วย รวมทั้งกลุ่มอาการทัวเร็ตต์ (Tourette syndrome) การเหวี่ยงแขนขารุนแรงเหตุสมอง (hemiballismus) โรคย้ำคิดย้ำทำ (obsessive-compulsive disorder) และโรควิลสัน (Wilson's disease)

basal ganglia มีองค์ประกอบในระบบลิมบิกซึ่งมีชื่อต่างหาก คือ nucleus accumbens, ventral pallidum, และ ventral tegmental area (ตัวย่อ VTA) มีหลักฐานค่อนข้างจะมากที่แสดงว่า ส่วนของ basal ganglia ในระบบลิมบิกนี้ มีบทบาทสำคัญในการเรียนรู้อาศัยรางวัล (reinforcement) โดยเฉพาะในวิถีประสาทจาก ventral tegmental area ไปยัง nucleus accumbens ที่ใช้สารสื่อประสาทโดพามีน มีการสันนิษฐานว่า ยาที่มีระดับการเสพติดสูง รวมทั้ง โคเคน แอมเฟตามีน และนิโคตีน ออกฤทธิ์โดยเพิ่มประสิทธิภาพของโดพามีน และก็มีหลักฐานแสดงด้วยว่าในโรคจิตเภท มีการทำงานเกินส่วนของ VTA โดยการส่งสัญญาณด้วยโดพามีน

การตั้งชื่อของระบบ basal ganglia และส่วนประกอบ มีปัญหามาตั้งแต่ยุคเริ่มต้น นักกายวิภาคยุคแรก ๆ ผู้ศึกษาโครงสร้างต่าง ๆ ที่เห็นได้ด้วยตาเปล่า แต่ไม่รู้โครงสร้างระดับเซลล์และความเป็นไปของประสาทเคมี ได้รวมกลุ่มส่วนประกอบต่าง ๆ ที่ในปัจจุบันเชื่อกันว่ามีกิจต่างกัน (เช่น ส่วนภายในและส่วนภายนอกของ globus pallidus) เข้าด้วยกัน และได้ให้ชื่อต่าง ๆ กันกับส่วนประกอบต่าง ๆ ที่ในปัจจุบันได้รับการพิจารณาว่า เป็นองค์ประกอบของโครงสร้างเดียวกันที่ทำกิจเดียวกัน (เช่น caudate nucleus และ putamen)

คำว่า "basal (ฐาน) " นั้น มาจากความที่องค์ประกอบโดยมากของ basal ganglia อยู่ในส่วนฐานของสมองส่วนหน้า ส่วนคำว่า "ganglia" นั้นเป็นการใช้ชื่อที่ไม่เหมาะสม เพราะว่า ในปัจจุบัน กลุ่มเซลล์ประสาทจะเรียกว่า "ganglia (ปมประสาท) " ก็ต่อเมื่ออยู่ในระบบประสาทส่วนปลาย แต่เมื่ออยู่ในระบบประสาทกลาง ก็จะเรียกว่า "นิวเคลียส (nucleus) " ดังนั้น basal ganglia บางครั้งจึงรู้จักกันว่า "basal nuclei" Terminologia anatomica (เผยแพร่ในปี ค.ศ. 1998) ซึ่งเป็นมาตรฐานสากลเกี่ยวกับการตั้งชื่อส่วนต่าง ๆ ของกายมนุษย์ ใช้คำว่า "nuclei basales" แต่คำนี้ไม่เป็นที่นิยมใช้

สมาคม International Basal Ganglia Society (IBAGS) พิจารณา (ไม่เป็นทางการ) ว่า basal ganglia ประกอบด้วย striatum, pallidum 2 นิวเคลียส, substantia nigra โดยมีส่วนที่ต่างกัน 2 ส่วน, และ subthalamic nucleus ส่วนเพอร์เชรอนและคณะ (ค.ศ. 1991) กับแพเรนท์และแพเรนท์ (ค.ศ. 2005) รวมตรงกลางของทาลามัสเข้าเป็นส่วนของ basal ganglia ด้วย ในขณะที่ มีนา-เซโกเวียและคณะ (ค.ศ. 2004) รวม pedunculopontine complex เข้าไปด้วย

นอกจากนั้นแล้ว ชื่อที่ให้กับนิวเคลียสต่าง ๆ กันใน basal ganglia ก็ยังมีชื่อที่ต่างกันในสัตว์สกุลต่าง ๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง คือ

ความรู้เกี่ยวกับกิจหน้าที่ของ basal ganglia มาจากการศึกษาโดยกายวิภาค จากงานสรีรวิทยาที่ทำในหนูและลิง และจากการศึกษาโรคที่ทำลาย basal ganglia ในมนุษย์

แหล่งที่มาของความเข้าใจเกี่ยวกับกิจหน้าที่ของ basal ganglia ที่ดีที่สุดคือ งานวิจัยในความผิดปกติทางประสาทสองอย่าง คือโรคพาร์กินสัน และโรคฮันติงตัน ในโรคทั้งสองอย่างนี้ เนื่องจากมีความเข้าใจที่ละเอียดดีแล้วเกี่ยวกับความเสียหายทางระบบประสาท จึงสามารถสัมพันธ์ความเสียหายเหล่านั้นกับอาการโรคที่ปรากฏได้ โรคพาร์กินสันเกิดจากการสูญเสียอย่างสำคัญของเซลล์ที่ผลิตโดพามีนใน substantia nigra ส่วนโรคฮันติงตันเกิดจาการสูญเสีย medium spiny neuronใน striatum อย่างกว้างขวาง

โรคทั้ง 2 มีอาการที่ปรากฏแทบจะตรงกันข้ามกัน ซึ่งก็คือ ลักษณะเฉพาะของโรคพาร์กินสันก็คือความสูญเสียทีละเล็กทีละน้อยในการเริ่มการเคลื่อนไหว เปรียบเทียบกับโรคฮันติงตันซึ่งปรากฏโดยความไม่สามารถห้ามส่วนต่าง ๆ ของร่างกายจากการเคลื่อนไหวที่ไม่ได้ตั้งใจ เป็นที่น่าสนใจว่า แม้ว่าโรคทั้งสองจะมีความผิดปกติในการรับรู้ โดยเฉพาะในระยะสุดท้าย ๆ แต่ว่า อาการที่เด่นชัดที่สุดก็คือความไม่สามารถในการเริ่มและในการควบคุมการเคลื่อนไหว ดังนั้น โรคทั้งสองจึงจัดว่าเป็นการเคลื่อนไหวผิดปกติ (movement disorder)

ส่วนโรคเกี่ยวกับการเคลื่อนไหวอีกโรคหนึ่งคือโรคเหวี่ยงแขนขารุนแรงเหตุสมอง (hemiballismus) เป็นโรคที่อาจจะเกิดจากความเสียหายที่จำกัดใน subthalamic nucleus เท่านั้น ซึ่งมีลักษณะเฉพาะคือการเหวี่ยงแขนขาอย่างรุนแรงที่ควบคุมไม่ได้

กิจหน้าที่อย่างหนึ่งของ basal ganglia (ตัวย่อ BG) ที่มีการศึกษาวิจัยอย่างกว้างขวางที่สุดอย่างหนึ่ง ก็คือบทบาทในการควบคุมการขยับตา

การขยับตาได้รับอิทธิพลจากเขตต่าง ๆ ของสมองมากมายที่ส่งสัญญาณไปยังเขตในสมองส่วนกลางที่เรียกว่า superior colliculus (ตัวย่อ SC) ซึ่งเป็นโครงสร้างประกอบเป็นชั้น ๆ โดยที่ชั้นต่าง ๆ รวมกันทำหน้าที่เป็นแผนที่ภูมิลักษณ์ของเรตินา (retinotopy) เป็นแผนที่มี 2 มิติของพื้นที่ทางสายตา เมื่อศักยะงานเพิ่มขึ้นในชั้นที่ทำหน้าที่เป็นแผนที่ภูมิลักษณ์นี้ ก็จะทำให้เกิดการเคลื่อนตาไปสู่จุดในปริภูมิที่สัมพันธ์กับจุดในแผนที่

SC รับการเชื่อมต่อแบบยับยั้งที่มีกำลังจาก BG มีจุดเริ่มต้นใน substantia nigra pars compacta (ตัวย่อ SNr) เซลล์ประสาทใน SNr โดยปกติจะยิงสัญญาณแบบยับยั้งอย่างต่อเนื่อง ในความถี่ระดับสูงไปยัง SC แต่ทันทีก่อนที่จะมีการขยับตา เซลล์เหล่านั้นจะหยุดยิงสัญญาณอย่างชั่วคราว และเพราะเหตุนั้น จึงปล่อย SC จากการยับยั้งอย่างต่อเนื่อง การเคลื่อนไหวตาทุกประเภทจะมีความสัมพันธ์การการหยุดส่งสัญญาณอย่างชั่วคราวของ SNr นอกจากนั้นแล้ว ยังปรากฏว่า เซลล์ประสาทแต่ละตัวของ SNr อาจจะมีความสัมพันธ์กับการเคลื่อนไหวตาเฉพาะอย่างที่มีกำลังกว่าการเคลื่อนไหวตาประเภทอื่น ๆ

เซลล์ประสาทในบางส่วนของ caudate nucleus ก็มีการทำงานเกี่ยวเนื่องกับการขยับตาเช่นกัน เนื่องจากว่า เซลล์ส่วนมากของ caudate nucleus ยิงสัญญาณในความถี่ที่ต่ำ เมื่อมีการขยับตา เซลล์เหล่านั้นปรากฏว่าเพิ่มความถี่ในการยิงสัญญาณ ดังนั้น การขยับตาเริ่มต้นที่การทำงานของ caudate nucleus ซึ่งห้าม SNr ผ่านการเชื่อมต่อแบบยับยั้งโดยตรง แล้วในที่สุด SNr ก็จะหยุดการยับยั้ง SC

ถึงแม้ว่าบทบาทของ basal ganglia เกี่ยวกับระบบการสั่งการยังไม่ชัดเจน แต่ก็มีเหตุที่จะให้เห็นได้ว่า basal ganglia มีส่วนในการควบคุมพฤติกรรมอย่างสำคัญในส่วนของแรงจูงใจ ในโรคพาร์กินสัน โรคไม่มีผลต่อส่วนย่อยที่เป็นองค์ประกอบของการเคลื่อนไหว แต่แรงจูงใจเช่นความหิว กลับไม่สามารถยังความเคลื่อนไหวให้เกิดขึ้น หรือไม่สามารถปรับเปลี่ยนความเคลื่อนไหวในช่วงเวลาที่เหมาะสม ดังนั้น การเคลื่อนไหวไม่ได้ของคนไข้โรคพาร์กินสันบางครั้งจึงเรียกว่า ความอัมพาตของความปรารถนา (paralysis of the will) 
คนไข้เหล่านี้บางครั้งมีปรากฏการณ์ที่เรียกว่า "kinesia paradoxica" เป็นปรากฏการณ์ที่คนไข้ที่ปกติไม่เคลื่อนไหว กลับตอบสนองต่อเหตุการณ์ฉุกเฉินโดยการเคลื่อนไหวที่สอดคล้องกันและมีพลัง แล้วหลังจากนั้นก็กลับไปมีภาวะไม่เคลื่อนไหวเหมือนเดิม เมื่อเหตุการณ์ฉุกเฉินได้ผ่านไปแล้ว

ส่วนบทบาทเกี่ยวกับแรงจูงใจของ basal ganglia ที่เป็นส่วนของระบบลิมบิก ซึ่งก็คือส่วน nucleus accumbens (NA), ventral pallidum, และ ventral tegmental area (VTA) เป็นสิ่งที่ชัดเจน งานวิจัยเป็นพันรวม ๆ กันแสดงว่า การส่งสัญญาณโดยใช้สารสื่อประสาทโดพามีนจาก VTA ไปยัง NA มีบทบาทสำคัญในระบบรางวัล (reward system) ของสมอง ในการทดลอง สัตว์ที่มีอิเล็คโทรดแบบกระตุ้นฝังอยู่ในวิถีประสาทนี้ จะกดปุ่มอย่างกระตือรือร้นถ้าการกดแต่ละครั้ง มีการติดตามด้วยกระแสไฟฟ้าในวิถีประสาทนี้อย่างสั้น ๆ สิ่งต่าง ๆ ที่มนุษย์ถือเอาเป็นรางวัล (คือชอบใจ) รวมทั้งยาเสพติด อาหารรสอร่อย และการมีเพศสัมพันธ์ ทั้งหมดปรากกฏว่าก่อให้เกิดการทำงานของระบบโดพามีนใน VTA ดังนั้น ถ้ามีความเสียหายต่อระบบ NA หรือ VTA อย่างใดอย่างหนึ่ง ก็จะก่อให้เกิดภาวะเฉื่อยชาไม่มีแรงจูงใจอย่างรุนแรง

แม้ว่ายังไม่ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวาง นักทฤษฎีบางพวกได้เสนอว่า มีความแตกต่างกันระหว่างพฤติกรรมที่ทำให้เกิดความอยาก (appetitive) ซึ่งเกิดขึ้นเพราะ basal ganglia และพฤติกรรมการบริโภค (consummatory) ซึ่ง basal ganglia ไม่ได้ทำให้เกิดขึ้น ยกตัวอย่างเช่น สัตว์ที่มีความเสียหายอย่างรุนแรงใน basal ganglia จะไม่ขยับไปข้างหน้าแม้ว่า อาหารจะอยู่ไกลไม่เพียงกี่นิ้ว แต่ถ้าว่า อาหารนั้นถูกใส่เข้าไปในปาก สัตว์นั้นจะเคี้ยวและกลืนอาหารนั้น

ในเขตส่วนมากในสมอง เซลล์ประสาทโดยมากใช้กลูตาเมตเป็นสารสื่อประสาท และมีฤทธิ์เร้าเซลล์ที่รับสัญญาณ แต่ใน basal ganglia เซลล์ประสาทโดยมากใช้สาร GABA เป็นสารสื่อประสาทและมีฤทธิ์ยับยั้งต่อเซลล์ที่รับสัญญาณ

การเชื่อมต่อจากเปลือกสมองและทาลามัสเข้าไปยัง striatum และ subthalamic nucleus ล้วนแต่ใช้กลูตามีนเป็นสารสื่อประสาท แต่ว่าการเชื่อมต่อออกจาก striatum, pallidum และ substantia nigra pars reticulata ล้วนแต่ใช้ GABA ดังนั้น หลังจากที่มีการเร้าเบื้องต้นขึ้นใน striatum ความเปลี่ยนแปลงภายใน basal ganglia จะมากไปด้วยการยับยั้งและการหยุดยับยั้ง

สารสื่อประสาทอื่น ๆ มีผลเป็นการปรับประสาท (neuromodulation) ที่สำคัญ สารปรับประสาทที่มีการศึกษาวิจัยมากที่สุดก็คือโดพามีน ซึ่งใช้ในการเชื่อมต่อจาก substantia nigra pars compacta ไปยัง striatum และในการเชื่อมต่อที่คล้ายคลึงกันจาก VTA ไปยัง nucleus accumbens. สารปรับประสาท acetylcholine ก็มีบทบาทสำคัญด้วย โดยใช้ในการเชื่อมต่อขาเข้าไปยัง striatum และการเชื่อมต่อระหว่างกันของเซลล์ประสาทใน striatum แม้ว่าเซลล์ประสาทที่ใช้ acetylcholine จะมีเป็นส่วนน้อย แต่ว่า striatum ก็มีเซลล์ที่ใช้ acetylcholine อย่างหนาแน่นที่สุดในบรรดาเขตสมองทั้งหมด