Vai trò của hạch nền trong kiểm soát vận động ở người bình thường và bệnh nhân Parkinson

Vai trò của hạch nền trong kiểm soát vận động ở người bình thường và bệnh nhân Parkinson

Hoàng Mai Phương*, Lê Thị Mỹ*, Nguyễn Thanh Bình*

* Đại học Y Hà Nội

1. Đại cương

Bệnh Parkinson được xếp vào nhóm bệnh lý thoái hóa thần kinh. Bệnh được James Parkinson mô tả đầu tiên năm 1817 và được gọi là “liệt rung”. Bệnh do thoái hóa con đường liềm đen-thể vân, dẫn đến giảm dopamine của hệ thần kinh trung ương. Bệnh thường biểu hiện bởi cả các triệu chứng vận động và ngoài vận động. Trong đó các triệu chứng vận động điển hình bao gồm: run khi nghỉ, giảm động, cứng cơ kiểu ngoại tháp (đơ cứng) và mất ổn định tư thế.

Hạch nền là cấu trúc quan trọng tham gia vào việc kiểm soát chức năng vận động. Các bất thường về cấu trúc và chức năng hạch nền là nguyên nhân chính gây ra các bệnh lý rối loạn vận động, trong đó có bệnh Parkinson.

1. Giải phẫu và sinh lý hạch nền ở người bình thường

2.1. Cấu tạo hạch nền

Hạch nền là một nhóm các nhân xám nằm sâu trong mỗi bán cầu đại não. Hạch nền bao gồm 4 thành phần chính:

• Thể vân: gồm thể vân lưng và thể vân bụng. Trong đó thể vân lưng gồm nhân đuôi và bèo sẫm, thể vân bụng gồm nhân nằm (nucleus accumbens) và củ khứu (olfactory tubercle).
• Cầu nhạt (globus pallidus-GP): gồm cầu nhạt trong (GPi) và cầu nhạt ngoài (GPe)
• Liềm đen (substantia nigra): gồm phần đặc (pars compacta-SNc) và phần lưới (pars reticulata-SNr).
• Nhân dưới đồi (subthalamic nuclei - STN) [2].

Hình 1. Các cấu trúc hạch nền

(James Knierim, Chapter 4: Basal Ganglia, Neuroscience online [3])

Dựa vào chức năng các nhân của hạch nền có thể chia thành các nhóm chính:

• Các nhân nhận thông tin đến: thể vân (nhân đuôi, bèo sẫm và nhân nằm) nhận tín hiệu chủ yếu từ vỏ não, đồi thị và liềm đen.
• Các nhân truyền thông tin đi: cầu nhạt trong và phần lưới liềm đen cho tín hiệu đi đến đồi thị và thân não.
• Các nhân trung gian: kết nối giữa nhóm nhân đầu vào và đầu ra, bao gồm: cầu nhạt ngoài, nhân dưới đồi và phần đặc liềm đen.

2.2. Các đường hướng tâm đến hạch nền (Hình 2A):

• Từ vỏ não: thông qua đường phóng chiếu vỏ não - thể vân, đây là đường hướng tâm lớn nhất đi đến hạch nền, có tác dụng kích thích các nơron của hạch nền thông qua chất dẫn truyền thần kinh là glutamate.
• Từ liềm đen: các sợi đi từ phần đặc liềm đen đến thể vân tạo nên đường phóng chiếu liềm đen-thể vân. Con đường này rất quan trọng trong việc đảm bảo cung cấp liên tục dopamine cho thể vân, tham gia điều hòa các con đường trực tiếp và gián tiếp. Trong đó dopamin có tác dụng kích thích các nơron chứa thụ thể D1 tại thể vân và ức chế nơron chứa thụ thể D2.
• Từ đồi thị: các thông tin từ các nhân gian tấm (intralaminar nuclei) đồi thị đi đến thể vân, đặc biệt là từ nhân trung tâm (centromedian nuclei) và nhân cạnh bó (parafascicular nuclei), tạo đường kết nối đồi thị-thể vân, thông qua chất dẫn truyền glutamate có tác dụng kích thích.
• Từ nhân raphe của thân não, bản chất là con đường serotonergic, có tác dụng điều hòa hoạt động của thể vân qua chất trung gian serotonin.
• Ngoài ra các thông tin đến còn từ các tế bào thần kinh nội tại thể vân qua các chất truyền đạt thần kinh là cholinergic, GABA, chất P (substance P - SP), .

2.3. Các đường ly tâm (Hình 2B): đi từ cầu nhạt trong và phần lưới liềm đen đến đồi thị và thân não (tín hiệu ức chế thông qua GABA).

Trong việc kiểm soát vận động, phần lưới chất đen tham gia quá trình truyền đạt tín hiệu vận động của đầu và cổ, trong khi cầu nhạt trong có vai trò truyền đạt tín hiệu của các phần còn lại của cơ thể.

Tín hiệu ly tâm chính đi từ cầu nhạt trong và phần lưới liềm đen đến nhân bụng trước (ventral anterior nucleus - VA) và nhân bụng bên (ventral lateral nucleus - VL) đồi thị. Đồi thị chuyển tín hiệu nhận từ hạch nền đến toàn bộ thùy trán, đặc biệt là vùng vỏ não tiền vận động, vùng vận động sơ cấp và vùng vận động nguyên thủy.

Ngoài ra, cầu nhạt trong và phần lưới liềm đen còn cho tín hiệu đi đến cấu tạo lưới thân não (pontomedullary reticular formation - PMRF) và củ não sinh tư trên, qua đó ảnh hưởng đến bó lưới tủy và mái tủy (các bó tham gia vào vận động phản xạ) [2], [4].

Hình 2. Các con đường hướng tâm và ly tâm của hạch nền (tín hiệu kích thích: đường màu cam, tín hiệu ức chế: đường màu xanh)

(Hal Blumenfeld (2010). Neuroanatomy through clinical cases, second edition [4])

Hình A: các con đường hướng tâm đến hạch nền: vỏ não và đồi thị cho tín hiệu kích thích đến thể vân, trong khi phần đặc liềm đen cho cả tín hiệu kích thích và ức chế đi đến thể vân.

Hình B: các con đường ly tâm đi từ hạch nền: cầu nhạt trong và phần lưới chất đen cho tín hiệu ức chế đi đến đồi thị, củ não sinh tư trên và cấu tạo lưới thân não.

2.3. Các đường nội tại: Gồm con đường trực tiếp và con đường gián tiếp, tham gia vào chức năng kiểm soát vận động của hạch nền.

Ở người bình thường, thể vân (nhân đầu vào chính của hạch nền) chuyển thông tin từ vỏ não đến nhóm nhân đầu ra thông qua con đường trực tiếp (kích thích) và gián tiếp (ức chế). Hai con đường này hoạt động chức năng độc lập và cân bằng với nhau, giúp hạch nền tham gia vào quá trình bắt đầu, kết thúc hoặc điều chỉnh mức độ vận động (Hình 3).

• Đường trực tiếp: chuyển tín hiệu kích thích giúp khởi đầu vận động. Để thực hiện điều này, thể vân (các nơron chứa thụ thể D1) gửi tín hiệu ức chế qua GABA đến cầu nhạt trong và phần lưới liềm đen; cầu nhạt trong và phần lưới liềm đen bị ức chế sẽ không thể gửi tín hiệu ức chế đến đồi thị. Kết quả là đồi thị ở trạng thái tự do, sẽ gửi tín hiệu kích thích vỏ não vận động, qua đó giúp bắt đầu hoặc tăng cường các hoạt động vận động có chủ ý.
• Đường gián tiếp: chuyển tín hiệu giúp kết thúc vận động. Ở con đường gián tiếp, thể vân (các nơron chứa thụ thể D2) gửi tín hiệu ức chế đến cầu nhạt ngoài, cầu nhạt ngoài bị ức chế sẽ không thể gửi tín hiệu ức chế đến vùng dưới đồi. Kết quả là vùng dưới đồi ở trạng thái tự do. Từ vùng dưới đồi, tín hiệu kích thích được gửi đến cầu nhạt trong và phần lưới liềm đen, và từ đây tiếp tục gửi tín hiệu ức chế qua GABA đến đồi thị. Do đó về mặt chức năng, con đường gián tiếp dẫn đến ức chế đồi thị và làm giảm tín hiệu kích thích từ đồi thị gửi đến vỏ não.

Như vậy, con đường trực tiếp và gián tiếp có tác dụng ngược nhau, hoạt động với nhau để luân chuyển giữa các quá trình kết thúc và khởi đầu vận động.

Hình 3. Các con đường liên hệ của hạch nền

LCST: lateral corticospinal tract - bó vỏ tủy bên, CST: corticospinal tract - bó vỏ tủy, LMN: lower motor neuron - nơron vận động dưới,VL: ventral lateral nucleus - nhân bụng bên, VA: ventral lateral nucleus - nhân bụng trước

(Eman Al-Khateeb, Department of Physiology and biochemistry neurophysiology, Handout of basal ganglia, 2014)

Trong con đường trực tiếp: thể vân (nhân nhận thông tin đến) chuyển trực tiếp tín hiệu ức chế đến cầu nhạt trong (nhân chuyển thông tin đi), qua đó cầu nhạt trong không thể ức chế được đồi thị, làm tăng tín hiệu kích thích từ đồi thị lên vỏ não và làm tăng vận động ở nửa người đối bên.

Trong con đường gián tiếp: thể vân gửi tín hiệu kích thích đến cầu nhạt trong (thông qua con đường gián tiếp qua cầu nhạt ngoài và nhân dưới đồi), qua đó cầu nhạt trong ức chế đồi thị và làm giảm tín hiệu kích thích từ đồi thị lên vỏ não, giảm vận động nửa người đối bên.

Ngoài tín hiệu từ vỏ não, thể vân còn nhận tín hiệu từ liềm đen thông qua dopamin. Dopamin tác động lên thụ thể D1 gây kích thích con đường trực tiếp và tác động qua thụ thể D2 gây ức chế con đường gián tiếp. Kết quả là dopamin gửi tín hiệu kích thích đến vỏ não, giúp tăng cường hoạt động vận động.

Ngược lại, tại thể vân chứa các nơron cholinergic mà sợi trục của chúng chỉ ở bên trong thể vân (các nơron trung gian - interneuron). Các nơron này tiếp nối synap với các nơron của thể vân, ức chế con đường trực tiếp và kích thích con đường gián tiếp, qua đó làm giảm hoạt động vận động. Ở người bình thường, hai hệ dopamin và cholinergic hoạt động cân bằng với nhau, và tạo ra sự cân bằng của con đường trực tiếp và gián tiếp của hạch nền (Hình 4).

Hình 4. Tác động của hệ dopaminergic và cholinergic lên con đường trực tiếp và gián tiếp

(Eman Al-Khateeb, Department of Physiology and biochemistry neurophysiology, Handout of basal ganglia, 2014)

Con đường vận động được thực hiện chủ yếu bởi bó tháp. Tuy nhiên, để các hoạt động vận động được diễn ra nhịp nhàng và chính xác, cần có sự tham gia của cơ quan điều chỉnh vận động (hệ ngoại tháp), với vai trò chính của hạch nền. Hạch nền nhận các tín hiệu chủ yếu từ vỏ não tiền vận động và vận động bổ sung, qua đó xử lí thông tin và chuyển tín hiệu về vận động đến đồi thị; từ đồi thị, tín hiệu được chuyển đến vỏ não vận động, qua đó kiểm soát và điều hòa các hoạt động vận động, đặc biệt là các hoạt động phức tạp. Nhờ có con đường của hạch nền mà người bình thường có thể vận động và thực hiện các động tác, đặc biệt là các động tác phức tạp một cách thuần thục [5],[6].

1. Các biến đổi sinh lý bệnh của hạch nền ở bệnh nhân Parkinson

Trong bệnh Parkinson, thoái hóa phần đặc chất đen (mất nơron và mất sắc tố), làm giảm các tế bào dopaminergic, qua đó làm giảm dopamin ở thể vân, giảm hoạt động cả con đường trực tiếp và gián tiếp (Hình 5).

Ở con đường trực tiếp, giảm kích thích thụ thể D1, làm giảm ức chế cầu nhạt và phần lưới chất đen, dẫn đến tăng ức chế từ vùng cầu nhạt trong và phần lưới liềm đen lên đồi thị. Do đó sự hoạt hóa từ đồi thị lên vỏ não giảm.

Ở con đường gián tiếp, giảm ức chế thụ thể D2, làm tăng ức chế của thể vân lên cầu nhạt ngoài, dẫn đến giảm ức chế của vùng cầu nhạt ngoài lên nhân dưới đồi. Nhân dưới đồi được thoát ức chế sẽ tăng hoạt hóa vùng cầu nhạt trong và phần lưới liềm đen, tăng ức chế lên đồi thị. Và kết quả là tín hiệu kích thích từ đồi thị lên vỏ não giảm.

Như vậy, việc giảm dopamin tác động lên cả con đường trực tiếp và gián tiếp, dẫn đến giảm kích thích lên vỏ não. Hậu quả là bệnh nhân gặp khó khăn trong việc khởi đầu và kết thúc vận động. Điều này biểu hiện bằng việc chậm và giảm biên độ vận động, còn được gọi là triệu chứng chậm vận động (bradykinesia) hay giảm vận động (hypokinesia) ở bệnh nhân Parkinson. Tuy nhiên hai triệu chứng run khi nghỉ và cứng cơ kiểu ngoại tháp không thể giải thích được bằng cơ chế cổ điển này, và cơ chế các triệu chứng này vẫn đang được nghiên cứu tiếp. Sự thay đổi của con đường vỏ não - đồi thị, hạch nền - vỏ não và sự tham gia của tiểu não được cho là có liên quan đến triệu chứng run và tăng trương lực cơ ngoại tháp [5].

Ngoài ra, do dopamin đến thể vân giảm, cân bằng giữa hệ dopaminergic và cholinergic tại thể vân bị ảnh hưởng, qua đó gián tiếp làm cường hệ cholinergic. Đây cũng là cơ sở để sử dụng thuốc kháng cholinergic trong điều trị bệnh Parkinson.

Hình 5. Con đường hạch nền ở người bình thường và bệnh nhân Parkinson

(https://parkinsonsprj.weebly.com/pathophysiology.html)

Ở người bình thường, dopamin từ liềm đen có tác dụng kích thích con đường trực tiếp qua thụ thể D1 và ức chế con đường gián tiếp qua thụ thể D2, qua đó làm tăng tín hiệu kích thích lên vỏ não. Ở bệnh nhân Parkinson (hình bên phải), dopamin từ liềm đen bị giảm dẫn đến giảm kích thích thụ thể D1 và giảm ức chế thụ thể D2, qua đó làm giảm con đường trực tiếp và tăng con đường gián tiếp, kết quả cuối cùng là làm giảm tín hiệu kích thích gửi đến vỏ não.

Kết luận

Hạch nền là cấu trúc quan trọng đóng vai trò chính trong cơ chế bệnh sinh của bệnh Parkinson. Hiểu rõ về giải phẫu và con đường sinh lý hạch nền ở người bình thường và những thay đổi của con đường này ở bệnh nhân Parkinson sẽ giúp bác sĩ lâm sàng có thể giải thích được các triệu chứng bệnh cũng như chọn lựa các phương pháp điều trị bệnh phù hợp cho bệnh nhân.

Tài liệu tham khảo

1. Stephen K. Van Den Eeden, Caroline M. Tanner, Allan L. Bernstein, et al. (2003). Incidence of Parkinson’s Disease: Variation by Age, Gender, and Race/Ethnicity. American Journal of Epidemiology, Vol. 157, No. 11, 1015-1022.
2. Trịnh Văn Minh. (2010). Giải phẫu người. Tập 3, 200-217.
3. James Knierim (2020). Neuroscience online, Chapter 4: Basal Ganglia.
4. Hal Blumenfeld (2010). Neuroanatomy through clinical cases, Sunderland, Massachusetts.
5. Arash Fazl, Jori Fleisher, and et al. (2018). Anatomy, Physiology, and Clinical Syndromes of the Basal Ganglia: A Brief Review. Semin Pediatr Neurol, 25, 2-9.
6. Jose´ L. Lanciego, Natasha Luquin, and Jose´ A. Obeso. (2012). Functional Neuroanatomy of the Basal Ganglia. Cold Spring Harb Perspect Med, 2.