Вопрос контроля движений является кардинальным для понимания природы и механизмов двигательного поведения человека. Известна нисходящая управляющая роль двигательных отделов головного мозга в согласовании работы мышц через соответствующие моторные нейрональные контуры спинного мозга [1]. Выделяются две группы нисходящих путей от супраспинальных структур: медиальная и латеральная. Медиальная группа включает вестибуло-спинальный и ретикуло-спинальный тракты, которые иннервируют мышцы туловища, плечевого и тазового поясов, обеспечивают регуляцию мышечного тонуса и осуществление позотонических реакций. К латеральной группе относят кортико-спинальный и кортико-красноядерно-спинальный тракты, которые в основном иннервируют мышцы дистальных отделов конечностей и обеспечивают выполнение тонких движений кисти и стопы [2].
Важнейшим нейрональным путем в моторной системе человека является кортико-спинальный или пирамидный тракт - анатомо-функциональное образование, включающее в себя корковые моторные связи (так называемые корковые нейрональные контуры), сегментарные интернейроны и спинальные α-мотонейроны (α-МН), и контролирующее произвольные движения человека [3]. Произвольные движения скелетных мышц человека и вызванные моторные ответы (ВМО) на корковую электрическую или магнитную стимуляцию реализуются при нисходящем проведении возбуждающего импульса по нервным волокнам, которые начинаются от корковых (верхних) нейронов и спускаются к двигательным мотонейронам (МН) передних рогов спинного мозга (периферическим или нижним МН). Эти нисходящие волокна и формируют кортико-спинальный тракт. Около 40% волокон начинаются от нейронов, расположенных в зоне двигательной коры – цитоархитектоническом поле 4 по Бродману, расположенному в прецентральной извилине. Двигательную кору называют первичной моторной корой (или областью). Первичная моторная кора характеризуется низкими электрическими и магнитными порогами возбуждения. Нейроны, иннервирующие глотку и гортань, расположены в нижней части 4-го цитоархитектонического поля Бродмана. Затем в восходящем порядке следуют нейроны к мышцам лица, рук, туловища и ног [4]. Таким образом, тела нейронов, осуществляющие иннервацию отдельных мышечных групп, имеют расположение, обратное расположению частей человеческого тела. Корковые нейроны располагаются не только в поле 4 – они имеются и в соседних кортикальных полях, например, в поле 6, которое получило название «вторичная моторная кора». В нем различают дополнительную моторную область (медиальная часть) и премоторную кору (латеральная часть). Основная масса верхних нейронов расположена в V кортикальном слое цитоархитектонического поля 4 [5]. Эти клетки называются гигантскими пирамидальными (гигантопирамидальными), или клетками Беца, дающими быстропроводящие аксоны с толстой миелиновой оболочкой [6]. Из 1 млн аксонов кортико-спинального тракта, которые проходят в пирамидах продолговатого мозга, на долю клеток Беца приходится лишь 3,4-4,0%. Примерно половина волокон кортико-спинального тракта начинается от мелких пирамидных или веретенообразных клеток первичной двигательной коры (поле 4), остальные нейроны находятся главным образом в дополнительном двигательном поле 6, а также в первичной соматосенсорной коре (поля 3, 1 и 2) и верхней теменной доле (поля 5 и 7). Особенностью двигательных областей коры является то, что площадь каждой из них зависит не от массы мышц, а от сложности и тонкости выполняемой функции. Особенно велика площадь двигательной области кисти и пальцев верхней конечности, в частности большого, а также губ, языка [7].
Нейроны пирамидной корково-спинномозговой системы человека разделяют на две подсистемы: быструю (фазическую) и медленную (тоническую). Первая контролирует быстрые рефлекторные движения, а вторая – обеспечивает регуляцию тонуса мышц и позотонических установок. Эфферентная импульсация кортико-спинального тракта оказывает не только «пусковое» влияние на МН, но и обеспечивает текущую регуляцию интернейронов спинного мозга посредством облегчения необходимых для данного момента рефлекторных механизмов или их торможения в случае ненужности. Следовательно, кортико-спинальный тракт одновременно регулирует работу МН, интернейронов и проприоцептивных афферентных каналов, организуя их взаимодействие в соответствии с задачами текущего момента [8].
Двигательные корковые поля имеют прямые связи с МН и вставочными нейронами спинного мозга через кортико-спинальный тракт и поддерживают непрямые контакты с нижними нейронами через нисходящие пути ствола головного мозга [5], особенно с помощью кортико-ретикулоспинальных проекций. Нейроны 4-го поля контролируют тонкие произвольные движения скелетных мышц противоположной половины тела, поскольку большинство волокон пирамидного тракта переходит на противоположную сторону в нижней части продолговатого мозга. Стимуляция поля 4 индуцирует общие движения отдельных мышц, в то время как стимуляция поля 6 вызывает более сложные движения, такие как движения всей руки или ноги [9]. В ряде работ указывается, поле 6 рассматривалось как дополнительное моторное представительство мускулатуры туловища, но в последнее время получены данные о его ведущей роли в качестве ассоциативного поля [10], участвующего в подготовке и реализации движения, особенно если ранее оно было разучено [11].
Импульсы пирамидных клеток двигательной коры идут по двум путям, заключенным в ростральной части пирамидного тракта. Один из них – корково-ядерный путь, который заканчивается на ядрах черепных двигательных нервов в стволе мозга. Другой – кортико-спинальный путь, который оканчивается на вставочных нейронах спинного мозга, которые, в свою очередь, синаптически связаны с большими МН передних рогов. Эти нейроны передают импульсы по передним корешкам спинного мозга и периферическим нервам к двигательным концевым пластинкам скелетных мышц [9].
Покинув двигательную кору, волокна кортико-спинального пути проходят через белое вещество в составе лучистого венца и сходятся в области заднего бедра внутренней капсулы. В очень компактном виде они проходят в соматотопическом порядке внутреннюю капсулу и вступают в среднюю часть ножек мозга. Здесь они представляют собой компактный пучок, который опускается в центр основания каждой из половин моста, будучи окруженным множеством нейронов ядер моста и волокнами различных систем. На уровне перехода моста в продолговатый мозг пирамидные пути становятся заметными снаружи и формируют удлиненные перевернутые пирамиды по обе стороны от передней средней линии [12]. На границе продолговатого и спинного мозга большая часть кортико-спинальных волокон (до 80%) переходит на противоположную сторону (волокна ипсилатерального кортико-спинального тракта), а меньшая продолжает идти по своей стороне. В результате в спинном мозге формируются два кортико-спинальных пути. Основным является перекрещенный латеральный кортико-спинальный путь, идущий в боковом канатике. Неперекрещенный прямой кортико-спинальный путь проходит в переднем канатике спинного мозга. На уровне каждого сегмента волокна как прямого, так и латерального кортико-спинальных путей заканчиваются у МН передних рогов. Показано, что оба кортико-спинальных тракта являются глутаматергическими, оказывая возбуждающее влияние моно- и полисинаптически на альфа-мотонейроны (α-МН) и полисинаптически – на гамма-мотонейроны (γ-МН) [6]. Прямой кортико-спинальный путь обеспечивает проведение нервного импульса к МН грудных сегментов, иннервирующих мышцы туловища. Через латеральный кортико-спинальный путь импульсы поступают к МН всех (в том числе и грудных) сегментов. Таким образом, мышцы конечностей получают одностороннюю корковую иннервацию от прецентральной извилины противоположного полушария, а мышцы туловища обеспечены двусторонней корковой иннервацией. Этим объясняется тот факт, что при одностороннем поражении кортико-спинального пути в головном мозге (выше перекреста) расстройства произвольных движений возникают в мышцах конечностей на противоположной стороне. Одностороннее поражение кортико-спинального пути в спинном мозге (ниже перекреста) приводит к расстройствам произвольных движений на стороне поражения. Двигательные расстройства в мышцах возможны, но лишь при условии их двустороннего поражения [7].
Волокна ипсилатерального тракта берут начало преимущественно от дополнительных моторных областей, включая поле 6. Характер расположения нейронов ипсилатерального пути объясняет, почему методически при стимуляции поля 4 ипси-ВМО не регистрируется [12]. До сих пор ведутся споры по поводу того, насколько волокна ипсилатерального кортико-спинального тракта участвуют в генерации ипсилатерального ВМО, регистрируемого в норме и при патологии в ответ на транскраниальную электрическую стимуляцию (ТЭС) и транскраниальную магнитную стимуляцию (ТМС) [13]. Не исключено, что в реализации ипсилатерального ВМО основную роль играют кортико-ретикулоспинальные пути [14].
Периферический двигательный нейрон образован МН передних рогов спинного мозга и двигательными ядрами черепно-мозговых нервов, а также их аксонами, достигающими мышцы-исполнители через передние корешки, спинальные нервы, сплетения, периферические или черепные нервы. Каждый МН иннервирует несколько мышечных волокон, которые образуют «двигательную единицу» (ДЕ). Большие α-МН передают возбуждающий и трофический импульс на быстро сокращающиеся ДЕ, а малые α-МН – на медленно сокращающиеся (тонические) ДЕ, γ-МН посылают нервный импульс на мышечные веретена. Постоянная импульсация от γ-МН на мышечные веретена является необходимым условием для поддержания мышечного тонуса. Таким образом, периферический двигательный нейрон реализуется через эфферентную часть сегментарных рефлекторных дуг спинальных рефлексов, выполняет тонотропную и трофотропную функции. Центральный двигательный нейрон, заканчиваясь на α- и γ-МН, регулирует эти сегментарные двигательные функции [7].
Интернейроны, входящие в состав полисинаптической цепи, играют первостепенную роль в определении характера импульса к МН – конечному общему пути. В связи с этим интернейроны могут рассматриваться по отношению к МН как еще один, более высокий уровень регуляции его активности. Интернейроны при этом получают импульсацию не только от двигательной коры, ствола мозга и лимбической системы, но и от афферентных периферических нервов. Эти клетки согласуют интегральные действия мышц-синергистов и тормозят работу мышц-антагонистов, регулируя, таким образом, их совместную деятельность, контролируют защитные и позные рефлексы, опосредуют стереотипные поведенческие реакции, а также в определенной степени обеспечивают реализацию высокодифференцированных движений. Интернейроны могут также контролировать контрлатеральный моторный пул. Разновидность интернейронов – клетки Реншоу, которые регулируют возбудимость α-МН с помощью отрицательной обратной связи, используя такие тормозные нейротрансмиттеры, как глицин и, возможно, таурин. Таким образом, мышечные сокращения – это конечный результат сложной иерархической организованной системы двигательного контроля. Изучение этого контроля важно для понимания механизмов формирования двигательного акта в норме и при патологии [6].
Окончательное суждение о функции кортико-спинального тракта у человека по результатам морфологических исследований и клинико-морфологических сопоставлений пока невозможно. Вместе с тем существует общее мнение, что кортико-спинальный тракт обеспечивает не только эфферентную функцию - организацию движения и регуляцию мышечного тонуса, но и афферентную – поступление информации в кору, подкорковые структуры и мозжечок от периферических сенсорных рецепторов и спинальных МН [6; 8]. Были сформированы гипотезы о роли кортико-спинального тракта в деятельности ЦНС. В частности, в обзоре R.A. Davidoff [15] обсуждаются три основных положения. Первое положение: кортико-спинальный тракт занимает центральную позицию в конвергенции деятельности различных популяций корковых нейронов, суммируя информацию посредством прямых моносинаптических связей с большими клетками (α-МН) передних рогов спинного мозга. При этом переключающиеся в подкорковых структурах кортико-фугальные (по-другому нисходящие, эфферентные) волокна действуют параллельно с моносинаптическими. Следует отметить, что моносинаптическая природа кортико-спинальных проекций показана для дистальных мышц кисти, мышц лица и языка, мышц проксимальных отделов рук (дельтовидная мышца) и плечевого пояса (трапециевидная и большая грудная мышцы), а также мышц ног [16]. Второе положение: кортико-спинальный тракт особенно важен в контроле тонких и раздельных движений пальцев руки, причем в реализации этого акта участвуют как моносинаптические, так и полисинаптические волокна кортико-спинального тракта [15]. Третье положение: кортико-спинальный тракт представляет собой путь для кортико-фугальной регуляции различных сенсорных переключений, Этот контроль сенсорного входа в центральные структуры может влиять на тип и объем соматосенсорной и проприоцептивной информации, поступающей в сенсорную и ассоциативную кору [15].
Использование современных нейрофизиологических методов и, в частности, ТМС позволяет не только оценивать верхнюю и нижнюю составляющие кортико-спинального тракта, но также анализировать функциональные взаимоотношения корковых нейронов и сегментарных рефлекторных контуров, активируемых при участии кортико-спинальных путей [3; 17; 18; 19]. Корковая стимуляция с использованием переменного магнитного поля является одной из самых физиологичных методик, так как показано, что ТМС возбуждает именно те корковые нейроны, которые первыми активируются при совершении произвольного движения [12; 20; 21]. Показано, что ТМС может быть использована для оценки изменений функциональных свойств моторной системы человека под влиянием мышечной работы различной направленности [22-27]. В отличие от ТМС, позволяющей изучать исключительно механизмы функционирования верхней составляющей кортико-спинального тракта, магнитная и электрическая стимуляция спинного мозга, в свою очередь, дают возможность исследовать его нижнюю составляющую и наряду с методами электро- и магнитной стимуляции периферических нервов оценивать функциональное состояние его периферической части как в норме (с участием представителей различных видов спорта и нетренированных лиц), так и при патологии [28-47]. Использование такого арсенала методов в практике спорта обеспечивает изучение особенностей нейропластичности головного и спинного мозга под влиянием специфической мышечной деятельности и функционирования соответствующих периферических звеньев нервно-мышечного аппарата и способствует выявлению механизмов развития адаптационных процессов в нейромоторной системе лиц, длительное время регулярно выполняющих физическую нагрузку.