Research into the nature of stuttering has been conducted throughout the last century, but the mechanisms underlying these speech disorders remain unclear. The symptoms of stuttering are comparable to other movement disorders associated with predominant damage to the basal ganglia — tics, Parkinson's disease, and dystonia. Today, it is well known that in patients with neurogenic stuttering (occurring after stroke or traumatic brain injury), the striatum and globus pallidus are most often affected (Ludlow et al., 1987). Studies of metabolism in the central nervous system over the last decade have led to the suggestion that the cause of stuttering is related to dysfunction of the basal ganglia or their connections with cortical areas involved in speech and motor control, and that the thalamo-strio-frontal system, including the putamen, may play a key role in stuttering.
The basal ganglia (BG) consist of several interconnected subcortical nuclei. The main input nucleus is the striatum, which receives topographic excitatory projections from almost the entire cerebral cortex, especially from the sensorimotor and frontal cortex. Adjacent to the striatum is the globus pallidus, which consists of external (GPe) and internal (GPi) parts. The GPi is one of the main output nuclei of the BG, and it projects through various thalamic nuclei to most of the frontal lobe cortex. This structure means that the BG are part of a widespread loop — the thalamo-strio-frontal system — which connects the entire cerebral cortex with the frontal lobe. The GPi also has a descending output to the brainstem. Thus, the BG modulate the activity of the frontal lobe and the brainstem. The striatum can be divided into 3 main parts: (a) putamen, (b) caudate nucleus, (c) ventral striatum. This division approximately corresponds to the distribution of functions of the thalamo-strio-frontal system: (a) (sensorimotor) motor loop from the putamen with output to the primary motor cortex, supplementary motor area (SMA), and premotor cortex; (b) associative loop of the caudate nucleus with output to the prefrontal cortex; and (c) limbic loop of the ventral striatum with output to the anterior cingulate cortex and medial prefrontal cortex (De Long, 2000).
The ventral striatum receives fibers from limbic structures — the amygdala and hippocampus. The striatum projects to the globus pallidus directly and via the subthalamic nuclei. All projections from the striatum, GPe, and GPi are inhibitory, whereas projections from the cortex, subthalamic nuclei, and thalamus are excitatory. The GPi is tonically active, and thereby suppresses cortical activity. Balancing each other, these pathways modulate cortical activity. Mink and Thach (1993) presented a model where the indirect pathway provides diffuse background suppression of behavioral impulses, while the direct pathway provides focused activation of desired behavioral programs. In this model, the BG play an important role in suppressing potentially competing motor programs, facilitating the strongest cortical signal and suppressing the rest.
Thus, it has been experimentally confirmed that the striatum and pallidum, together with the substantia nigra and subthalamic nuclei, are involved in several cortico-subcortical circuits that perform motor control; that movement disorders are associated with BG dysfunction; and that the latter are involved in facilitating desired and suppressing competing motor programs. BG dysfunction in movement disorders manifests in an increased number of involuntary movements (IMs). Observations of people who stutter during speech and silence have shown that the number of involuntary non-productive movements is much greater in them than in the general population.
Since the main link in the pathogenesis of stuttering is a disorder of the motor aspects of speech, the relationship between voluntary and involuntary motor activity should be disrupted in them. The present study was conducted to identify the presence and characteristics of involuntary movements in people who stutter and to confirm the hypothesis that these movements may be associated with motor disorders due to basal ganglia dysfunction.
Methods. To determine the number and characteristics of IMs, 10 children who stutter and 10 healthy children of both sexes, sitting on a chair in a free posture, a) listened silently to a fairy tale for 3 minutes and b) retold a familiar text for 3 minutes. During speech, the number of stuttering manifestations was recorded; during speech and silence, the presence, number, and characteristics of IMs were recorded.
Results. During silence, children in the control group demonstrated a minimal number of movements, which were associated with changes in body position while sitting on the chair. During retelling, the number of movements in the control group increased mainly due to gesturing. During silence, 10 out of 10 children who stutter exhibited simple involuntary non-productive movements and sometimes simple motor tics. In 5 children, these movements did not cease during silence; 5 moved with regular pauses. The movements of those who stutter were non-productive, aimless, sometimes perseverative, and sometimes clearly painful twisting of their own fingers, hands, or ears. The muscles of the fingers, hands, head, neck, trunk, and legs were involved in the movements. The order of enumeration corresponds to the degree of involvement of these muscle groups in pathological motor activity. The number of IMs was greater than in the control group (33 vs 5, p<0.001).
During speech, those who stutter exhibited both simple movements and simple and complex motor tics. The number of IMs in each patient depended on the severity of the disorder and was greater than in the control group (61 vs 31, p<0.05). The group of stutterers exhibited a greater number of simple and complex involuntary movements; moreover, compared to children in the control group, stutterers exhibited motor and vocal tics, as well as involuntary violent movements. Tics and violent movements were observed in the muscles of the eyelids, cheeks, lips, vocal cords, neck, chest, shoulders, and arms.
In stutterers, unlike the control group, more involuntary movements were present, both during silence and during speech. The nature of involuntary movements changed depending on the situation. Motor and vocal tics, more pronounced during retelling, were observed only in stutterers.
Discussion. The speech of a person who stutters consists of voluntary movements and involuntary twitches and spasms of the muscles involved in speech. In fact, muscle twitches are multiple motor tics. The picture is supplemented by twitching of the eyes, cheeks, lips, and sometimes the muscles of the neck and chest. According to our observations, in a healthy child in a calm environment, involuntary motor activity does not manifest itself. With an increase in the level of arousal, during mental stress in a resting position, a healthy child demonstrates a certain number of involuntary movements, but no amount of overexcitation or stress can lead to tics and violent movements. The emergence of the latter requires a neurological basis in the form of previous hypoxic/asphyxic, traumatic, or toxic damage to the CNS.
Stutterers, as a group, consist of children who have experienced perinatal asphyxia or received large doses of antibiotics in the first 2-3 years of life, meaning that the probability of damage to the basal ganglia due to asphyxic brain damage is very high. Alm (2004) suggests that the key dysfunction in stuttering is an impairment of the basal ganglia's ability to produce temporal cue signals for initiating the next motor segment in speech. It is well known that in the presence of external cues (choral speech, singing, reciting poetry), signs of stuttering are absent in patients' speech. Moreover, for some time after these types of speech, patients may experience an improvement in their speech. The adaptation effect is based on improving the ability of the basal ganglia to produce temporal cues after appropriate practice.
Studies in monkeys have shown that neurons in various parts of the globus pallidus signal before the beginning and after the end of each movement in the context of a well-known and predictable motor act. It is assumed that these signals are internal timing cues generated by the basal ganglia to mark — to designate the end of each component of a motor sequence. This signal should perform a trigger function for the supplementary motor area to ensure the transition to the next stage of the motor sequence (Mushiake & Strick, 1995). According to this model, the first segment of a motor sequence is initiated by structures located outside the basal ganglia (e.g., the motor cortex). The BG then provide cue signals to initiate subsequent segments of the motor sequence.
Marsden and Obeso (1994) proposed a model in which some GPi neurons increase their activity to suppress unwanted activity in the supplementary motor area, while other GPi neurons decrease their activity to facilitate the desired motor action. This same model explains the mechanism of motor pathology in which impaired generation of temporal signals can lead to dysfunctional motor activity and the absence of desired motor activity. Damage to the BG during neonatal asphyxia may cause an impairment in the ability to generate cue signals for coordinating simple and complex movements. Motor insufficiency in stuttering affects not only the muscles involved in speech but also the muscles of the face, hands, neck, chest, and trunk. It is likely that stuttering and tics may share a common pathophysiology and reflect dysfunction of the basal ganglia.
Conclusion. Stuttering is associated with the presence of IMs, which appear primarily as simple and complex motor tics. This association means that stuttering and tics may share a common pathophysiology and supports the theory that, together with tics, stuttering reflects dysfunction of the basal ganglia or their direct connections with cortical areas involved in speech and motor control.
Literature:
Исследования, касающиеся природы заикания, проводились на протяжении всего прошлого века, но механизмы, лежащие в основе этих нарушений речи, все еще неясны. Симптомы заикания сравнимы с другими двигательными нарушениями, связанными с преимущественным поражением базальных ганглиев – тиками, болезнью Паркинсона и дистонией. На сегодняшний день хорошо известно, что чаще всего у пациентов с нейрогенным заиканием (возникшим после инсульта или черепно-мозговой травмы) поражаются стриатум и бледный шар (Ludlow et al., 1987). Исследования метаболизма в центральной нервной системе в последнее десятилетие привели к предположению, что причина заикания связана с дисфункцией базальных ганглиев или их связей с областями коры, осуществляющими речь и моторный контроль, и, что, возможно, таламо-стрио-фронтальная система, включая putamen, играет ключевую роль в заикании.
Базальные ганглии (БГ) состоят из нескольких взаимосвязанных подкорковых ядер. Основное входное ядро – striatum, который получает топографические возбуждающие проекции почти из всей коры мозга, особенно из сенсомоторной и фронтальной коры. К striatum примыкает globus pallidus, который состоит из внешней (GPe) и внутренней (GPi) частей. GPi – одно из главных выходных ядер БГ, и оно проецируется через различные ядра таламуса на большую часть коры лобной доли. Такое строение означает, что БГ являются частью широкораспространенной петли – таламо-стрио-фронтальной системы, которая связывает всю кору мозга с фронтальной долей. Gpi имеет и нисходящий выход на ствол мозга. Таким образом, БГ модулируют активность лобной доли и активность мозгового ствола. Striatum можно разделить на 3 основные части: (а) скорлупа, (б) хвостатое ядро, (в) вентральный striatum. Это разделение приблизительно соответствует распределению функций таламо-стрио-фронтальной системы: (a)(сенсо) моторный круг из putamen с выходом на первичную моторную кору и дополнительную моторную область (SMA) и премоторную кору; (б) ассоциативный круг хвостатого ядра с выходом в префронтальную кору и (в) лимбический круг вентрального стриатума с выходом к передней поясной коре и медиальной префронтальной коре (De Long, 2000).
Вентральный стриатум получает волокна из лимбических структур – миндалины и гиппокампа. Стриатум проецируется на бледный шар прямо и через субталамические ядра. Все проекции из стриатума, GPe и GPi тормозные, тогда как проекции из коры, субталамических ядер и таламуса – возбуждающие. GPi тонически активен, и в связи с этим подавляет корковую активность. Уравновешивая друг друга, эти пути модулируют корковую активность. Mink and Thach (1993) представили модель, где непрямой путь обеспечивает диффузное фоновое подавление поведенческих импульсов, в то время как прямой путь дает фокусированную активацию желательных поведенческих программ. В этой модели БГ играют важную роль в подавлении потенциально конкурирующих моторных программ, облегчая сильнейший корковый сигнал и подавляя остальные.
Таким образом, экспериментально подтверждено, что стриатум и паллидум вместе с черной субстанцией и субталамическими ядрами включены в несколько корково-подкорковых цепей, осуществляющих моторный контроль; что двигательные нарушения связаны с дисфункцией БГ и, что последние вовлечены в облегчение желательных и подавление конкурирующих моторных программ. Дисфункция БГ при двигательных нарушениях проявляется в увеличении числа непроизвольных движений (НД). Наблюдения за заикающимися во время речи и молчания показали, что количество непроизвольных непродуктивных движений у них гораздо больше, чем у представителей общей популяции.
Поскольку основным звеном патогенеза заикания является нарушения моторных аспектов речи, то у них должно быть нарушено взаимоотношение между произвольной и непроизвольной моторной активностью. Для выявления наличия и характеристик непроизвольных движений у заикающихся и для подтверждения гипотезы о том, что эти движения могут быть связаны с двигательными нарушениями вследствие дисфункции базальных ганглиев, было проведено настоящее исследование.
Методика. Для определения количества и характеристик НД 10 заикающихся и 10 здоровых детей обоего пола, сидя на стуле в произвольной позе, а) молча слушали сказку в течение 3 минут и б) рассказывали знакомый текст в течение 3 минут. Во время речи регистрировалось количество проявлений заикания, во время речи и молчания – наличие, количество НД и их особенности.
Результаты. Во время молчания дети контрольной группы демонстрировали минимальное число движений, которые были связаны с изменением положения тела во время сидения на стуле. При пересказе количество движений в контрольной группе увеличилось главным образом за счет жестикулирования. Во время молчания у 10 из 10 заикающихся детей регистрировались простые непроизвольные непродуктивные движения и иногда простые моторные тики. У 5 детей эти движения не прекращались во время молчания, 5 двигались с равномерными паузами. Движения заикающихся были непродуктивными, бесцельными, иногда персеверативными, иногда - очевидно болезненными выкручиваниями собственных пальцев, рук, ушей. В движения были вовлечены мышцы пальцев, рук, головы, шеи, туловища и ног. Порядок перечисления соответствует степени вовлечения данных групп мышц в патологическую двигательную активность. При этом количество НД было больше, чем у представителей контрольной группы (33 vs 5, p<0.001).
Во время речи у заикающихся проявлялись как простые движения, так и простые и сложные моторные тики. Количество НД у каждого пациента зависело от тяжести заболевания, и было больше, чем у представителей контрольной группы (61 vs 31, p<0.05). В группе заикающихся было представлено большее количество простых и сложных непроизвольных движений, к тому же у заикающихся, по сравнению с детьми из контрольной группы, присутствовали моторные и вокальные тики, равно как и непроизвольные насильственные движения. Тики и насильственные движения наблюдались на мышцах век, щек, губ, голосовых связок, шеи, груди, плеч и рук.
У заикающихся, в отличие от представителей контрольной группы, было представлено больше непроизвольных движений, как во время молчания, так и во время речи. Характер непроизвольных движений менялся в зависимости от ситуации. Только у заикающихся наблюдались моторные и вокальные тики, больше проявляющиеся при пересказе.
Обсуждение. Речь заикающегося складывается из произвольных движений и непроизвольных подергиваний и спазмов мышц, участвующих в речи. Фактически мышечные подергивания – это множественные моторные тики. Картина дополняется подергиваниями глаз, щек, губ, а иногда мышц шеи и груди. По нашим наблюдениям, у здорового ребенка в спокойной обстановке непроизвольная двигательная активность не проявляется. При повышении уровня возбуждения, при умственной нагрузке в положении покоя здоровый ребенок демонстрирует некоторое количество непроизвольных движений, но никакое перевозбуждение или нагрузка не могут привести к тикам и насильственным движениям. Для возникновения последних необходимым условием является неврологическая база в виде предшествующего гипоксического/асфиксического, травматического или токсического поражения ЦНС.
Заикающиеся, как группа, состоят из детей, переживших перинатальную асфиксию или получивших большую дозу антибиотиков в первые 2-3 года жизни, то есть вероятность поражения базальных ганглиев при асфиксическом поражении мозга весьма высока. Alm (2004) предполагает, что ключевая дисфункция при заикании – это нарушение способности базальных ганглиев продуцировать временные сигналы-метки для инициации следующего моторного сегмента в речи при заикании. Хорошо известно, что при наличии внешних меток (сопряженная речь, пение, декламирование стихов) в речи больных отсутствуют признаки заикания. Более того, некоторое время после этих видов речи больные могут ощущать улучшение в речи. Адаптационный эффект основан на улучшении способности базальных ганглиев продуцировать временные метки после соответствующей практики.
Исследования на обезьянах показали, что нейроны различных частей бледного шара сигнализируют перед началом и концом каждого движения в условиях хорошо знакомого и предсказуемого двигательного акта. Предполагается, что эти сигналы являются внутренними сигналами-метками, которые генерируются базальными ганглиями для маркирования – обозначения конца каждого компонента двигательной последовательности. Этот сигнал должен выполнять триггерную функцию для дополнительной моторной зоны для обеспечения перехода к следующему этапу двигательной последовательности. (Mushiake & Strick, 1995). В соответствии с этой моделью первый сегмент двигательной последовательности инициируется структурами, расположенными вне базальных ганглиев (например, моторной корой). Затем БГ обеспечивают сигналы-метки для инициации дальнейших сегментов моторной последовательности.
Marsden and Obeso (1994) предположили модель, при которой некоторые нейроны GPi увеличивают свою активность для того, чтобы подавить нежелательную активность дополнительной моторной зоны, тогда как другие нейроны GPi снижают свою активность для того, чтобы облегчить реализацию желаемого моторного действия. Эта же модель объясняет механизм двигательной патологии, при которой нарушенная генерация временных сигналов может привести к реализации дисфункциональной двигательной активности и отсутствию желаемой двигательной активности. Поражение БГ при асфиксии новорожденного может вызвать нарушение способности генерирования сигналов-меток для координации простых и сложных движений. Моторная недостаточность при заикании затрагивает не только мышцы, участвующие в речи, но и мышцы лица, рук, шеи, груди и туловища. Вероятно, что заикание и тики могут иметь общую патофизиологию и отражают дисфункцию базальных ганглиев.
Заключение. Заикание связано с наличием НД, которые выступают преимущественно в виде простых и сложных моторных тиков. Эта связь означает, что заикание и тики могут иметь общую патофизиологию и свидетельствует в пользу теории о том, что вместе с тиками заикание отражает дисфункцию базальных ганглиев или их непосредственных связей областями коры, осуществляющими речь и моторный контроль.
Литература: