Решение одной из фундаментальных проблем нейробиологии

Вестник СПбГУ, серия биология, №3, с. 108-116, 2007 г.
РАЗВИТИЕ ВИСОЧНОЙ ОБЛАСТИ КОРЫ МОЗГА ЧЕЛОВЕКА В СРЕДНИЙ И
ПОЗДНИЙ ПЕРИОДЫ ПРЕНАТАЛЬНОГО ОНТОГЕНЕЗА.
Краснощекова Е.И., Самарина А.С., Федосеева К.Н., Смолина Т.Ю.
Решение одной из фундаментальных проблем нейробиологии, связанной с
изучением структурно-функциональных предпосылок ранней предуготовленности
мозга человека к биосоциальным воздействиям, предполагает выработку критериев и
методов определения динамики развития неокортекса человека в пренатальный период.
Постнатальный онтогенез неокортекса человека изучен сравнительно полно и
результаты этих исследований указывают на гетерохронное созревание корковых
территорий различной функциональной направленности (Цехмистренко, 1990). В то же
время данные о развитии коры мозга человека в пренатальном онтогенезе, особенно в
среднем и позднем его периоде, крайне скупы, хотя именно этот период определяет
видовую специфику пренатального опыта плода и новорожденного (Батуев, Соколова,
1994). В последние годы при изучении онтогенеза неокортекса млекопитающих
пристальное внимание обращают на развитие и функцию субпластинки в его составе
(Kostovic, Rakic, 1990; Rakic, 2006). Обнаруженная в эмбриональной коре всех
млекопитающих, субпластинка, в зависимости от длительности периода гестации и
видовой специфичности, претерпевают более или менее полную, генетически
запрограммированную, редукцию (Luskin, Shatz, 1985; Shatz et all 1988, Reep, 2000).
Нейроны этой структуры устанавливают первую систему связей с таламусом, которая
отличается от зрелой отсутствием модальной специфичности, и откуда таламокортикальные волокна не поднимаются выше до полной элиминации субпластинки
(Allendoerfer, Shatz, 1994; Lopez-Bendito, Molnar, 2003). В последние годы повышенный
интерес к изучению субпластинки обусловлен следующим: у плодов и новорожденных,
перенесших гипоксию, генетически запрограммированный процесс гибели нейронов
субпластинки не происходит, следствием чего являются последующая аномалия
развития коры и в результате дефицит моторных, когнитивных функций, врожденные
неврологические заболевания (Sbarbati et al., 2004; Andres et al., 2005; Eastwood et al.,
2005; Cepeda et al.,2006). Несмотря на широкий интерес к данной проблеме, этапы
дифференцировки субпластинки в коре мозга человека практически не изучены, что во
многом объясняется тем, что ее нейроны лишены нейрохимической специфичности
(Innocenti, Price, 2005; Rakic et al., 2006). В то же время, с учетом того, что присутствие
1
субпластинки в составе коры определяет важнейший критический период ее
становления, когда кора повышенно уязвима для экзогенных факторов, а плод
рождается жизнеспособным, необходимость четких критериев выделения этого
образования очевидна.
В связи со всем вышесказанным, задача данного исследования заключалась в
выработке критериев структурной зрелости функционально различающихся территорий
неокортекса по присутствию субпластинки в составе коры, на примере верхней
височной подобласти мозга человека, в течение среднего и позднего периодов гестации,
с
целью
выявления
последовательности
и
закономерности
онтогенетического
созревания корковых территорий, обеспечивающих адаптивное поведение плода и
младенца.
Материал и методы исследования.
Материалом исследования явились фронтальные срезы левой и правой верхней
височной подобласти мозга пятнадцати плодов человека обоих полов в возрасте от 16
до 40 недель гестации, всего 25 полушарий. При идентификации области исследования
руководствовались цитоархитектоническими картами Полякова (1937) и Блинкова
(1949) для мозга плодов человека разных сроков гестации. Исследовался мозг плодов,
которые,
по
предварительному
заключению
патологоанатома,
не
имели
неврологической патологии. Материал обрабатывали по методу Ниссля и Гольджи.
Иммуноцитохимическое
выявление
нейронов
проводилось
с
использованием
соответствующих антител к кальций-связывающим белкам. Гистологические срезы
оцифровывали на установке, включающей микроскоп Биолам И и цифровую камеру
Canon EOS 350 D. Полученные изображения обрабатывали с помощью свободно
доступной программы ImageJ и дополнений Dynamic Profile, Excel Writer, Jimmi File
Opener. Были изучены следующие морфометрические характеристики развивающейся
коры:
оптическая
расположения
плотность,
нейронов,
относительная
объемная
фракция
оптическая
нейронов
плотность,
и
глии
плотность
отдельных
цитоархитектонических слоев, общая ширина поперечника коры и отдельных слоев,
коэффициент вертикальной упорядоченности нейронов коры Org. По результатам
измерения оптической плотности слоев строили графики. Относительную оптическую
плотность измеряли для двух уровней коры – слоя eII (наружной каймы корковой
пластинки) и верхней зоны субпластинки, как разницу оптической плотности между
этими слоями и соседствующими с ними маргинальной зоной (слой eI), в первом
2
случае, и нижней зоной субпластинки, во втором. Статистическая обработка
результатов измерений проводилась с использованием критерия Стьюдента. Оценка
значимости достоверных различий определялась при р< 0,05.
Результаты исследования и их обсуждение.
У плодов в возрасте 16-18 недель исследованная кора верхней височной
подобласти цитоархитектонически подразделяется на маргинальную зону (слой eI),
корковую пластинку (ср) и субпластинку (sp). Корковая пластинка в этом возрасте не
разделяется на слои, что, по мнению Г.И. Полякова, характерно для стадии
консолидации (Поляков, 1937). В составе субпластинки отчетливо выделяется верхняя
зона (spu), которая выглядит как самостоятельный слой благодаря высокой плотности
составляющих ее клеток.
В период с 20 по 26 недели толщина коры возрастает от 1300 мкм до 1500 мкм,
при этом происходит первоначальная стратификация корковой пластинки. Ее
расслоение в это время характеризуется чередованием очень плотноклеточных и более
разреженных слоев.
Плотноклеточными и, следовательно, обладающими высокой
оптической плотностью являются: наружная кайма корковой пластинки – слой eII, слой
eIV и верхняя зона субпластинки - spu. Слои сравнительно редкоклеточные и с низкой
оптической плотностью это – слой eIII и недифференцированный комплекс слоев
eV+eVI (рис. 1а). В этом возрасте слои еII и еIII состоят из незрелых нейронов, которым
присущи типичные структурные особенности нейробластов - веретеновидное тело и
длинные отростки, которые отходят от апикального и базального полюсов клетки. Слой
eIV состоит из крупных, хорошо дифференцированных пирамидных нейронов,
комплекс слоев
eV+eVI содержит полиморфные клетки. В составе субпластинки
превалируют нейроны, которые характеризуют как интерстициальные – они имеют
горизонтально вытянутое тело и обильно ветвящиеся дендритами (рис.1б). Увеличение
толщины коры в этот период происходит, главным образом, за счет расширения и
одновременного снижения клеточной плотности слоев eIV – eVI, которые к концу 26
недели в сумме образуют больше 60% поперечника.
Начиная с 27-й недели гестации в височной коре, помимо продолжающегося ее
расширения, наблюдается постепенное снижение показателей клеточной плотности
слоя eII и субпластинки (spu). Последняя к 33-й недели развития мало отличается по
плотности клеток от вышележащего слоя eVI. К этому сроку цитоархитектоника и
нейронный состав эмбрионального слоя еIV претерпевают значительные изменения, в
3
его составе появляются типичные гранулярные элементы, а крупные пирамидные
нейроны, которые были характерны для этого уровня на более ранних сроках гестации,
входят в состав слоя V и подслоя IIIб, которые в это время очень крупноклеточны
(рис.2).
Рис.
1. Цитоархитектоника и
график
оптической
плотности (а), нейронный
состав (б) коры верхней
височной
подобласти
мозга 24 недельного плода
человека.
a – метод
Ниссля; б- метод Гольджи.
Mасштабная линейка –
100 мкм.
Обозначения:, eI-eVI слои
коры; spu- верхняя область
субпластинки.
Рис.2.
Схема
преобразования
цитоархитектонических слоев коры
верхней височной подобласти мозга
человека
при
переходе
эмбрионального к
от
дефинитивному
строению.
- нейробласты, S
Обозначения:
- пирамидные нейроны,
зернистые
-
-
клетки,
полиморфные
клетки,
-
µ
интерстициальные
нейроны
субпластинки,
–
eI—eVI
слои
эмбриональной коры, spu- верхняя
зона
субпластинки,
I-VI
слои
дефинитивной коры.
Одновременно толщина коры достигает
образом, за счет расширения слоев
1700 мкм, что происходит, главным
eII и eIII, при этом происходит изменение
4
соотношения верхнего «ассоциативного» и нижнего «эфферентного» этажей коры,
первый составляет больше 50% поперечника коры.
У плодов, начиная с 36 недели гестации, височная область становится структурно
неоднородной. На planum temporale удается определить границы полей 41 и 22, которые
по цитоархитектонике сходны с корой взрослого мозга.
Каудальная височно-
затылочная подобласть, представленная полем 37, отличается от зрелой коры и
характеризуется присутствием субпластинки, на что указывает высокая плотность
клеток в ее верхней зоне и в наружной кайме корковой пластинки.
Таким образом, исследование становления верхней височной подобласти
неокортекса в мозге плодов человека с 16 по 36 недели гестации позволило установить
следующее: по мере
развития организма происходит утолщение коры, при чем в
период с 16 по 26 недели преимущественно за счет нижних ее слоев, то есть
«эфферентного» комплекса, а с 27 по 36 недели – за счет верхних – «ассоциативного»
комплекса. В течение исследованного периода наблюдается переход эмбрионального
типа расслоения коры височной области к дефинитивному, характерному для зрелого
мозга, и дифференцировка верхней височной подобласти на первичное (41), вторичное
(22) и третичное
(37) цитоархитектонические поля. Для объективной оценки
онтогенетических преобразований коры был разработан количественный критерий
дифференцировки субпластинки в ее составе, а именно положительно коррелирующие
показатели изменения клеточной плотности слоя eII – наружной каймы корковой
пластинки и spu - верхней зоны субпластинки (рис3). Использование этого критерия
позволило
установить
первоначально
опережающую
дифференцировку
«эфферентного» комплекса коры, и сменяющее ее более позднее становление
«ассоциативного» комплекса. Созревание «эфферентного» комплекса происходит в
присутствии субпластинки и, по-видимому, незначительно зависит от ее состояния. С
другой стороны очевидна взаимообусловленность темпов созревания нейронов слоев II
и IV, основной составляющей «ассоциативного» комплекса коры, и процессов
элиминации субпластинки. Эти слои начинают дифференцироваться усиленным
темпом только после начала элиминации нейронов субпластинки и опережают
становление «эфферентного» комплекса начиная с 27 недели гестации (рис. 4).
Полученные
результаты
подтверждаются
недавними
литературными
данными,
согласно которым, как показано в модельных экспериментах на животных, созревание
тормозных интернейронов в слое IV зависит от клеток субпластинки, несостоявшаяся
5
Рис.3. Графики объемной фракции нейронов и глии, плотности клеток,
относительной оптической плотности в слоях eII и верхней области
субпластинки spu . 1- плотность клеток; 2-объемная фракция слоя eII; 3объемная фракция субпластинки spu; 4 – относительная оптическая
плотность.
Обозначения: eII – наружная кайма корковой пластинки, spu- верхняя
область субпластинки
Рис. 4. Ширина формаций препластинки (слои eI, I, spu) и корковой пластинки
(CP) в составе височной коры мозга плодов человека на разных сроках
гестации.
6
их элиминация изменяет нормальное становление тормозных процессов, оказывая
влияние на модульную организацию коры (Kanold, Shatz, 2006). В пределах верхней
височной подобласти, с помощью разработанного критерия, удалось также установить
более позднее созревание поля 37.
Развитие цитоархитектонических полей верхней височной подобласти на сроках
37-40 недель гестации оценивали, используя следующие показатели: процентное
соотношение
нейронов,
позитивных
к
двум
кальций-связывающим
белкам
(кальбиндину и парвальбумину) и вертикальную упорядоченность нейронов коры,
определяемую по величине коэффициента Org. На этом отрезке развития в границах
верхней височной подобласти можно дифференцировать: поле 41 – первичное
слуховое, поле 22 – вторичное слуховое, поле 37 – третичное ассоциативное, входящее
в состав зоны Вернике.
Иммуноцитохимические
методы
исследования,
широко
применяемые
в
нейроморфологами в последние годы, могут продемонстрировать новые параметры
структурно-функциональной организации коры. В частности показано, что так
называемые «ядерные», по фило- и онтогенезу более зрелые, таламокортикальные
отношения формируются нейронами иммунопозитивными к парвальбумину, а
«поддерживающие», менее зрелые, кальбиндинпозитивными клетками (Jones, 1998;
Jones, 2001). Нами обнаружено, что исследованные
поля гетероморфны по
распределению нейронов, иммунопозитивных к этим двум кальцийсвязывающим
белкам. Кальбиндинпозитивные нейроны наиболее массово представлены в поле 22,
клетки,
экспрессирующие
парвальбумин –
в поле 41,
в поле
37 удалось
идентифицировать оба типа нейронов (рис. 5).
Таким
образом,
полученные
данные
указывают
на
продолжающееся
гетерохронное развитие 41, 22, 37 полей верхней височной подобласти. О зрелости
первичного проекционного поля 41 можно судить по максимальному содержанию
парвальбумин-позитивных нейронов, что является косвенным свидетельством в пользу
того, что к концу плодного периода таламо-кортикальные проекции этого поля
организованы тонотопически и опосредуются принципальной частью медиального
коленчатого типа.
Превалирование кальбиндинпозитивных клеток во вторичном
слуховом поле подтверждает характерную особенность его связей с таламусом, которые
классифицируются как «поддерживающие». Присутствие
в поле 37 двух типов
нейронов можно расценить как свидетельство незрелости его основных
таламо7
кортикальных проекций, которые в зрелом мозге относятся к «ядерному» типу
(Альтман, 1990; Вартанян, 2003; Moore, Linthicum, 2006).
О гетерохронном становлении полей верхней височной подобласти на последних
неделях
гестации
свидетельствует
еще
один
показатель
–
вертикальная
упорядоченность нейронных комплексов коры. Согласно полученным данным величина
коэффициента Org для полей 41, 22 и 37 плодов человека в возрасте 38-40 недель
гестации, различается (рис. 6). В этот период максимальное значение коэффициента Org
характеризует поле 22, что является еще одним фактом, свидетельствующем об
опережающем развитии этой вторичной слуховой зоны. В то же время для поля 37
Рис. 5 Процентное соотношение кальбиндинпозитивных и
парвальбуминпозитивных нейронов в полях 22, 37 и 41
височной области коры мозга 37-40 недельных плодов
человека.
8
Рис.6 Коэффициент вертикальной исчерченности Org для полей 22, 41 и 37
височной областей коры мозга 38-40 недельных плодов человека.
Обозначения: ЛП – левое полушарие поля 37, ПП-правое полушарие
поля 37, *- обозначение достоверности различия показателя Org (p ‹ 0,05)
величина коэффициента Org минимальна, хотя во взрослом мозге самые высокие
значения этого показателя характерны для полей (в том числе и поля 37) речевой зоны
Вернике (Кесарев и др., 1977; Адрианов, 1999). Межполушарная асимметрия – хорошо
известный факт. Количественный показатель асимметрии коры мозга человека,
полученный при сравнительной оценке вертикальной упорядоченности нейронных
комплексов, достигает максимальных значений для речевых зон (Кесарев, Соколовская,
1976; Адрианов, 1999). В нашем исследовании межполушарная асимметрия,
оцениваемая по этому же показателю, выявлена только для поля 37, что
свидетельствует о том, что, несмотря на незрелость, ассоциативные поля еще до
рождения приобретают характерные структурно-функциональные особенности.
На основании результатов проведенного исследования можно сделать следующее
заключение: комплексное морфологическое, иммуноцитохимическое с применением
компьютерных
технологий,
исследование
особенностей
онтогенетических
преобразований коры конечного мозга, как основного структурного образования,
обеспечивающего реализацию интегративных процессов в центральной нервной
9
системе, позволило выработать четкие количественные и качественные критерии
поступательного развития коры. В период с 16 по 26 недели гестации структурнофункциональная организация височной области коры определяется доминированием
«эфферентного» комплекса коры и присутствием субпластинки, нейроны которой
опосредуют таламо-кортикальные влияния. В период с 27 по 36 недели гестации
происходит
постепенная
элиминация
нейронов
субпластинки
и
нарастающая
дифференцировка «ассоциативного» комплекса, который к концу периода доминирует
над
«эфферентным»,
одновременно
происходит
выделение
полей
разной
функциональной направленности – первичного (поле 41), вторичного (поле 22) и
третичного (поле 37). Начиная с 37 недели гестации и до окончания плодного периода
эти поля коры развиваются гетерохронно – структурно-функциональные признаки
опережающего развития характеризует вторичное поле 22, поле 41 в этот период еще не
достигает структурной зрелости, поле 37 обладает структурно-функциональными
особенностями эмбриональной коры, хотя оно единственное из полей височной области
демонстрирует признаки межполушарной асимметрии.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.
1. Адрианов О.С. О принципах структурно-функциональной организации мозга. /
Избранные научные труды. М., 1999, 250 с.
2. Альтман Я.А. Нарушения слуха при поражениях различных отделов слуховой
системы животных и человека. / В кн. «Слуховая система». Л., «Наука», 1990. C.120155.
3. (Батуев А.С., Соколова Л.В.) Batuev A.S., Sokolova L.V. A.A.Ukhtomskii’s Idees on the
Nature of Man. // Neuroscience and Behaviorsl Physiology. 1994. Vol. 24, N 2.P. 173–185.
4. Блинков С.M. Височная область./ В кн. «Цитоархитектоника коры большого мозга
человека». М., Медгиз, 1949. С. 344-380.
5. Вартанян И.А. Речевая система. / В кн. «Физиология сенсорных систем», СПб
«Паритет», 2003. С.297-315.
6. Кесарев В.С., Малофеева Л.И., Трыкова О.В. Структурная организация новой коры
мозга китообразных.// Архив анатомии, гистологии и эмбриологии. 1977. Т.56. №12.
С.23-30.
7. Кесарев
В.С.,
Соколовская
Н.Ю.
Информационная
оценка
некоторых
морфологических структур коры полушарий большого мозга человекa // Архив анат.,
10
гистол., эмбриол. 1976. Т. 55. №12. С.13-16.
8. Поляков Г.И. Ранний и средний онтогенез коры большого мозга человека. М.,1937.
67с.
9. Цехмистренко Т.А. Структурные преобразования коры большого мозга человека в
постнатальном
онтогенезе
//В
сб.
«Структурно-функциональная
организация
развивающегося мозга» Л., «Наука». 1990. С.8-44
10. Allendoerfer, K.L., and Shatz, C.J. The subplate, a transient neocortical structure: its role in
the development of connections between thalamus and cortex// Annu. Rev. Neurosci. 1994.
№17. P. 185–218.
11. Andres M., Veronique M. Andre V.M., Nguyen S. Human cortical dysplasia and epilepsy:
an ontogenetic hypothesis based on volumetric MRI and NeuN neuronal density and size
measurements// Cerebral Cortex. 2005. V. 15. № 2. P.194-210.
12. Cepeda C., Andreґ V.M., Levine M.S., Salamon N., Miyata H., Vinters H.V., Mathern G.W.
Epileptogenesis in pediatric cortical dysplasia: The dysmature cerebral developmental
hypothesis.// Epilepsy & Behavior. 2006. № 9. P. 219–235.
13. Eastwood S.L., Harrison P.J. Interstitial white matter neuron density in the dorsolateral
prefrontal cortex and parahippocampal gyrus in schizophrenia// Schizophrenia Research.
2005. V. 79. P.181– 188.
14. Innocenti G.M., Price D.J. Exuberance in the development of cortical networks.// Neurosci.
2005. V.6. P.955-965.
15. Jones E. G. Viewpoint: the core and matrix of thalamic organization// Neurosci. 1998. V.85.
P.238-261.
16. Jones E.G. The thalamic matrix and thalamocortical synchrony// TINS. 2001. V.24, P.595601.
17. Rakic P. A century of progress in corticoneurogenesis: from silver Impregnation to genetic
engineering. // Cerebral Cortex. 2006. V.16. P. 3-17.
18. Kanold P.O., Shatz C.J. Subplate neurons regulate maturation of cortical inhibition and
outcome of ocular dominance plasticity// Neuron. 2006. V.51.№7. P. 627–638.
19. Kostovic I., Rakic P. Developmental history of the transient subplate zone in the visual and
somatosensory cortex of the macaque monkey and human brain // J.Comp.Neurol. 1990. V.
297. №3. P.441-470.
20. Lopez-Bendito G., Molnar Z. Thalamocortical development: how we are going to get there
//Neurosci.2003.V.4. P.276-289.
11
21. Luskin M.L., Shatz C.J. Studies of the earliest generated cells of the cat’s visual cortex:
Cogeneration of subplate and marginal zones. //J. Neurosci. 1985. V. 5. P. 1062-1075.
22. Moore J.K., Linthicum F.H. Auditory system/ In
“The human nervous system”.
Els.Acad.Press. 2006. P.1241-1279.
23. Rakic S., Davis C., Molnar Z., Nikolic M., ParnavelasJ. Role of p35/Cdk5 in preplate
splitting in the developing cerebral cortex // Cerebral Cortex. 2006. V.16. P.35-45.
24. Reep R.L. Cortical layer VII and persistent subplate cells in mammalian brains.//Brain
Behav. Evol. 2000. V.56. №4. P.212-34.
25. Sbarbati A., Pizzini F.,Fabene P., Nicolato E., Marzola P., Calderan L., Simonati A., Longo
L., Osculati A., Beltramello A. Cerebral cortex three-dimensional profiling in human fetuses
by magnetic resonance imaging // J. Anat. 2004. V.204. P. 465–474.
26. Shatz C.J., Chun J. J. M., Luskin M.B The role of the subplate in the development of the
mammalian telencephalon. // Cerebral cortex, 1988, V.7, p. 35-58.
12