Гистогенез коры головного мозга

Введение

Передний мозг — самый  крупный и развитый отдел головного  мозга. Он представлен большими полушариями  и мозолистым телом.

Кора больших полушарий  головного мозга

— структура головного  мозга, слой серого вещества толщиной 1,3—4,5 мм, расположенный по периферии полушарий большого мозга, и покрывающий их.

Кора больших полушарий  имеет извилины и борозды, которые  значительно увеличивают ее поверхность. Три самые глубокие борозды делят  каждое полушарие на четыре доли: лобную, теменную, височную и затылочную. Клетки коры трех разных видов и функций размещены неравномерно в разных ее участках, благодаря чему образуются так называемые зоны (поля) коры.

· Лобная доля – двигательная зона (регуляция произвольных мышечных движений);

· Затылочная – находится  зрительная зона (воспринимает и анализирует зрительные раздражения);

· Височная – находится  слуховая зона, обонятельная и вкусовая (воспринимает и анализирует слуховые и др. раздражения);

· Теменная доля – температура, давление (воспринимает и анализирует  кожно-мышечные раздражения).

Самые глубокие борозды  – центральные – отделяют лобные доли от теменных и боковые, которые  ограничивают височные доли от стальных. В кору больших полушарий головного  мозга поступает информация от большого количества разнообразных рецепторов, способных улавливать самые незначительные изменения во внешней и внутренней среде.

Левое полушарие –  имеет более тонкое нейронное  строение, большее богатство взаимосвязей нейронов, лучшие условия кровоснабжения. Специализировано на тонком сенсорномоторном контроле за движениями рук. Отвечает за регуляцию речевой деятельности, устной речи, письма, счета и логического мышления. Характерны аналитические процессы, последовательная обработка информации.

Правое полушарие –  участвует в распознавании зрительных, музыкальных образов, формы и структуры предметов, в сознательной ориентации в пространстве.

В коре замыкаются условно-рефлекторные связи, поэтому она является органом  приобретения и накопления жизненного опыта и приспособления организма  к постоянно меняющимся условиям внешней среды.

Таким образом, кора больших  полушарий переднего мозга —  это высший отдел ЦНС, регулирующий и координирующий работу всех органов. Он является также материальной основой  психической деятельности человека.

Гистогенез  коры головного мозга

Процесс пренатального  развития коры протекает по-разному  в старых и новых ее областях. В настоящее время достаточно точно известно, что старая кора в онтогенезе формируется раньше новой. Эти различия в сроках созревания выступают весьма отчетливо. Если, например, энторинальная область коры у человека созревает уже в первой половине пренатального онтогенеза, то лимбическая кора только к 6 месяцам. У человека цитоархитектоническая дифференцировка гиппокампа происходит к 2—4 годам, а лимбической коры только к 4—7 годам. В ходе эмбрионального развития из клеточных элементов стенки передних мозговых пузырей формируются популяции клеток, из которых образуются дефинитивные нейроны и различные типы глиальных клеток. В процессе гистогенеза принято различать фазу пролиферации клеток и фазу их миграции.

Фаза пролиферации. Считается, что  эта фаза в развивающемся мозге  кошки наступает через 12—14 дней после оплодотворения. Нейроэпителиальные клетки, образующие стенку первичных  мозговых пузырей, интенсивно делятся, отчего стенка утолщается и приобретает псевдостратифицированный вид. Среди клеток в это время различают эпендимные, а также нейробласты и спонгиобласты. Только перед репликацией базальные части клеток отделяются от основания мембраны. Образовавшиеся в результате деления клетки остаются в близком контакте друг с другом. Внутри такого первичного комплекса клеток могут возникать специфические и отличимые от других клеточных объединений взаимодействия. Эпендимные клетки образуют слой клеток, выстилающий внутреннюю поверхность мозговых пузырей. Из нейробластов формируются пирамидные и непирамидные типы клеток коры головного мозга. Спонгиобласты дают начало клеткам макроглии и олигодендроглии. Макроглиальные клетки в свою очередь дифференцируются в астроциты плазматического и фибриллярного типов.

Фаза миграции. В решении сложных  и малоисследованных вопросов нейрогенеза  различных структур ЦНС важную роль сыграл метод авторадиографии, с  помощью которого сначала на эмбрионах  мышей, а позднее на крысах было показано, что слои мозговой коры образуются в результате последовательной миграции клеток из эпендимального клеточного слоя, окаймляющего латеральные желудочки. Во всех полях неокортекса клетки, мигрирующие в более позднее время, занимают в коре более поверхностное положение, чем первично мигрирующие клетки. Исключением из этого правила является I слой, который появляется на ранних стадиях дифференцировки стенки переднего мозгового пузыря в виде краевой зоны Гисса и по своему развитию отличается от всех остальных слоев.

Первоначально мигрировавшие нейробласты  беспорядочно располагаются внутри кортикальной пластинки, но в результате дальнейшей дифференцировки занимают упорядоченное положение и верхушечные  дендриты будущих пирамидных нейронов оказываются ориентированными в вертикальном положении. Верхушечная часть апикальных дендритов обильно ветвится в маргинальном слое коры. По ходу дендритов в это время можно заметить образование большого числа мелких варикозностей, из которых затем образуются шипики либо мелкие ветви дендритов.

Относительно последовательности развития базальных дендритов пирамидных клеток мнения исследователей расходятся. Одни из них считают, что последовательность развития пирамидных клеток независимо от слоя коры, в котором они развиваются, одна и та же, а именно развитие апикальных дендритов опережает базальные. Другие утверждают, что у пирамидных клеток поверхностных слоев сначала развиваются апикальные дендриты, а затем базальные; у пирамид глубоких слоев развитие базальных дендритов опережает апикальные. У звездчатых клеток развиваются сначала аксоны и позднее дендриты.

Клетки VI слоя занимают упорядоченное  положение раньше, чем клетки других слоев. Затем этот процесс последовательно  прослеживается для V, IV, III и II слоев. Однако созревать отдельные виды клеток в слоях могут одновременно. К моменту рождения человека VI и V слои имеют вполне сформированный вид, в то время как во II—IV слоях еще происходит миграция клеток и только через 7—10 дней после рождения они приобретают дефинитивное строение.

В I слое дифференцируются немногочисленные клетки Кахаля— Ретциуса. При изучении формирования межнейронных связей развивающейся  коры было отмечено, что афферентные  волокна прорастают в кору гораздо  раньше эфферентных волокон, покидающих ее. Это дало основания для предположения о формообразовательной роли афферентов в гистогенезе коры.

К 45-му дню эмбрионального развития поверхность мозга у кошек  лишена борозд. На микроскопических препаратах хорошо наблюдается I слой, много мигрирующих  клеток, особенно в глубоких слоях. Неделю спустя на препаратах отчетливо наблюдаются V и VI слои. К 58-му дню пренатального развития появляется крестовидная борозда, а на поперечных срезах коры становится возможным различать IV слой. У новорожденного котенка все слои коры полностью сформированы. Вид большинства ветвящихся аксонов сходен с афферентами у взрослых животных. У 5-месячного зародыша человека в корковой пластинке различаются 4 слоя: эпендимальный, интермедиальный, примордиальный и I слой. От эпендимных клеток до мягкой мозговой оболочки в вертикальном направлении тянутся многочисленные глиальные волокна. В мягкой мозговой оболочке они заканчиваются характерными расширениями. В эпендимной зоне наблюдаются сходного размера и формы мелкие округлые клетки. Они располагаются в 2—3 нечетко выраженных слоях. В интермедиальной зоне ясно выделяются 2 слоя горизонтальных пучков нервных волокон: наружный (по отношению к эпендиме) и внутренний.

Роль афферентации в становлении структуры и функции коры головного мозга.

Выявление роли афферентации в созревании коры имеет исключительно важное значение для понимания механизмов развития нервной системы и, следовательно, для управления этим процессом. К сожалению, несмотря на большое число работ, посвященных изучению проблемы, в ней гораздо больше неясных, чем выясненных вопросов. По представлению одних исследователей, развитие коры генетически запрограммировано и оно не изменяется или изменяется незначительно при изменении ее афферентации. Согласно мнению других исследователей, деафферентация развивающихся нейронов отрицательно влияет на их рост и развитие. Считается также, что дифференцировка и созревание нервных элементов связаны с моментом «прибытия» афферентов в кору. Действительно в период миграции в неокортексе обнаружены волоконные структуры, но источник их происхождения точно не установлен. По мнению Марин-Падил-ла, развитие неокортекса у кошки начинается с подрастания первых кортикопетальных аксонов к 25-му дню эмбриального периода. Примитивные клетки мигрируют в этот же район и образуют плексиморфный слой. Они накапливаются в центральном районе этого слоя и формируют кортикальную пластину, которая разделяет начальный плексиморфный слой на 3 части. Верхняя из этих частей в процессе эмбрионального развития формирует I слой коры, нижняя — VI, средняя — II—V слои. В период от 25-го до 45-го дня эмбриогенеза аксоны клеток I слоя (клетки Кахаля-Ретциуса) образуют синаптические контакты с клетками Мартинотти в VI слое, и наоборот. Примерно к 45-му дню развития в кору входит вторая группа волокон, совпадая по времени с началом созревания пирамидных клеток V кортикального слоя, которые к этому времени имеют апикальные и базальные дендриты, а коллатерали их аксонов входят в белое вещество. В отличие от пирамид V слоя клетки III и IV слоев представлены недифференцированными биполярными клетками. Все еще находятся в состоянии миграции клетки II слоя. Перед самым рождением котенка третья группа волокон подрастает к верхней части кортикальной пластины и стимулирует развитие клеток III слоя. II и III слои к рождению не имеют колончатой структуры, их клетки имеют овальную форму и идентифицируются как пирамидные только на 10-й день жизни. Аксоны этих клеток только начинают развиваться, но уже имеют апикальные дендриты, а большинство из них и тонкие базальные дендриты.

Появление в коре таламических волокон  задерживает миграцию нейронов и  способствует процессу стратификации  коры. Так, нейроны сенсомоторной  коры остаются незрелыми до формирования таламических входов, а подрастающие афферентные волокна способствуют развитию клеток и их отростков. Последнее определяет развитие поперечника коры и ее слоев. Сравнительное изучение изменения поперечника сенсомоторной и теменной коры показало, что первая к двум неделям жизни становится дефинитивной по ширине в отличие от теменной, которая достигает окончательных размеров только к месячному возрасту котенка. При этом если увеличение поперечника сенсомоторной коры происходит в основном за счет разрастания IV и V слоев, то в теменной прогрессивно увеличивается II слой. Авторы исследования полагают, что эти различия определяются   функциональными особенностями исследуемых структур.

Электрофизиологическое исследование с помощью послойного отведения  вызванных потенциалов (ВП) в поле 7 теменной коры на раздражение заднелатерального ядра (LP) таламуса позволило проследить этапы функционального включения различных ее слоев в процесс приема афферентной импульсации в зависимости от последовательности их морфологического созревания. Показано, что у 3-дневного котенка негативный ВП не меняет своего знака при послойной регистрации, к недельному возрасту отмечается значительное увеличение амплитуды негативного компонента и его инверсия на уровне V и VI слоев. К этому возрасту ширина V и VI слоев коры соответствует таковой у взрослых животных. При послойном анализе ВП 2—3-недельных котят фокус инверсии сдвигается к границе между II и III слоями. Только к 30-дневному возрасту, когда средние слои коры (II и III) становятся дефинитивными по ширине, увеличиваясь вдвое по сравнению с новорожденными животными, общий поперечник коры достигает окончательной величины. Изменения компонентов ВП при послойном отведении становятся аналогичными таковым у взрослых животных. Поверхностная позитивность инвертируется на уровне III и IV слоев, а поверхностная негативность — на границе II и III слоев. Полученные результаты показывают, что в период раннего постнатального онтогенеза параллельно с усложнением морфологической структуры теменной ассоциативной коры происходят изменения фазной конструкции ВП при послойном отведении, связанные, по-видимому, с последовательностью дифференцировки ее слоев.

Напротив, показано, что  в коре мозжечка миелиновые волокна  появляются уже после дифференцировки  клеток Пуркинье. Сходные отношения  показаны в зрительной коре. Эти факты ставят под сомнение предположения о значительном влиянии афферентации на дифференцировку нейронов и цитоархитектонику иннервируемого центра. Вместе с тем факт более поздней дифференцировки внутренних слоев коры как будто бы противоречит этому утверждению. Нейроны II—IV слоев развиваются позже, так как их аксоны, формирующие до 70% межнейронных синапсов в коре, прорастают поздно.

Остается нерешенным вопрос и о том, какому из полюсов  синапса отдать предпочтение в формообразовании функционального соединения. Больше весомости, по-видимому, имеет точка  зрения об индуцирующем влиянии пресинапса на постсинапс. Хорошо подтверждают это предположение опыты с посттравматической регенерацией пресинаптических аксонов. Прослеживая в динамике восстановление контактов между нейронами, удается четко наблюдать сначала образование неидентифицированных контактов между конусами роста регенерирующих аксонов и периферическими нейронами, затем увеличение числа синаптических везикул в окончании аксона и только после этого появление дифференцировок в постсинапсе. Следовательно, под влиянием тренировки и постоянного выброса медиатора формируется воспринимающая часть синапса.

Синаптогенез в коре головного мозга. Важнейшим моментом в развитии клеток является образование  связей между ними. В настоящее  время накоплено значительное количество данных, свидетельствующих о многообразии форм и размеров синапсов в центральной нервной системе, и прослежена динамика их развития в пре- и постнатальном онтогенезе и культуре ткани. Образование первых синаптических контактов начинается, когда клеточные слои коры еще не сформированы и продолжается миграция клеток в поверхностные слои коры. Сначала восходящие из белого вещества волокна формируют синаптические контакты на клетках поверхностного и глубоких слоев, клетки которых устанавливают взаимные связи. Затем клетки средних слоев коры, мигрируя через слои уже сформированных клеток, вплетают в них свои аксоны и устанавливают синаптические контакты, а тело клетки продолжает свою миграцию после установления синаптического контакта и тянет за собой растущий аксон. И, наконец, образование синаптических контактов между близлежащими клетками определяется в основном их химическим сродством.

Электронно-микроскопическое изучение развивающейся зрительной коры крысы позволило выявить  первые синаптические контакты на 16-й  день пренатального онтогенеза. Они были найдены в краевой и пограничной зонах (между корковой пластинкой и промежуточной зоной). Эти синапсы всегда относились к аксодендритическому типу и локализовались на горизонтальных стволах крупных дендритов. В нресинапсах первых оформившихся синапсов мало синаптических пузырьков и слабо выражены плотные выступы. Постсинаптическая полоска электронно-плотного вещества имеет вид тонкого слабо осмиофильного тяжа. Такие незрелые синапсы обнаруживаются во всех слоях коры головного мозга. На 17-й день пренатального развития крысы обнаружены синапсы в I слое. В глубоких слоях коры синапсы появляются не раньше 18—19-го дня. Все они построены по симметричному плану. Сразу после рождения значительно увеличивается количество асимметричных синапсов. Через 2 дня после рождения в I слое 23%, а в VI слое 20% симметричных синапсов. На 4-й день симметричные синапсы встречаются во всех слоях, а количество их к 14-му дню значительно больше, чем у взрослых. В ходе синаптогенеза прослеживается отчетливая послойная последовательность: сначала I слой, затем VI и позже II—V слои.

Плотность синапсов прогрессивно увеличивается. Процесс этот носит  фазный характер: от 17-го до 20-го дня  эмбриогенеза он протекает сравнительно медленно, а после рождения резко  возрастает. Синапсы после рождения обнаруживаются также и на вертикально ориентированных дендритах, и не только на их стволах, но и на тонких ветвях, и на шипиках дендритов. Значительно увеличивается число аксосоматических синапсов. На 4-й день после рождения плотность синапсов в нижних слоях не только не увеличивалась, но даже уменьшалась, что, по-видимому, свидетельствует о значительной перестройке ранее образовавшихся межнейронных связей. На 8-й день наблюдается новое значительное нарастание плотности синапсов на корковых нейронах. Постепенно уменьшается различие в плотности синапсов по слоям коры, и к месяцу после рождения все параметры достигают дефинитивных характеристик.

Анализ формирования синапсов в коре свидетельствует  о гетерохронии становления межнейронных связей по слоям коры. На стадии 17 дней пренатального развития в коре крысы наблюдались «свободные» постсинаптические уплотнения электронно-плотного вещества непосредственно возле поверхностных мембран дендритов. Возможно, что именно к этим местам подрастали окончания афферентных аксонов. Пресинаптический полюс у таких асимметричных контактов формировался только после его прикрепления к постсинаптическому.

При изучении ультраструктуры  сенсомоторной и зрительной коры на плодах кошек выявлено, что первые межнейронные контакты, характеризующиеся симметричным уплотнением контактирующих мембран (десмосомы), выявляются за 3 недели до рождения, что по времени совпадает с появлением электрических реакций на афферентные раздражения. В этот период обнаружены как аксодендритные синапсы, так и дендро-дендритные межнейронные контакты.

Электронно-микроскопическое   исследование сенсомоторной коры котят 1-го месяца жизни, проведенное Г. А. Толченовой, показало увеличение количества синаптических контактов в первую очередь в I и V слоях коры. Эти контакты в основном представлены аксодендритическими синапсами, менее дифференцированными, чем у взрослых кошек. Синаптические образования III слоя сенсомоторной коры у 3-дневного котенка отличаются незрелостью: много контактов десмосомного типа, в созревающих синапсах наблюдается большой разброс размеров и формы синаптических везикул. К 4—5-дневному возрасту количество синапсов прогрессивно увеличивается, но большинство из них обладает признаками незрелости, заключающимися в малом числе синаптических везикул, их диффузном распределении в пределах пресинаптической мембраны и в отсутствии постсинаптических уплотнений. Часто между дендритами и телами соседних клеток отмечаются контакты большой протяженности без элементов, указывающих на синаптическую дифференцировку.

Отличительной особенностью незрелой коры является наличие касательных контактов между растущими аксонами и дендритами и существование шипикоподобных выростов на телах пирамидных клеток, которые, вероятно, могут играть существенную роль во взаимодействии клеток на ранних стадиях развития коры. Поскольку после рождения резко увеличивается число асимметричных синапсов по сравнению с симметричными, высказано предположение о незрелом характере синапсов I типа и о постепенном их превращении в синапсы II типа. Вследствие бурного образования аксопшпиковых синапсов, формируемых главным образом аксонами локальных внутрикорковых нейронов, сразу же после рождения исчезают различия в плотности синапсов по слоям. Вполне возможно, что тип образующихся синапсов определяется постси-наптической дифференцировкой: в тех случаях, когда постсинаптическое окончание подрастает к той части дендрита, которая имеет «свободный постсинапс», образуется синапс I типа (асимметричный); если же пресинаптическое окончание устанавливает контакт с недифференцированной зоной — формируется синапс II тина (симметричный). Если справедлива везикулярная гипотеза о морфофункциональной дифференциации разных типов синапсов, то превращение синапсов II типа (тормозные) в синапсы I типа (возбуждающие) совершенно непонятно и не подтверждается физиологическими данными, которые должны были бы засвидетельствовать значительное превалирование процессов торможения над возбуждением до рождения и противоположное проявление функций после рождения. Современные представления о работе коры головного мозга в раннем онтогенезе скорее свидетельствуют об обратном.

По мере накопления сведения о тонком строении нервной системы  на разных стадиях прэ- и постнатального развития становятся все более явственными те значительные изменения, которые претерпевают нейроны и особенно связи между ними. Диффузные, нечетко выраженные межнейронные связи перестраиваются и становятся специализированными. Дегенерация тел нейронов, их дендритов и аксонов в позднем пренатальном периоде чрезвычайно распространена. В больших масштабах ликвидируются «избыточные» и «лишние» связи и «запасные» нейроны. На ранних этапах развития могут устанавливаться и беспорядочные связи, закрепление которых происходит избирательно. Синапсы, не приобретающие функционального и приспособительного значения, подвергаются атрофии и дегенерации. Так, например, было показано, что в течение раннего постнатального периода происходит изменение распределения проекций некоторых клеток. При этом кортикальные нейроны теряют свои временные отростки аксона, параллельно развивая коллатерали к их окончательной мишени. К сожалению, сведения о перестройках нервной системы в раннем онтогенезе все еще носят характер казуистических, а предположения о значении этого феномена остаются на уровне догадок. Без сомнения, дальнейшие планомерные изучения процессов дегенерации и наверняка сопутствующих процессов регенерации (так называемый спраутинг) будут способствовать пониманию механизмов морфогенеза нервной системы.

В морфологических и физиологических  исследованиях последнего времени сообщается о существовании «обратных» связей между нервными центрами. Таким образом, вышележащий центр может принимать участие в конструкции синаптических комплексов, с помощью которых возможно ограничение либо, наоборот, облегчение потока сенсорной информации.

Стало также очевидным, что межнейронные отношения в иерархии восходящего  пути не сводится к простым релейным. В переключательных центрах найдены  вставочные нейроны, с помощью которых  осуществляются возвратное пре- или  постсинаптнческое торможение и модуляция афферентного потока импульсов через нервный центр. Для морфологического изучения афферентации объектов в настоящее время успешно используется пероксидазный метод. Изучение межнейронных отношений в релейных образованиях и «обратных» связей осуществляется с помощью комплекса методов, включающих световую и электронную микроскопию, гистохимию и метод дегенерации. Оно только начато и, по-видимому, станет важной задачей ближайшего будущего. В настоящее время отсутствуют сведения о становлении в онтогенезе центрифугальных связей и о синаптических комплексах. Корково-таламические пути развиваются очень рано в пренатальном онтогенезе. Так, у кошки уже к 45-му дню пренатального развития отмечены пути к таламическим ядрам (LP, CGL), к четверохолмию (CS) и даже к ядрам моста. Внутрикорковые межнейронные связи развиваются значительно позже, и только к моменту рождения и даже спустя некоторое время после рождения они достигают дефинитивного состояния. Указанные данные свидетельствуют о том, что все основные афферентные и эфферентные корковые пути формируются задолго до рождения, но окончательный вид схема связей приобретает спустя некоторое время после рождения. У разных животных сроки формирования дефинитивных межнейронных отношений широко варьируют и, к сожалению, еще очень мало изучены. Проросшие таламические волокна образуют в коре первичные синаптические контакты. Процесс этот прогрессирует. В коре последовательно увеличивается количество афферентов, которые формируют все новые синапсы. Усложнение схемы связей обусловлено ее перестройкой, в основе которой лежит дегенерация первичных контактов. 

Возрастные  особенности развития коры головного  мозга.

К моменту рождения ребенка  кора имеет то же многослойное строение, что и у взрослых. Однако ширина корковых слоев и подслоев значительно увеличивается с возрастом. Наиболее существенные изменения претерпевает цито- и фиброархитектоника коры. В период новорожденности нейроны отличаются небольшими размерами, слабым развитием дендритов и аксонов. Модульная организация нейронов представлена вертикальными колонками. В течение первых лет жизни происходит интенсивная дифференциация клеточных элементов, типизация нейронов, увеличиваются их размеры, развиваются дендритные и аксонные ветвления, расширяется система вертикальных связей в ансамблях нейронов. К 5-6 гг. усложняется система дендритных связей по горизонтали, возрастает полиморфизм нейронов, отражающий их специализацию. К 9-10 гг. пирамидные нейроны достигают наибольших размеров, увеличивается ширина клеточных группировок. К 12-14 гг. все типы интернейронов достигают высокого уровня дифференцировки, усложняются внутри- и межансамблевые связи по горизонтали. В филогенетически наиболее новых областях коры (лобных) усложнение ансамблевой организации нейронного аппарата и межансамблевых связей прослеживается до 18-20-летнего возраста. Развитие нейронного аппарата, его ансамблевой организации и межансамблевых связей обеспечивает формирование с возрастом системной организации высших нервных функций, психики и поведенческих реакций.