CC BY
72
ВОЗРАСТНАЯ МОРФОЛОГИЯ
КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ СООТНОШЕНИЯ НЕЙРО-ГЛИО-СОСУДИСТЫХ МИКРОСТРУКТУРНЫХ КОМПОНЕНТОВ ЛОБНОЙ КОРЫ БОЛЬШОГО МОЗГА У ДЕТЕЙ ОТ РОЖДЕНИЯ ДО 3 ЛЕТ
Т.А. Цехмистренко1 Российский университет дружбы народов, ФГНУ «Институт возрастной физиологии» Российской академии образования, Москва
С помощью гистологических методик, компьютерного анализа изображений и стереометрического метода в глазодвигательном поле 8 и речедвигательном поле 45 лобной области коры большого мозга человека (37 левых полушарий) от рождения до 3 лет в годовых интервалах изучали удельные объемы нейронов, волокон, глиоцитов и кровеносных сосудов. Показана гетерохронность и зональные отличия в формировании микроструктурных компонентов фронтальной коры в течение первого года жизни и на этапе раннего детства.
Ключевые слова: микроструктура фронтальной коры, ранний постнаталь-ный онтогенез, стереометрический метод
Quantitative correlation between neuronal, glial and vascular microstructural components of frontal cerebral cortex in children from birth to 3 years old. The article presents the study of specific volumes of neurons, fibers, glial components and blood vessels in sublayer III3 of 8 and 45 frontal areas in cerebral cortex (37 left hemispheres) in children from birth to 3 years old. Regional differences in the formation of microstructural components offrontal cortex within the first year of life and at the stage of the early childhood are shown.
Key words: microstructure of frontal cortex, early postnatal ontogenesis, stereometric method.
Известно, что разные поля коры больших полушарий существенно отличаются между собой не только особенностями цито-, фибро-, миело- и синапсоархитекто-ники, но также особенностями ансамблевой, или модульной, организации микро-структурных компонентов, складывающимися вследствие функциональной специализации тех или иных корковых зон [3].
Несмотря на существенные различия в понимании принципов построения модульных кластеров корковых нервных центров и отсутствие единой терминологии для их обозначения [13, 17], большинство современных исследователей согласно с тем, что нейронные ансамбли (корковые модули) в функциональном отношении должны обладать базовыми интегративными свойствами [5, 12]. В качестве структурных компонентов они включают не только нейроны и специализированные
Контакты: 1 Цехмистренко Т.А., E-mail: <[email protected]>
нейронные группировки, но и определенным образом организованные пучки денд-ритов и внутрикорковых волокон. Важными структурными компонентами нейрональных корковых ансамблей являются клетки нейроглии и внутрикорковые кровеносные сосуды. Гетероморфность структурной организации нейро-глио-сосуди-стых ансамблей на клеточно-популяционном уровне определяется разнообразием нейронных группировок по количеству, композиции, размерным параметрам и уровню дифференцировки нейронов разных типов в их составе, степенью развития внутрикорковых волокон, глиоцитов и сосудистого компонента в пределах ансамбля [6, 7].
В настоящее время представления о структурной организации внутрикорковых ансамблей корковых формаций мозга человека продолжает активно развиваться, но уже сейчас не вызывает сомнений тот факт, что изучение возрастных преобразований экранных структур мозга должно быть основано на объективных информативных параметрах, отражающих структурные изменения не только цито- и фиб-роархитектоники, но и основных компонентов нейронных ансамблей на разных этапах онтогенеза.
Исходя из вышеизложенного, задачей настоящего исследования было изучение количественных соотношений микроструктурных компонентов нейро-глио-сосу-дистых ансамблей в лобной коре большого мозга у детей от рождения до 3 лет с целью определения возможности применения данных параметров для оценки возрастных особенностей и регионарных различий в развитии функционально специализированных полей лобной области коры больших полушарий. Кроме того, была сделана попытка выявить, какие изменения исследованных компонентов являются ведущими маркерами постнатальных преобразований ансамблевой организации коры, а, следовательно, и совершенствования ее функциональных возможностей с возрастом.
ОРГАНИЗАЦИЯ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В соответствии с задачами работы были исследованы кусочки коры большого мозга, полученные из 37 больших полушарий (в основном, левых) от 34 трупов людей обоего пола в возрасте от рождения до 3 лет, погибших насильственной смертью без травм мозга. Кусочки вырезали в области глазодвигательного поля 8 и речедвигательного поля 45 (зона Брока).
Материал исследования был сгруппирован в годовых интервалах. Фиксацию мозга производили в 10 % нейтральном формалине с последующим обезвоживанием в спиртах восходящей концентрации. Парафиновые срезы толщиной 10 мкм изготовляли во фронтальной проекции и окрашивали крезиловым фиолетовым по Нисслю, а также импрегнировали нитратом серебра по Петерсу в модификации [4]. Часть материала в кусочках импрегнировали нитратом серебра по методу Г ольджи в модификации [2]. Серийные срезы с целлоидиновых блоков толщиной 100 мкм заключали в бальзам.
Компьютерный анализ оптических изображений препаратов проводился с применением программы Image-Tools (National Institutes of Health, USA). Объемные соотношения структурных элементов лобной области коры в различных возрастах определяли с помощью стереологического метода [9] в собственной модификации. Выявляли относительные удельные объемы (УО) нейронов, волокон, глиоцитов и
сосудов в III3 подслое коры при увеличении 15х40 (с иммерсией) при помощи встроенной в программу 4-хузловой оптической сетки со случайным шагом. Среднее число узлов (точек) морфометрической сетки, случайно попавших на исследуемые структуры, определяло среднюю долю их от общего объема органа (в %), хотя последний и не измерялся. Всего производилось по 850 измерений изучаемых структурных компонентов в каждом возрасте при достижении критерия надежности P=95 %. С целью унификации количественных данных, полученных с различных срезов, использовалась формула А. Аберкромби [1] для подсчета истинного числа микрообъектов с учетом толщины среза. Достоверность различий между средними величинами изучаемых параметров различных возрастных групп или разных корковых полей в одной возрастной группе определяли методами вариационной статистики с вычислением ошибки средней и доверительного интервала с уровнем значимости Р=95 % [10].
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Изучение объема нейронов и волокон в структуре ансамблеобразующего подслоя III3 позволило установить, что в поле 8 коры большого мозга новорожденных относительное содержание нейронов выше по сравнению с содержанием внутри-корковых волокон (р<0,05). УО нейронов и волокон составляют соответственно 31,5+2,4 % и 12,1+1,2 %. В этом поле, начиная со второго года жизни, различия в процентном содержании нейронов и волокон сглаживаются и становятся статистически недостоверными (рис. 1). К 2-3 годам относительное содержание нейронов снижается в 1,2-1,5 раза, в то время как аналогичный показатель волокон нарастает в 2,3-2,4 раза по сравнению с новорожденными (p<0,05). К 3 годам УО нейронов и волокон в коре составляет соответственно 25,6+1,2 % и 29,1+2,8 %.
В поле 45 у новорожденных соотношение нейронов и волокон примерно такое же, как в поле 8, их УО достигают соответственно 30,5+2,0 % и 10,2+2,0 %. К 2-3 годам УО нейронов снижается в 1,1-1,2 раза и к 3 годам составляет 24,8+2,0 %. Содержание волокон в поле 45 нарастает до конца 1 года в 2,0 раза и к 2-3 годам в 2,4-2,7 раза по сравнению с новорожденными. Однако, в отличие от поля 8, в поле 45 от рождения до 3 лет процентное содержание нейронов остается значимо более высоким по сравнению с относительным содержанием волокон. УО волокон в верхнем этаже коры меньше по сравнению с нейронами (p<0,05) и составляет 19,6+2,0 %.
Как следует из приведенных данных к 3 годам относительное содержание нейронов в подслое III3 полей 8 и 45 не имеет существенных различий. Запрограммированная гибель нейронов в этих топографически близких проекционно-ассоциативных полях, и, как было показано ранее [11], нарастание размеров нейронов в интегративно-пусковых полях 8 и 45 в период раннего детства идет сходным образом по темпам и срокам. Однако формирование волокнистого компонента верхнего ассоциативного этажа коры в глазодвигательном поле 8 от рождения до 3 лет происходит заметно интенсивнее по сравнению с речедвигательным и филогенетически более молодым полем 45. Это подтверждается тем, что уже к 2-3 годам в более зрелом поле 8 удельный объем волокон в 1,4-1,5 раза выше, чем в поле 45.
Возраст, лет
Удельный
объем, % Поле 45
Возраст, лет
Рис. 1. Изменение удельных объемов нейронов и волокон в III3 подслое полей 8 и 45 лобной области коры от рождения до 3 лет. Вертикальные отрезки - значения стандартной ошибки.
Возраст, лет
Удельный
объем, % Поле 45
Возраст, лет
Рис. 2. Изменение удельных объемов глиоцитов и кровеносных сосудов в III3 подслое полей 8 и 45 лобной области коры от рождения до 3 лет. Вертикальные отрезки - значения стандартной ошибки.
Изучение возрастных изменений внутрикоркового сосудистого компонента нейро-глио-сосудистых ансамблей в полях 8 и 45 лобной области коры большого мозга человека показало, что уже у новорожденных в коре выявляются отдельные нейрональные колонки, включающие глиальные и сосудистые элементы в составе нейро-глио-сосудистых ансамблей, организованных по радиарно-ячеистому принципу. На фронтальных срезах коры формирующаяся капиллярная сеть состоит из петель вытянутой формы, длинная ось которых направлена по ходу радиальных сосудов.
В течение первых 1,5-2 месяцев жизни в исследованных полях лобной области коры большого мозга продолжается выделение из первичной капиллярной сети артериальных стволиков и мелких артериальных петель, что коррелирует со свойственным этому периоду интенсивным увеличением числа внутримозговых сосудов в целом. На первом году отмечается ранний этап формирования внутрикорко-вого микроциркуляторного русла. Для него характерны малодифференцированная мелкопетлистая первичная капиллярная сеть, обеспечивающая избыточность кровотока в ткани мозга, особенно в первые 3 -4 месяца после рождения.
В период от 1 до 3 лет структурные преобразования включают интенсивный рост микроциркуляторного русла в сочетании с частичной редукцией его первичной капиллярной сети.
Изучение соотношения УО глиоцитов и внутрикорковых кровеносных сосудов в III3 подслое фронтальной коры позволило установить, что у новорожденных относительное содержание глиоцитов значимо различается в исследованных полях, составляя 36,8+1,9 % в поле 45 и 17,4+0,9 % в поле 8. Таким образом, в поле 45 глиальный компонент больше по сравнению с полем 8 в 2,1 раза. Четкой зависимости между степенью васкуляризации коры и содержанием в ней глии нами не прослеживается. Высокая плотность кровеносных сосудов в единице объема мозговой ткани обнаруживается в обоих исследованных полях (рис. 2).
В поле 8 от рождения к концу первого года жизни УО глиального компонента в мозговой ткани снижается в 1,2 раза, а относительное содержание сосудов увеличивается в 1,3 раза (р<0,05). К 2-3 годам процентное содержание глиоцитов снова нарастает в 1,4-2,4 раза по сравнению с годовалыми детьми, а кровеносных сосудов, наоборот, снижается в 1,6 раза. К 3 годам в поле 8 УО глиоцитов и внутрикорковых сосудов составляют соответственно 34,4+2,6 % и 20,3+2,5 %.
В поле 45 в течение первого года жизни относительное количество глии в III3 подслое уменьшается в 2,0 раза, в то время, как УО сосудов нарастает в 1,4 раза (р<0,05). В течение 2-го года жизни соотношение глиального и сосудистого компонентов остается относительно стабильным. К концу 3 -го года жизни процентное содержание глиоцитов снова нарастает в 1,7 раза, а объем сосудов снижается в 1,4 раза по сравнению с годовалыми детьми. К 3 годам в поле 45 УО глиоцитов и внутрикорковых сосудов составляют соответственно 31,1+3,4 % и 24,5+2,2 %.
Как видно из полученных данных, в обоих полях к 3 годам отмечается значимое нарастание глиального компонента по сравнению с сосудами. Нарастание нейроглии, вероятно, связано с повышением роли глиоцитов в метаболических процессах мозговой ткани и носит как заместительный, так и компенсаторно-приспособительный характер, что подтверждают и другие авторы [15]. Не исключено, что высокие концентрации глиальных клеток в коре большого мозга повышают способности к обучению и являются клеточной основой процессов памяти [16].
Наибольшее содержание глии у новорожденных и наименьшие темпы редукции микроциркуляторного русла отмечены в филогенетически наиболее «молодом», сугубо «человеческом» поле 45. По нашему мнению, высокая функциональная активность данного коркового локуса, связанного с речедвигательной функцией, интенсивно развивающейся у детей и подростков, обеспечивается и более высоким уровнем пластических и обменных процессов, поддерживаемых благодаря повышенному гемодинамическому статусу поля 45 по сравнению с другими исследованными полями.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Полученные с помощью стереометрического анализа данные о соотношении УО нейронов и волокон свидетельствуют о более низком уровне зрелости к моменту рождения компонентов ансамблевой организации коры в сугубо человеческом речедвигательном поле 45 и более продолжительном ее формировании на этапе раннего детства. Интенсивное развитие волокнистого компонента в поле 8 связано с наличием рано формирующихся мощных корково-корковых ипсилате-ральных и каллозальных связей с полями затылочной, височной областей и другими полями лобной области коры, в то время, как ассоциативные и проекционные связи поля 45, по-видимому, формируются менее интенсивно и носят более локально специализированный характер [8, 18]. Как свидетельствуют наши данные, соотношение удельных объемов нейронов и волокон может стать удобным показателем для сравнения темпов развития функционально и филогенетически отличающихся полей и областей коры большого мозга на ранних этапах постнатального онтогенеза.
Полученные данные позволяют также предположить, что в постнатальном онтогенезе важную роль в процессе развития нейронных ансамблей играют сосудисто-глиальные взаимоотношения, являющиеся одним из показателей функционально-метаболической активности нейронов, что подтверждают и другие авторы [14, 19]. По нашим данным в системе «нейрон (группировка нейронов) - глия -сосуды» количественные соотношения внутрикорковых сосудов и глиоцитов носят обратно пропорциональный характер, что особенно четко выражено на протяжении ранних периодов постнатального онтогенеза, а именно грудного возраста и раннего детства.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Автандилов Г.Г. Медицинская морфометрия. - М.: Медицина, 1990. -384 с.
2. Антонова А.М. Модификация метода Гольджи с применением вольфрамовокислого натрия // Бюлл. эксперим. биологии. - 1967. - Т. 63, вып. 3. - С. 123-124.
3. Антонова А.М. Нейроархитектоника и межнейронные связи как основа со-матотопической организации коры мозга человека // Архив анатомии, гистологии и эмбриологии. - 1981. -Т. 80, № 3. - С. 18-27.
4. Антонова А.М., Степанова С.Б. Модификация метода Петерса применительно к цитологическим исследованиям // Бюлл. эксперим. биологии. - 1973. - Т. 75, вып. 4. - С. 122-124.
5. Батуев A.C. Модульная организация коры головного мозга / A.C. Батуев, В.П. Бабминдра // Биофизика. - 1993.- Т. 38, №2. - С. 351-359.
6. Боголепова И.Н. Нейроглиальные взаимоотношения как один из показателей индивидуальной вариабельности мозга человека // Морфология. - 1993. - Т. 105, № 7-8. - С. 21-22.
7. Васильев Ю.Г. Нейро-глио-сосудистые отношения в центральной нервной системе (морфологическое исследование с элементами морфометрического и математического анализа) / Ю.Г. Васильев, В.М. Чучков. - Ижевск: Изд. АНК, 2003. -164 с.
8. Дзугаева С.Б. Проводящие пути головного мозга человека (в онтогенезе). -М.: Медицина, 1975. - С. 3-247.
9. Стефанов С.Б., Кухаренко Н.С. Ускоренные способы количественного сравнения морфологических признаков и систем. - Благовещенск: ВСХИ, 1989. - 65 с.
10. Стрелков Р.Б. Экспресс-метод статистической обработки экспериментальных и клинических данных. - М.: Изд. II МОЛГМИ, 1986. - 86 с.
11. Цехмистренко Т.А. Структурные преобразования коры большого мозга и мозжечка человека в постнатальном онтогенезе/ Т.А. Цехмистренко, В.А. Васильева, Н.С. Шумейко, Н.А. Черных. - В кн.: Развитие мозга и формирование познавательной деятельности ребенка». - М.: Изд-во НПО «Модек», 2009. - С. 9-75.
12. Bureau I., Shepherd G.M., Svoboda K. Precise development of functional and anatomical columns in the neocortex // Neuron. - 2004. - V. 42, N5. - P. 789-801.
13. Buxhoeveden D.P., Casanova M.F. The minicolumn hypothesis in neuroscience // Brain. - 2002. - V.125. - P. 935-951.
14. Costa M.R., Gotz M., Beminger B. What determines neurogenic competence in glia? // Brain Research Reviews. - 2010. - № 63. - P. 47-59.
15. Haydon P.G., Carmignoto G. Astrocyte control of synaptic transmission and neurovascular coupling // Physiol. Rev. - 2006. - V. 86, № 3. - P. 1009-1031.
16. Jr A.P., Furlan F.A. Astrocytes and human cognition: Modeling information integration and modulation of neuronal activity // Progress in Neurobiology. - 2010. - № 92. - P.405-420.
17. Mountcastle V. The columnar organization of the neocortex // Brain. - 1997. -№ 120. - Р. 701-722.
18. Nauta W.J. Neural associations of the frontal cortex //Acta Neurobiol. Exp. -1972. - Vol. 32, № 2. - P. 125-140.
19. Pfrieger F.W. Role of glial cells in the formation and maintenance of synapses // Brain Research Reviews. - 2010. - № 63. - P. 39-46.
