CC BY
38
СООТНОШЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРНЫХ КОМПОНЕНТОВ В РАЗНЫХ ОБЛАСТЯХ КОРЫ БОЛЬШОГО МОЗГА У ДЕТЕЙ И ПОДРОСТКОВ
Т.А. Цехмистренко *, **, В.А. Васильева1 **, Н.С. Шумейко** *ФГАОУ ВО «Российский университет дружбы народов», **ФГБНУ «Институт возрастной физиологии Российской академии образования», Москва
С помощью компьютерной визуализации изображений и стереометрического анализа на гистологических препаратах коры большого мозга детей и подростков от 10 до 13 лет (14 левых полушарий) изучали удельные объёмы нейронов, волокон и кровеносных сосудов. Показаны отличия соотношений микроструктурных компонентов в полях двигательной, зрительной и лобной корковых областей.
Ключевые слова: кора большого мозга, микроструктура коры, постнаталь-ный онтогенез, стереометрический метод
Ratio of microstructural components in different areas of cerebral cortex in children and adolescents. The article presents the study of specific volumes of neuron, fiber and blood vessels in cerebral cortex by means of computer visualization and stereometric analysis of histologic samples. Cerebral cortex of children and adolescents from 10 to 13 years old (14 left hemispheres) was studied. Differences in ratios of microstructural components in motor, visual and frontal cortical areas are shown.
Key words: human cerebral cortex, cortical microstructure cortex, postnatal ontogeny, stereometric method
Известно, что возрастное формирование цито-, фибро- и нейроархитектоники коры большого мозга человека протекает гетерохронно и неоднозначно, что в конечном итоге приводит к региональным и локальным различиям в стратификации и микроструктуре коры. Многие специфические особенности строения коры запрограммированы генетически и становятся очевидными уже у новорожденных, однако процессы дифференцировки и специализации продолжаются и в постна-тальном онтогенезе [2]. Принято считать, что к 6-7 годам нарастание коры в основном завершается, микроанатомические параметры, характеризующие возрастные изменения на морфологическом уровне, большей частью стабилизируются. Ранее нам удалось показать, что существенные структурные преобразования, наблюдаются на этапе второго детства и в более старших возрастных группах [7]. В их числе - нарастание профильных полей нейронов наиболее крупноклеточных классов, локальная специализация дендритных арборизаций нейронов разных типов, усложнение фиброархитектоники, а также кластеризация наружной и внутренней пирамидных пластинок (III и V), приводящая к обособлению функционально специализированных групп нейронов. Одним из наиболее информативных подходов для выявления критериев значимых возрастных изменений коры является оценка количественного соотношения ее микроструктурных компонентов, предоставляющая возможность определить степень различий в структурной орга-
Контакты:1 Васильева В.А. - E-mail: <[email protected]>
низации функционально отличающихся корковых областей на том или ином этапе постнатального онтогенеза. Этот подход базируется на представлении о том, что структурные преобразования в функционально отличающихся зонах протекают разными темпами и отличаются по срокам. Наибольший интерес такой подход представляет в микроанатомических исследованиях коры большого мозга на этапе второго детства и у подростков, когда наблюдается постепенная стабилизация многих среднестатистических параметров, характеризующих возрастные изменения внутрикорковых структурных компонентов.
В связи с этим в задачу настоящего исследования входило изучение изменений относительного содержания таких наиболее значимых микроструктурных компонентов, как нейроны, внутрикорковые волокна и кровеносные сосуды в различных областях коры больших полушарий у детей и подростков 10-13 лет с целью определения региональных различий их соотношений и динамики возрастных преобразований.
ОРГАНИЗАЦИЯ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.
Материалом послужили 14 левых полушарий головного мозга детей и подростков обоего пола в возрасте 10-13 лет, погибших насильственной смертью без травм мозга. Кусочки коры вырезали в предцентральной извилине лобной доли (поле 6 двигательной, или сенсомоторной коры), в затылочной доле (поле 19 зрительной коры) и в лобной области коры (глазодвигательное поле 8).
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 и Гольджи.
Компьютерная визуализация препаратов проводилась с применением программы Image-Tools (National Institutes of Health, USA). Объемные соотношения структурных элементов исследованных областей коры в различных возрастах определяли с помощью стереологического метода [3] в собственной модификации. В III3 подслое коры выявляли удельные объемы (УО) нейронов, волокон и сосудов. Соотношения УО сосудов и УО волокон на единицу УО нейронов вычисляли для каждого среза в одной возрастной группе. Всего производилось по 850 измерений изучаемых структурных компонентов в каждом возрасте при достижении критерия надежности P=95% (р<0,05). 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%.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Установлено, что в поле 6 двигательной коры у 10-летних детей УО нейронов составляет 39,3+3,2 %, волокон - 34,0+4,8 %, сосудов - 14,7+1,6 % (рис. 1). К 13 годам относительное содержание нейронов и волокон в среднем не изменяется и
составляет соответственно 35,5+2,4 % и 34,5+3,6 %. Содержание внутрикорковых сосудов значимо снижается к 12 годам до 10,7+1,6 % (р<0,05), после чего стабилизируется и к 13 годам составляет 11,5+1,2 %.
В поле 8 лобной области коры к 10 годам относительное содержание нейронов не превышает в среднем 16,7+1,6 %, что значимо меньше по сравнению с полем 6. Удельный объем волокон составляет 36,7+2,4 %. Содержание кровеносных внутрикорковых сосудов достигает 11,4+1,1 %, что также достоверно меньше по сравнению с полем 6. От 10 до 13 лет все изучаемые показатели в среднем не изменяются. К 13 годам в поле 8 УО нейронов составляет 18,5+2,0 %, волокон -40,9+3,6 %, кровеносных сосудов - 11,7+1,4 %.
В поле 19 зрительной коры у детей 10-ти лет, как и в поле 8, содержание нейронов меньше по сравнению с полем 6; оно составляет 15,3+3,2 %. Относительное содержание волокон доходит в среднем до 54,0+3,2 %, что значимо больше, чем в остальных исследованных полях. Удельный объем сосудов, составляющий 8,0+1,6 %, значимо меньше (р<0,05), чем в полях коры лобной доли. К 12 годам на фоне достоверного снижения васкуляризации коры в поле 6 различия между полями лобной области коры и полем 19 по данному показателю нивелируются. К 13 годам в поле 19 УО нейронов составляет 13,3+3,2 %, волокон 54,7+3,2 %. Относительное содержание кровеносных сосудов вновь снижается по сравнению с другими полями до 6,0+1,6 %.
V, %
60 50 40 30 20 10 0
Поле 6
—♦— Нейроны —О— Волокна —Л— Сосуды
Поле 8
Поле 19
V, %
60 50 40 30 20 10 0
10 11 12 13 Возраст, лет
-♦— Нейроны V ■С^— Волокна
-й— Сосуды
Л—Л—й—Л
%
60 50 40 30 20 10 0
10 11 12 13
Возраст, лет
—♦— Нейроны Волокна —Л— Сосуды
10 11 12 13
Возраст, лет
Рис. 1. Изменение удельных объемов нейронов, волокон и кровеносных сосудов, в III3 подслое полей 6, 8 и 19 коры большого мозга детей и подростков от 10 до 13 лет. Вертикальные отрезки - значения доверительного интервала.
Анализ содержания сосудов по отношению к нейронам в микроструктуре III3 подслоя исследованных полей позволил установить, что наименьший индекс вас-куляризации нейронного компонента коры отмечается в поле 6 двигательной коры (рис. 2). В тесно функционально связанных полях 8 и 19 показатели, характеризующие соотношение в системе «сосуды/нейроны», у детей 10-12 лет одинаково высоки по сравнению с полем 6. Однако к 13 годам отмечается значимое снижение коэффициента васкуляризации в поле 19 по сравнению с полем 8. Таким образом, к 13 годам наиболее высокий показатель локальной обеспеченности нейронов внутрикорковыми кровеносными сосудами наблюдается в поле 8, наименьший - в поле 6. Оба показателя регистрируются в различных областях (собственно лобной и предцентральной) коры лобной доли.
УОс/УОн
0,8 -
0,6
0,4
0,2
0 -
Рис. 2. Изменение соотношения удельных объемов внутрикорковых кровеносных сосудов (УОс) и нейронов (УОн) в III3 подслое полей 6, 8 и 19 коры большого мозга детей и подростков от 10 до 13 лет.
Вертикальные отрезки - значения доверительного интервала.
Изучение содержания волокон по отношению к нейронам показал, что наибольшее количество внутрикорковых связей формируют нейроны в III3 подслое ассоциативного поля 19 зрительной коры, наименьшее - двигательного поля 6 (рис. 3). Значимое нарастание соотношения «волокна/нейроны» отмечаются в поле 6 от 10 к 12 годам, в поле 19 от 10 к 11 годам. В поле 8 наблюдается тенденция к увеличению данного соотношения ф<0,05).
10 лет
11 лет
12 лет
13 лет
и 6 поле П8 поле 019 поле
УОв/УОн
4
3
2
1
0 -
Рис. 3. Изменение соотношения удельных объемов внутрикорковых волокон (УОв) и нейронов (УОн) в Ш3 подслое полей 6, 8 и 19 коры большого мозга детей и подростков от 10 до 13 лет.
Вертикальные отрезки - значения доверительного интервала.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, полученные данные о соотношении удельных объемов наиболее важных компонентов коры свидетельствуют о преобразованиях ее микроструктурной организации на этапе второго детства, хотя и в условиях заметного снижения темпов внутрикоркового морфогенеза.
Анализ возрастной динамики изучаемых показателей позволил продемонстрировать, что в период от 10 до 13 лет наиболее стабильными остаются среднестатистические показатели относительного содержания нейронов, волокон и кровеносных сосудов в глазодвигательном поле 8 фронтальной коры. Однако и в этом поле отмечается тенденция нарастания волокнистого компонента верхнего этажа коры к началу подросткового периода. В полях 6 и 19 при относительно стабильном содержании нейронов и волокон отмечается значимое снижение вас-куляризации коры, наблюдаемое в поле 6 к 12 годам, а в поле 19 на 1 год позднее. Внутрикорковая сосудистая сеть, являясь важным нейротрофическим и формообразующим компонентом в конструкции экранных структур мозга, обеспечивает через посредство нейроглии наиболее оптимальные условия для функционирования распределенных корковых сетей, формируемых нервными волокнами, собственно нейронами и связанными с ними рецепторными и синаптическими аппаратами [5]. Выявленные нами значимые различия в соотношении удельных объемов сосудов и нейронов между полями лобной и предцентральной областей коры лобной доли, а также между полями лобной и затылочной долей свидетельствует
о важной роли внутрикоркового микроциркуляторного русла в тонкой настройке функциональной активности различных областей коры. Отличия в соотношении «сосуды/нейроны», вероятно, играют определенную роль при вовлечении в процессы мозговой деятельности полей, нейроны которых имеют различное сосудистое обеспечение [6]. Можно предположить, что это становится важным при активной мозговой деятельности, сопровождающейся интенсивными умственными нагрузками.
Поскольку премоторное поле 6 контролирует сложнокоординированные движения верхней конечности, поле 8 принимает участие в регуляции синхронизированных поворотов глаз и головы, а поле 19 обеспечивает фиксацию взора на наиболее значимых объектах, все изученные поля вовлекаются в когнитивные процессы, основанные на таких сложных и сугубо человеческих видах деятельности, как письмо и чтение [4]. В связи с этим особый интерес представляют полученные нами сведения о нарастании коэффициента соотношения удельных объемов волокон и нейронов от 10 к 11 годам в поле 19, к 12 годам в поле 6, а также тенденция к его нарастанию к 13 годам в поле 8. Эти данные свидетельствуют о совершенствовании системы активно функционирующих внутрикорковых связей и, как следствие - о развитии к 11-13 годам механизмов наиболее сложных форм мозговой деятельности.
Полученные данные свидетельствуют также в пользу того факта, что на этапе второго детства и в начале подросткового периода совершенствование механизмов мозговой деятельности продолжается. С большой вероятностью можно утверждать, что 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 различных этапах постнатального онтогенеза.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Автандилов Г.Г. Медицинская морфометрия. - М.: Медицина, 1990. - 384
с.
2. Боголепова И.Н., Малофеева Л.И. Развитие речедвигательных корковых полей 44 и 45 мозга мальчиков и девочек в постнатальном онтогенезе // Мозг мужчины, мозг женщины. - М. : ФГБУ «НЦН» РАМН, 2014. - С. 202-231.
3. Стефанов С.Б., Кухаренко Н.С. Ускоренные способы количественного сравнения морфологических признаков и систем. - Благовещенск: ВСХИ, 1989. -65 с.
4. Emmorey K., Mehta S., Grabowski T.J. The neural correlates of sign versus word production // NeuroImage. - 2007. - Vol. 36. - P. 202-208.
5. Hensch T.K. Critical period plasticity in local cortical circuits // Neuroscience. -2005. - Vol. 6. - P. 877-888.
6. Lauwers F., Cassot F., Lauwers-Cances V., Puwanarajah P., Duvernoy H. Mor-phometry of the human cerebral cortex microcirculation: General characteristics and space-related profiles // NeuroImage. - 2008. - Vol. 39. - P. 936-948.
7. Tsekhmistrenko T.A. Chernikh N.A., Shehovtsev I.K. From a Birth Till 20 Years Structural Transformations of Cyto- and Fibroarchitectonics of the Human Frontal Cerebral Cortex // Human physiology. - 2010. - Vol. 36, № 1. - P. 26-33.
