Введение к работе
Актуальность проблемы. Миндалевидный комплекс мозга (МК) вовлечён в центральные механизмы регуляции широкого круга физиологических процессов, начиная от деятельности отдельных органов и систем до целостных поведенческих актов, определяющих адаптацию организмов, их половое, пищевое и агрессивно-оборонительное поведение (Бериташвили, 1968, Чепурнов, Чепурнова, 1981, Акмаев, Калимуллина, 1993, Романова, 2005, Шаляпина, 2005, Любашина, 2008). Многообразие функций МК есть следствие длительной истории его становления, т.к. появляясь на самых ранних стадиях развития мозга хордовых, т.е. у круглоротых, он становится участником широкомасштабных перестроек мозга, происходящих в процессе его эволюции. Формирование МК проходит параллельно с процессами кортикализации головного мозга позвоночных и происходит поэтапно. Основные этапы исторического становления МК связаны с появлением интегративных центров высшего порядка, к которым относятся древняя, старая и новая кора (Карамян, 1976). Это обосновывает правомерность выделения в составе МК древней амигдалы (палеоамигдалы), старой амигдалы (архиамигдалы) и новой амигдалы (неоамигдалы, Акмаев, Калимуллина, 1993, Ахмадеев, Калимуллина, 2003, 2004).
Место МК в лимбической системе определяется ключевой ролью в анализе полисенсорной информации, поступающей из внешней и внутренней среды организма с последующим переключением её на висцеральные и нейроэндокринные центры ствола головного мозга (Любашина, 2001, Пруцкова, 2006, Aslan et al., 1997, Cox et al., 1986) и его высшие отделы - зрительный бугор, неокортекс (Любашина, 2008, Сlugent, Prise, 1996, Zald et al., 1998).
Велика роль МК в определении личностных характеристик человека в связи с его участием в формировании эмоций, кратковременной и долговременной памяти, процессах обучения (Симонов, 1987, Шуваев, Суворов, 2001; Шульговский, 2003). МК занимает ведущее место в регуляции нейроэндокринных процессов (Акмаев, Калимуллина, 1993, Veinante, Freund-Mercier, 1997, Feldman et al., 1998, Шаляпина, 2005) и модуляции деятельности иммунной системы (Dorofteiu et al., 1995, Raber, Koob, 1995, Raber, Bloom, 1996, Raber et al., 1997, Ramhres-Amaya et al., 1998). Это указывает на его значение в обеспечении взаимосвязей между нервной, эндокринной и иммунной системами. В силу указанного, исследования МК приобретают актуальность в рамках новой интегративной дисциплины - нейроиммунноэндокринологии (Акмаев, 1996, 1999, 2000).
МК как нейроэндокринный центр, который участвует в организации полового поведения, регуляции секреции и выделения гонадотропинов, полового созревания организмов, при осуществлении всех этих функций тесно взаимодействует с гипоталамической областью мозга, включаясь в регуляцию ее репродуктивных центров (Акмаев, Калимуллина, 1993). Обрабатывая и интегрируя поступающую к нему информацию (ведущую роль, среди которой играют химические сигналы) из внешней и внутренней среды организма, МК передает ее на центры преоптической области и медиобазального гипоталамуса, осуществляя их настройку в соответствии с поступившей информацией, определяя режим их функционирования, адекватный особенностям момента. Однако, тонкие механизмы взаимосвязей МК и гипоталамической области мозга остаются до сих пор невыясненными. Эволюционно-морфологический подход при их расшифровке представляется весьма перспективным.
Известно, что МК формируется в периоде половой дифференциации мозга (Резников и соавт., 1990, Акмаев, Калимуллина, 1993). Однако, его конкретные структуры, принимающие в этом процессе участие, и происходящие в них под морфогенетическим влиянием половых стероидов перестройки нейронной организации, остаются неизвестными. Нет сведений литературы, характеризующих морфогенез МК в препубертатном периоде крыс, в течение которого происходит формирование положительной обратной связи (Docke et al., 1980, Docke et al., 1983). Ранее не исследовались ультраструктурные характеристики нейроэндокринных нейронов палеоамигдалы и показатели модулирующего влияния на них половых стероидов. Не рассматривался вопрос о половых различиях и динамических перестройках во взаимовлияниях половых стероидов и моноаминов в палеоамигдале в динамике эстрального цикла и в процессе проведения феромонального сигнала в мозг.
Участие МК в регуляции широкого круга физиологических процессов объясняет его вовлечение в патогенез многих психоневрологических заболеваний. Изменение объёмных характеристик МК, выявленное с помощью новейших методов исследования мозга - компьютерной томографии и ядерно-магнитного резонанса - является ранним диагностическим признаком болезни Альцгеймера, шизофрении и височной эпилепсии (Jack et al., 1997, Ка1viainen еt а1., 1997, Hirayasu et al., 1998, Bremner et al., 2000, Goncalves-Pereira et al., 2006).
Клинические и экспериментальные данные свидетельствуют о важной роли МК в патогенезе эпилепсии человека (Чепурнов, Чепурнова, 1981, Бикбаев, 2000, Cain, 1992, Loscher et al., 1998, Pitkanen et al., 2000 и др.), однако, до сих пор остаются невыясненными причины низкого порога его судорожной активности, локализация мест инициации эпиактивности и механизмы ее генерализации. По мнению эпилептологов существует вероятность, что манифестации первичной генерализованной эпилепсии предшествует формирование очага в медиобазальных отделах височной доли мозга (Карлов, 1990, Chassagnon et al., 2005), где, согласно полученным в работе данным, локализуются структуры палеоамигдалы. В литературе полностью отсутствуют сведения о функциональном состоянии нейронов палеоамигдалы при абсансной генерализованной (неконвульсивной) эпилепсии и развивающихся в ней патогистологических процессах при конвульсивной эпилепсии.
Наибольшее внимание привлекают при разработке проблем наркомании структуры мезо-кортико-лимбической системы, при этом в МК изучают только его отдельные ядра: базолатеральное (Ledford et al., 2003, Fuchs et al., 2006, Floresco, Tse, 2007) и центральное (Covington et al., 2005, Dandekar et al., 2007). Между тем, МК сложное, гетерогенное образование, претендующее на роль ключевой структуры в функциональной системе наркозависимости. Ранее не проводились экспериментальные исследования по изучению механизмов формирования наркотической зависимости с использованием молекулярно-генетических моделей, посвященные выяснению роли в этом процессе палеоамигдалы и аллельной структуры локуса TAG 1A гена рецептора дофамина второго типа (DRD2).
Эволюционный подход в исследованиях структурно-функциональной организации мозга, выявляя ее фундаментальные закономерности и этапы становления в историческом развитии, позволяет понять патогенетические механизмы неврологических заболеваний. Происходящее в условиях патологии нарушение сложившейся в эволюции мозга иерархии функциональных систем, как правило, затрагивает филогенетически более поздние, а потому, более сложные по конструктивным решениям его аппараты. В этих условиях клиническая симптоматика может отражать функциональную настройку базисных механизмов, являясь «отголоском эволюционного процесса, с возвращением к тем функциональным отношениям, которые характерны для более ранних периодов развития» (Орбели, 1958).
Цель и задачи исследования. Целью работы является комплексное исследование фундаментальных закономерностей (эволюционно-морфологический анализ цитоархитектоники, нейронной организации, механизмов формирования в период половой дифференциации мозга и препубертатный период, модулирующего влияния половых стероидов на ультраструктурные и цитохимические характеристики нейроэндокринных нейронов) и прикладных аспектов структурно-функциональной организации палеоамигдалы (показателей вовлечения в патогенез эпилепсии и наркомании).
В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие основные задачи исследования:
1. на основании результатов цитоархитектонического анализа структур заднего отдела МК, учета их ядерно-палеокортикальных взаимоотношений и особенностей нейронной организации определить субстрат палеоамигдалы;
2. выяснить с помощью модельного эксперимента происходит ли в палеоамигдале реализация морфогенетического действия половых стероидов в процессе половой дифференциации мозга, опираясь на результаты количественной оценки характеристик дендритов ее нейронов. Сопоставить направленность и выраженность выявившихся изменений с результатами исследования половых различий у половозрелых крыс.
3. провести количественный цитоархитектонический и иммуноцитохимический анализ этапов формирования полового диморфизма структур палеоамигдалы в ранний ювенильный период развития крысы и путем сопоставления темпов морфогенеза со сроками нейрогенеза основной и добавочной обонятельных луковиц получить данные о роли афферентного притока как фактора онтогенеза палеоамигдалы;
4. изучить цитологические характеристики нейронов палеоамигдалы на светооптическом и электронно-микроскопическом уровнях, разработать их классификацию и выявить региональные особенности представительства их основных типов;
5. разработать структурно-функциональную классификацию нейроэндокринных нейронов палеоамигдалы у самцов и самок крыс на разных стадиях эстрального цикла на основании результатов ультраструктурного анализа, выполненного с использованием комплексной оценки показателей транскрипционной активности ядра, структурной организации ядрышка, характеристик состояния ядерных мембран, белок-синтезирующего аппарата цитоплазмы, митохондриума, вакуолярной системы и явлений секреторной активности;
6. провести анализ половых различий содержания и метаболизма моноаминов в палеоамигдале и исследовать механизмы динамических структурно-функциональных перестроек в динамике эстрального цикла путем оценки интенсивности включения 3Н-уридина в ее нейроны и глию, моноаминов и уровней экспрессии эстрогенного рецептора ER, а также регистрации нейрохимических сдвигов в процессе проведения в мозг феромонального сигнала;
7. исследовать участие палеоамигдалы в механизмах формирования наркотической зависимости путем определения локализации CART(cocaine-amphetamine-regulated transcript)- пептид иммунореактивных нейронов и уровней экспрессии CART- пептида, изучения в эксперименте темпов развития наркотической зависимости у крыс с различиями генотипа по локусу TAG 1A DRD2 и последующего сравнительного структурно-количественного анализа палеоамигдалы у двух групп крыс (А1/А1 и А2/А2), различающихся по темпам формирования толерантности и психической зависимости;
8. изучить у крыс линии WAG/Rij (модель абсансной генерализованной неконвульсивной эпилепсии) структурно-функциональные характеристики палеоамигдалы с помощью морфометрии и регистрации функционального состояния ее нейронов, а также состав эпилептической системы у крыс с экспериментально созданной смешанной конвульсивной эпилепсией путем анализа результатов патогистологического и ультраструктурного исследования.
Научная новизна. Впервые на основании результатов комплексного исследования дано целостное представление о структурно-функциональной организации палеоамигдалы как нейроэндокринного центра, формирование и деятельность которого осуществляется под морфогенетическим и модулирующим влиянием половых стероидов при участии биогенных аминов. Исследование цитоархитектоники структур заднего отдела МК с позиций учения о ядерных и экранных центрах нервной системы и их нейронной организации позволило впервые установить локализацию на его территории редковетвистой нервной системы, составляющей субстрат палеоамигдалы. Впервые в модельном эксперименте установлен морфогенетический эффект тестостерон-пропионата, приводящий к изменениям в дендроархитектонике нейронов и обуславливающий формирование половых различий. Впервые выполненное исследование морфогенеза палеоамигдалы в ранний ювенильный период развития мозга крысы показало этапность формирования в ее структурах полового диморфизма, а сопоставление его темпов со сроками нейрогенеза основной и добавочной обонятельных луковиц позволило выявить роль афферентного притока как фактора онтогенеза палеоамигдалы. Проведен детальный анализ цитологических характеристик нейронов палеоамигдалы, позволивший впервые выявить нейроэндокринные нейроны с секреторной активностью. Впервые на основании результатов ультраструктурного анализа разработана структурно-функциональная классификация нейроэндокринных нейронов палеоамигдалы у самцов и самок крыс на разных стадиях эстрального цикла, отражающая модулирующее влияние половых стероидов. Впервые выявлены основные функциональные состояния, характеристики которых отражают явления гормон-зависимой функциональной реверсии в нейронах палеоамигдалы, предопределяемой колебаниями уровней половых стероидов. Впервые в палеоамигдале выявлены половые различия метаболизма моноаминов и установлена зависимость их содержания от колебаний уровня половых стероидов в динамике эстрального цикла. Впервые установлено модулирующее влияние половых стероидов на интенсивность включения 3Н-уридина в нейроны и глию палеоамигдалы, а также на уровни экспрессии эстрогенного рецептора ER. Впервые выявлена синхронность изменений содержания катехоламинов в обонятельных луковицах и палеоамигдале в процессе проведения в мозг феромонального сигнала. Впервые установлено участие палеоамигдалы в формировании механизмов наркотической зависимости, и это является теоретическим базисом для разработки новых технологий ее коррекции путем интраназального введения лечебных препаратов. Впервые показано вовлечение палеоамигдалы в процессы эпилептогенеза при абсансной генерализованной (неконвульсивной) и смешанной (конвульсивной) эпилепсии.
Практическое и теоретическое значение работы. Полученные в работе результаты, раскрывающие фундаментальные закономерности структурно-функциональной организации палеоамигдалы, формируют теоретический базис для разработки научно-обоснованных рекомендаций по коррекции нарушений деятельности нейроэндокринных репродуктивных центров с использованием интраназального введения медикаментозных препаратов. Выявленное в работе явление гормонзависимой функциональной реверсии в нейронах палеоамигдалы свидетельствует о зависимости когнитивных способностей от уровней половых стероидов и является основой для разработки профилактических и лечебных мероприятий с их использованием. Результаты работы составляют основу концепции о палеоамигдале - нейроэндокринном центре мозга, формирование которого произошло на самых ранних этапах исторического развития позвоночных и имело значение в формировании адаптивного поведения (основу которого составляют репродуктивное, пищевое и агрессивно-оборонительное), формируемого на основе анализа сигналов (хеморецепции) из окружающей среды. Полученные в работе экспериментальные данные о роли генотипа А1/А1 локуса TAG 1A DRD2 в формировании наркотической зависимости согласуются с результатами медико-генетических исследований и создают основу для разработки мероприятий, позволяющих выявлять группы риска. Асимметрия МК, выявленная у крыс, показавших ускоренные темпы формирования толерантности и психической зависимости, акцентирует внимание на возможность разработки ранних диагностических критериев при наркомании с использованием компьютерной томографии мозга. Результаты работы, свидетельствующие о вовлечении палеоамигдалы в процессы эпилептогенеза, акцентируют внимание невропатологов и психиатров на ее роли в патогенезе различных форм эпилепсии, показывая на важность регистрации ее состояния для ранней диагностики этого заболевания.
Результаты работы внедрены в учебный процесс кафедры гистологии с курсом эмбриологии Башкирского государственного медицинского университета и кафедры морфологии и физиологии человека и животных Башкирского государственного университета, где используются при чтении лекций по «Общей гистологии» и специальных курсов «Морфология миндалевидного комплекса мозга», «Нейроанатомия», «Нейрогистология», «Эволюция и морфология мозга». Изданы учебные пособия: «Нейрогистология миндалевидного комплекса для начинающих» (Уфа, БашГУ, 2005) с Грифом УМО МГУ и Нейроморфология (Уфа, БашГУ, 2006). Получена приоритетная справка о регистрации заявки на патент РФ на изобретение «Способ приготовления переживающих срезов пириформной доли мозга» № 2008149137 от 10 января 2008 года. Удостоверение на рационализаторское предложение «Устройство для измерения линейных размеров ультраструктур при электронной микроскопии» № 1 от 16 октября 2007 года.
Положения, выносимые на защиту
1.Палеоамигдала представляет собой комплекс трех структур заднего отдела МК, расположенных на медиобазальной поверхности полушария конечного мозга под нижним рогом бокового желудочка и образованных длинноаксонными редковетвистыми нейронами. Дорсомедиальное и заднее медиальное ядро представляют собой ядерные центры, заднее кортикальное ядро является межуточной формацией.
2.Формирование палеоамигдалы как нейроэндокринного центра происходит в периоде половой дифференциации мозга под морфогенетическим влиянием половых стероидов, что предопределяет наличие половых различий в дендроархитектонике ее нейронов.
3.Модулирующее влияние половых стероидов на нейроны палеоамигдалы приводит к изменению их функционального состояния, совокупность которых отражает явление функциональной гормонзависимой реверсии. На основании учета основных функциональных состояний нейронов разработана структурно-функциональная классификация нейроэндокринных нейронов палеоамигдалы.
4.Палеоамигдала вовлечена в патогенетические механизмы формирования наркотической зависимости, а также абсансной генерализованной и смешанной конвульсивной эпилепсии.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены на Республиканском молодежном форуме «Интеллектуальный потенциал Башкортостана – в ХХI век» (Уфа, 1996), на конференции студентов и молодых ученых биофака БашГУ, 1997, на Ш,V Международной конференциях «Колосовские чтения» (СПб, 1997, 2006), на V Международном конгрессе по нейронаукам, (Jerusalem, Israel, 1999), на Всеросс. конференции с межд. участием «Достижения биологической функциологии и их место в практике образования» (Самара, 2003), на съезде Российских морфологов с международным участием (2004), на конгрессах Международной ассоциации морфологов (1998, 2002-2008), на Всероссийской конференции «Нейроэндокринология» (СПб, 2003), на Всероссийской медико-биологической конференции молодых исследователей “Человек и его здоровье” (СПб, 2004-2008), на Всероссийской научной конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы гистологии. Гистогенез и регенерация тканей» (СПб, 2004, 2006), на Х1Х и ХХ съездах Физиологического общества им. И.П.Павлова (2004-2007), на Всероссийских конференциях молодых исследователей «Физиология и медицина» (СПб, 2004, 2005), на II-IV Международных междисциплинарных конгрессах «Нейронаука для медицины и психологии» (Украина, 2006, 2008), на Всероссийской конференции с международным участием «Структурно-функциональные и нейрохимические закономерности асимметрии и пластичности мозга» (Москва, 2006), на Международной конференции «Ломоносов» (Москва, МГУ,2007,2009), на V-ой Всероссийской научно-практической конференции «Медико-биологические и психолого-педагогические аспекты адаптации и социализации человека» (Волгоград, 2008), на Всероссийской конференции, посвященной 100-летию со дня рождения Д.А.Жданова, (М., 2008), на Международной научной конференции «Европейская интеграция высшего образования (Черногория, 2008), на заседании Башкирского отделения Всероссийского общества анатомов, гистологов, и эмбриологов (Уфа, 2009) и опубликованы в ведущих российских и зарубежных морфологических и физиологических журналах.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 73 научные работы в отечественной и зарубежной печати, из них 22 cтатьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы (3 главы), описания материалов и методов исследования (4-я глава), результатов исследований (7 глав), обсуждения полученных результатов, заключения и выводов. Указатель литературы содержит сведения о 596 источниках, 108 из которых на русском и 488 на иностранных языках. Иллюстрации представлены 67 рисунками (из них 61 микрофотография), цифровой материал сгруппирован в 35 таблиц.
