Содержание к диссертации
Введение
1. Литературные сведения о нейронных объединениях в центральной нервной системе 5
1.1. Морфофункциональные корреляты модульной организации неокортекса 13
1.1.1. Цитоархитектоника и нейронный состав коры. Структурно-функциональные предпосылки формирования модульной организации коры в онто- и филогенезе 13
1.1.2. Структурные предпосылки модульной организации коры 21
1.1.3. Функциональные предпосылки модульной организации коры 33
1.2. Морфофункциональные корреляты модульной организации подкорковых центров мозга 42
2. Закономерности структурной организации нейронных объединений теменной ассоциативной коры мозга млекопитающих разных систематических групп 57
2.1. Литературные сведения о структурно-функциональной организации теменной ассоциативной коры мозга млекопитающих разных систематических групп 57
2.2. Материал и методы исследования цитоархитектоники, количественных критериев вертикальной упорядоченности и нейронной организации теменной ассоциативной коры мозга млекопитающих 64
2.3. Сравнительное исследование цитоархитектоники и вертикальной упорядоченности нейронных объединений в теменной области коры мозга млекопитающих разных систематических групп 69
2.4. Сравнительное исследование структурных особенностей объединений пирамидных нейронов в теменной коре мозга млекопитающих разных систематических групп 100
2.5. Заключительные замечания о структурной организации миниколонок в теменной коре млекопитающих разных систематических групп 112
3. Сравнительное исследование функционально-метаболических модулей и структурных предпосылок их пластичности в теменной ассоциативной коре мозга животных разных систематических групп 120
3.1. Материал и методы исследования функционально-метаболических модулей в коре мозга животных разных систематических групп 124
3.2. Исследование функционально-метаболических модулей в поле 7 теменной коры мозга кошки 125
3.3. Исследование функционально-метаболических модулей в теменной ассоциативной коре мозга крысы 131
3.4. Исследование функционально-метаболических модулей в теменной ассоциативной коре мозга летучей мыши 136
3.4.1. Материал и методы исследования таламо-кортикальных проекций в мозге летучей мыши. 136
3.4.2. Организация таламо-кортикальных проекций в мозге летучей мыши..138
3.4.3. Исследование функционально-метаболических модулей в теменной ассоциативной коре мозга летучей мыши 152
3.5. Заключительные замечания по организации функционально-метаболических модулей в теменной ассоциативной коре мозга животных разных систематических групп. 161
4. Морфофункциональное исследование модульной организации подкорковых структур головного мозга 165
4.1. Исследование модулей проекционных таламо-кортикальных нейронов в медиальном коленчатом теле мозга летучей мыши .166
4.2. Морфо-функциональная характеристика модульной организации нижнего двухолмия среднего мозга летучей мыши и крысы 179
4.2.1. Материал, методы исследования функциональной и гистохимической организации нижнего двухолмия среднего мозга летучей мыши и крысы.. 183
4.2.2. Гистохимическая и функциональная характеристика дорсо-латеральной области нижнего двухолмия летучей мыши 185
4.2.3. Гистохимическая и функциональная характеристика дорсо-латеральной области нижнего двухолмия крысы в норме и после воздействия СВЧ ЭМП 191
4.2.4. Заключительные замечания по морфо-функциональной организации дорсо-латерального модуля нижнего двухолмия летучей мыши и крысы... 195
4.3. Структурно-функциональная организация верхнего двухолмия среднего
мозга 198
4.3.1. Материал и методы исследования структурно-функциональной организации верхнего двухолмия среднего мозга крысы 201
4.3.2. Результаты исследования структурно-функциональной организации верхнего двухолмия среднего мозга крысы 203
4.3.3. Заключительные замечания о структурно-функциональной организации верхнего двухолмия среднего мозга крысы 214
5. Заключение 221
Выводы 236
Список литературы 241
- Структурные предпосылки модульной организации коры
- Литературные сведения о структурно-функциональной организации теменной ассоциативной коры мозга млекопитающих разных систематических групп
- Исследование функционально-метаболических модулей в поле 7 теменной коры мозга кошки
- Исследование модулей проекционных таламо-кортикальных нейронов в медиальном коленчатом теле мозга летучей мыши
Введение к работе
Актуальность проблемы. Проблема модульной организации различных уровней ЦНС, на протяжении долгих лет подвергавшаяся интенсивному изучению (Адрианов, 1976, 1999; Батуев, 1981; Бабминдра, Брагина, 1982; Mountcastle, 1981), в настоящее время находится в центре внимания широкого круга исследователей (Buxhoeveden, Casanova, 2002; Thomson, Bannister, 2003; Lucke, Malsburg, 2004). В рамках разработки этой проблемы в научной литературе развернута дискуссия о соотношении жестко структурированных и высоко пластичных компонентов нейронных объединений. Если более ранние представления о пространственно упорядоченных и функционально однородных клеточных объединениях складывались под впечатлением специфичности нейронов и, как следствие этого, подразумевалась их стабильность (Сентаготаи, Арбиб, 1976; Антонова, 1983; Mountcastle, 1964, 1981), то исследования последних лет, свидетельствующие о гетерохимизме нейронов, позволяют его пересмотреть (Белехова и др., 2004; DeFelipe, Jones, 1992; Del Rio, DeFelipe, 1997; Jones, 2001). В свете новых данных становится уместным говорить о способности нейрона попеременно включаться в состав разных объединений, которые следует оценивать как динамичные, причем это справедливо для всех уровней и типов нервной системы (Сахаров, Каботянский, 1986; Сахаров, 1990; Ноздрачев, 1992; Отеллин, Саульская, 2000; Толкунов, 2003). Те или иные формы объединений нейронов обнаружены в нервной системе позвоночных и беспозвоночных животных. Организация ганглиев насекомых соответствует ряду признаков модульной организации (Лапицкий, 1987; Никитин, Лапицкий, 2000). В таламических и стволовых структурах мозга грызунов, связанных с обработкой информации от вибрисс на морде животного, выделены клеточные агрегаты (баррелоиды) (Van der Loos, 1978; Henderson et al., 1992). Группировки нейронов убедительно продемонстрированы в ядрах таламуса и стриатуме (Леонтович, 1978; Бережная, 2003). Фило- и онтогенез нервной системы в целом, и отдельных ее уровней, связан с представлением о первоначальном становлении элементарных структурно стабильных объединений, включаемых, по мере созревания, в более обширные, сложные и функционально пластичные модули (Обухов, 2000; Rakic, 1972,1974,1995; Glezer et al., 1988, 1998). Наиболее детально проблема структурно-функциональных, иерархически соподчиненных объединений нейронов разработана для коры конечного мозга млекопитающих (Mountcastle, 1981, 1997, 2003). На протяжении многих лет подобные исследования были в числе приоритетных на кафедре ВНД и психофизиологии СПбГУ. В результате детально разработаны вопросы локальных объединений клеток, интегрирующих активность нейронных систем и генерирующих эфферентные сигналы (Батуев, 1978, 1984; Бабминдра, Брагина,1982). На примере сенсомоторной коры млекопитающих, где отмечается мультисенсорная конвергенция, доказана эффективность принципа динамической констелляции, обуславливающей определенные формы поведение (Батуев, 1981; Бабминдра и др., 1988; Батуев и др., 1988; Куликов, 1989, 2000; Новожилова, 1982, 1993). Методами ходологии убедительно продемонстрирована функциональная значимость объединения нейронов, организующих кортикоспинальные, кортикобульбарные, каллозальные и внутриполушарные корково-корковые связи (Бабминдра, Брагина,1982; Макаров, 2000).
С внедрением в практику исследований компьютерной морфометрии получены количественные данные, которые дают основание утверждать, что показатель пространственной упорядоченности нейронных объединений может быть соотнесен с участием структуры в реализации разных по характеру и сложности функций, что особенно отчетливо проявилось при сравнении организации полей левого и правого полушарий мозга человека (Боголепова, 1981;Боголепова и др., 1983, 1999).
Несмотря на долгую историю исследования нейронных объединений, в литературе, посвященной этому вопросу, не существует единой терминологии для обозначения таких структур. В данном исследовании термины «миниколонка», «миниобъединение» используются для обозначения структурно стабильных, поддающихся морфологической идентификации, нейронных объединений, «модуль» - для обозначения функционально пластичных объединений нейронов на базе структурно стабильных, которые, под влиянием вне- и/или внутриструктурных модулеобразующих факторов, произвольно включаются в состав модуля. Учитывая неполноту литературных данных, а также отсутствие систеатических исследований обеспечения структурной стабильности нейронных объединений с одной стороны и их функциональной пластичности - с другой, работа была направлена на теоретическое и экспериментальное обоснование закономерностей формирования модулей из элементарных нейронных объединений на уровне коры полушарий и подкорковых центров мозга у животных разных систематических групп Цели и задачи исследования. Цель работы состояла в экспериментальном обосновании закономерностей формирования на разных уровнях центральной нервной системы функционально (гистохимически) пластичных нейронных модулей на основе структурно стабильных элементарных клеточных объединений, обуславливающих структурно-функциональные предпосылки мультимодальной интеграции и сенсомоторной координации в нервных центрах мозга. В плане разработки данной проблемы осуществлялось решение следующих задач: количественное исследование вертикальной упорядоченности элементов неокортекса, с целью оценки вариативности его нейронных объединений в сравнительном ряду млекопитающих; гистохимическое выделение модулей теменной ассоциативной коры после ограничения сенсорного притока путем одностороннего разрушения или деафферентации рецепторных органов у животных разных систематических групп и сравнительная оценка структурных показателей их функциональной пластичности;
З.трейсерное исследование миниобъединений и модулей инициальных таламо-кортикальных нейронов в функционально различающихся системах мозга летучей мыши; структурно-функциональное исследование гистохимически выделяемых модулей нижнего двухолмия среднего мозга летучей мыши и крысы не обусловленных тонотопической организацией структуры; гистохимическое выделение модулей после ограничения сенсорного притока и реконструкция нейронных объединений в верхнем двухолмии среднего мозга.
Основные положения, выносимые на защиту:
Модули коры и подкорковых образований мозга млекопитающих в своей основе имеют структурно-стабильные миниобъединения нейронов;
Структурная вариабельность нейронных объединений коры конечного мозга животных разных систематических групп может быть объективно оценена по степени вертикальной упорядоченности и коэффициенту пирамидизации образующих ее нейронов;
Модули неокортекса - функциональные объединения нейронов, их структурное выделение возможно осуществить гистохимически, в условиях ограничения сенсорного притока;
Размеры гистохимически выделяемых модулей теменной коры мозга животных разных систематических групп соответствует диаметру терминального ветвления одиночного таламо-кортикального волокна, но имеют в своем составе разное количество миниколонок;
Модули таламо-кортикальных проекционных нейронов формируются на базе миниобъединений клеток таламических ядер, изменяют свою конфигурацию и пространственное положение в пределах структуры в зависимости от локализации реципиентной области коры;
В нижнем двухолмии среднего мозга гистохимически дифференцированные модули, не связанных с организацией кохлеотопического представительства, содержат, в качестве структурно-стабильной основы, слои нейронов центрального ядра;
7. Структурное выделение модулей глубокой интегративной зоны верхнего двухолмия среднего мозга возможно осуществить гистохимически, после ограничения сенсорного притока путем одностороннего разрушения слухового рецепторного органа, их нейронным субстратом являются г пространственно упорядоченные сотовидные комплексы.
Научная новизна работы. В представленной работе, в развитие идей о взаимоотношении микро- и макроуровней организации мозга, впервые исследованы и проанализированы структурные показатели усложнения модульной организации неокортекса в сравнительно-анатомическом ряду млекопитающих, закономерности сенсорного представительства в интегративных структурах головного мозга по результатам гистохимического маркирования, структурно-функциональные предпосылки пластичности модулей при мультиафферентном взаимодействии. На основании сравнительного анализа впервые было установлено возрастание, по значению коэффициента Org, плотности миниколонок в коре, которые у животных разных систематических групп классифицированы по трем категориям, в зависимости от генеза и морфологических характеристик составляющих их нейронов, что подтверждено изменением количественного критерия- коэффициента пирамидизации Ру. На основании изменения характера ЦОреактивности неокортекса после экспериментальных воздействий, гистохимически идентифицированы функциональные модули. t Комплексное нейрогистологическое, гистохимическое, с использованием компьютерной морфометрии, сравнительное исследование неокортекса и верхнего двухолмия впервые позволило получить данные, указывающие на возможность формирования, на базе элементарных нейронных объединений, модулей, обеспечивающих динамические перестройки нервных центров и принципиально сходный на этих уровнях мозга тип мультисенсорного представительства. В развитие идеи об универсальности принципа модульной организации нервных центров впервые продемонстрировано упорядоченное представительство «ведущих» сенсорных систем в теменной ассоциативной коре мозга млекопитающих разных систематических групп. Теоретическое и практическое значение работы. Представленная работа раскрывает возможные механизмы динамичного вовлечения нейронов в процессы мультиафферентной интеграции и сенсомоторной координации на разных уровнях центральной нервной системы. Исследование взаимного соответствия гистохимических модулей и клеточных объединений позволяет понять структурные закономерности функциональной пластичности нервных центров, обосновать закономерности, согласно которым нейроны вовлекаются в активность при условнорефлекторной деятельности, формировании гетеромодального сенсорного образа и других высших функциях мозга. Полученные в работе результаты способствуют пониманию механизмов реорганизации структуры и функции мозга в условиях измененной деятельности и патологии.
Полученные результаты могут иметь значение для разработки нейрокомпьютерных систем, обладающих способностью к обучению. Результаты исследования включены в следующие учебные курсы на биолого-почвенном факультете и факультете психологии: "Эволюция и анатомия центральной нервной системы", «Анатомия центральной нервной системы», «Физиология центральной нервной системы», "Физиология сенсорных систем", "Психофизиология", "Физиология высшей нервной деятельности". Разработанные методики используются при проведении практических занятиях по учебным курсам на биолого-почвенном факультете «Психофизиология» и «Нейрогистология».
Апробация работы. Материалы, изложенные в диссертационной работе, были доложены на; IX Всесоюзном съезде анатомов, гистологов, эмбриологов (Минск); VIII.Всесоюзном совещании по морским млекопитающим (Астрахань, 1982); X Всесоюзной акустической конференции (Москва, 1983); IX Всесоюзном совещании по эволюцонной физиологии и биохимии (Ленинград, 1986); IV съезде териологического общества (Москва, 1986); X Всесоюзном съезде анатомов, гистологов, эмбриологов (Винница, 1986);Международном симпозиуме «Мозжечок и структуры ствола мозга» (Ереван, 1988); X Всесоюзном совещании по эволюционой физиологии и биохимии (Ленинград, 1990); III Международном конгрессе по проблемам нейроэтологии (Квебек, 1992); XXX Всероссийском совещании по проблемам ВНД (С.-Петербург, 2000); Международной конференции по нейрокибернетике (Ростов-на-Дону, 2002); Международной конференции «Актуальные вопросы функциональной межполушарной асимметрии» (Москва, 2003); Всероссийской конференции «Физиология слуха и речи» (С.-Петербург, 2003); Всероссийской конференция «Механизмы синаптической передачи» (Москва, 2004), Тема диссертации связана с планом основных научно-исследовательских работ Института физиологии им, А.А. Ухтомского СПбГУ по направлению «Психофизиологические механизмы формирования доминантных состояний как основа целенаправленного поведения», проводящихся по координационному плану научно-исследовательских работ АН по направлению «Физиология человека и животных», включена в плановую тему ЕЗН 5.4.00 «Изучение высших функций мозга животных и человека» (№ гос.регистрации 01.2.00 100763). Исследование поддержано грантами программы «Университеты России» №11-01-015, и Российского гуманитарного научного фонда № 04-06-00422а.
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 60 публикациях., опубликованных в отечественных и зарубежных изданиях.
Структурные предпосылки модульной организации коры
Между нейронами проходят апикальные дендриты нижерасположенных пирамидных клеток, дендриты нейронов данных слоев и приходящие сюда афферентные волокна. В глубокой части слоя III содержатся средние и крупные пирамидные клетки. Почти все нейроны этого уровня являются внутрикорковыми, их аксоны заканчиваются либо в непосредственной близости от тела клетки, либо уходят за пределы поля и заканчиваются на нейронах коры своего или противоположного полушария, организуя ассоциативные и каллозальные связи неокортекса. Дендриты, пронизывающие этот уровень коры принадлежат, главным образом, нижерасположенньш пирамидным клеткам, непрерывны также радиальные тяжи клеток, проходящие через поперечник слоев II и III, все это делает довольно условным их разделение. Слой IV характеризуется большим разнообразием форм непирамидных нейронов, организующих основную систему интракортикальных переключений. Проекционные и ассоциативные ядра таламуса - основной источник афферентов к нейронам слоев IV -VI. Слой V содержит классические большие, а также мелкие и средние пирамидные нейроны, которые являются инициальными для вертикальных пучков апикальных дендритов. На телах пирамид этого слоя локализуются тормозные корзинчатые сплетения, а на начальных сегментах их аксонов аксо-аксонные. На базальных и апикальных дендритах пирамид слоя V кортико-петальные афференты образуют множество аксо-дендритных и аксо-шипиковых синапсов. Слой VI содержит разнообразные по форме нейроны. Клетки слоев V и VI образуют основную массу кортикофугальных трактов, хотя коллатерали их аксонов участвуют в формировании внутри и межполушарных корково-корковых связей. Таким образом, каждый слой коры, независимо от функциональной специфики отдельного коркового поля, в соответствии с положением составляющих его нейронов в цепях переключения информации, можно обозначить следующим образом: слои II и III как «ассоциативные», слой IV - «сенсорный», слои V и VI - «моторные».
Морфологические факты, указывающие на радиальную ориентацию нейронных объединений, долгое время не обращали на себя внимание исследователей, хотя изучение онтогенеза коры мозга свидетельствует о том, что этот признак дифференцируется раньше, чем ламинарная организация. Онтогенез новой коры, в аспекте формирования радиальных колонок, наиболее детально прослежен в работах Ракич с применением радиоактивных меток для делящихся клеток (Rakic, 1972, 1974, 1977). Клеткам коры, возникающим в онтогенезе позднее нижерасположенных структур, приходится мигрировать из герминтативной зоны на расстояния до 10 мм к своему окончательному местоположению вдоль поверхности радиально ориентированных глиальных клеток, которые тянутся через всю стенку нервной трубки. В результате клетки располагаются радиально ориентированными тяжами, или колонками, пересекающими поперечник коры, и, по имеющимся данным, каждая такая структура происходят из одного или нескольких близко расположенных нейробластов (Rakic, 1995а). Присутствие радиальной глии служит показателем миграционных процессов в коре и косвенно указывает на определенный этап ее дифференцировки. Так у эмбрионов обезьяны клетки радиальной глии можно идентифицировать на 70-й пренатальный день, число их начинает снижаться к 120-му дню, затем обнаруживаются только переходные формы, что указывает на завершение процессов миграции корковых нейронов (Rakic, 1972,1974). Цитоархитектонические различия полей, характерные для новой коры новорожденных и взрослых приматов, еще не существуют к тому времени развития плода, когда все клетки коры достигли своего окончательного положения. Четкие цитоархитектонические черты, характерные для полей зрительной коры, можно обнаружить у обезьян через неделю после генерации последних клеток, к этому времени поле 17 становится почти таким же отчетливым и резко очерченным, как у взрослого, а его граница проходит вдоль края шпорной борозды, глубина которой сильно возрастает за это время.
В других частях новой коры обезьяны на этой стадии наблюдается хотя и менее выраженная, но также существенная архитектоническая дифференцировка. Примером могут служить появляющиеся различия в формировании слоев полей 3 и 4, расположенных вдоль стенок центральной борозды (Rakic, 1977). Таким образом, факты, установленные в вышеприведенных исследованиях указывают на то, что цитоархитектоническая дифференцировка новой коры, обусловленная формированием слоев, начинается спустя определенное время после завершения миграции нейронов из герминтативной зоны, по окончании которой клетки расположены отчетливыми радиальными колонками. Нейроны, возникшие в локальной области герминтаивного эпителия и мигрировавшие по отросткам одной или близко расположенных глиальных клеток, формируют в толще корковой пластинки одну радиальную миниколонку, которая является единицей организации развивающейся коры (Luskin et al., 1993; Rakic, 1995; Kornack, Rakic, 1995; Luskin, 1996). В настоящее время известно, что клетки предшественники нейронов разных морфотипов различаются, и одна миниколонка зрелой коры формируется не более чем из 10 нейробластов (Parnavelas et al., 1991).
В последние годы внимание исследователей привлекли тангентальные миграции нейробластов, происходящие в коре на ранних этапах пренатального онтогенеза. С помощью меченных ретровирусов удалось показать, что не все клетки перемещаются из вентрикулярной зоны строго радиально, часть их мигрирует горизонтально и причиной этого являются асимметричные деления некоторых клеток предшественников (Kornack, Rakic, 1995; Tamamaki et al., 1997). Известно, что послойная локализация клеток, а, следовательно, и их будущая функция зависят от длины клеточного цикла нейробластов, что регулируется экспрессией транскрипционных факторов (Nieto et al., 2001; Ohnuma et al., 2001). В частности экспрессия специфических маркеров предопределяет и тангентальные миграции, которые происходят в эмбриогенезе на стадии препластинки, то есть до завершения миграционных процессов, и градуально в закладках разных областей коры (ВеШоп et al., 2003). На органотопных слайсах методами иммуногистохимии прослежена последующая дифференцировка таких нейронов, в результате чего показано, что от 35 до 50% тангентально мигрирующих нейробластов превращается в тормозные ГАМК-эргичные интернейроны (Letinic et al., 2002; Polleux et a)., 2002). По интенсивности таких миграций развивающаяся кора подразделяется на области гораздо раньше, чем появляется возможность дифференцировать слои цитоархитектонически (ВеШоп et al., 2003).
Литературные сведения о структурно-функциональной организации теменной ассоциативной коры мозга млекопитающих разных систематических групп
В соответствии с идеями эволюции мозга, выдвинутыми в трудах Ч. Шеррингтона (Sherington, 1906), А.И. Карамяна (Карамян, 1970, 1976), Эббессона (Ebbesson, 1980), становление ЦНС в филогенезе шло путем последовательного добавления структур в вышерасположенных отделах, по сравнению с нижерасположенными. Каждое новое добавление сопровождалось выработкой все более сложного поведения и одновременно создавалась необходимость в регуляции деятельности ниже расположенных отделов (Белехова, Веселкин, 1985; Белехова, 1987; Реперан и др., 1990). Отсюда возникло представление об иерархическом принципе организации мозга, при котором происходит структурно-функциональное соподчинение разных его уровней, с образованием комплекса широко взаимосвязанных систем (Карамян, 1976; Ebbesson, 1980; Mountcastle, 1981, 1997; Белехова, 1985). Постепенное многоуровневое усложнение структур мозга предполагает наличие исходных единиц такого преобразования. Представление о пространственно упорядоченной трехмерной организации коры, которая демонстрирует как межвидовое, так и региональное разнообразие структуры, при универсальности исходной единицы — миниколонки, подтолкнуло некоторых исследователей к поиску аналогов модульной организации в других отделах ЦНС. Поиски сходства нейронных объединений с миниколонками коры вполне объяснимы, очевидно, что возникшие однажды в филогенезе удачные формы организации имеют больше шансов быть использованными в дальнейшем при морфофункциональном усовершенствовании нервной системы. Я. Сентаготаи предложил модель модульной организации спинного мозга, согласно которой продольные колонны клеток соединяются с помощью поперечных комиссур (Szentagothai, Arbib, 1976). Столбы ядер в сером веществе спинного мозга обосновано и неоднократно сравнивали с модулями коры (Бабминдра, Брагина, 1982; Buxhoeveden, Casanova, 2002). При этом исследователи обращали внимание на то, что в спинном мозге, как и в коре их основу составляют пучки дендритов нейронов, обнаружены они у кролика, кошки, обезьяны. У этих животных в передних рогах спинного мозга на уровне поясничных сегментов в пучки объединяются до 80% дендритов (Sheibel, Sheibel, 1973; Roney et al.,1979). Отмечается их появление и постепенное развитие в постнатальном онтогенезе (Бабминдра, Брагина, 1982). У новорожденных котят пучки дендритов отсутствуют. Они появляются только на 2-й неделе после рождения, что соответствует началу активных движений у котенка. Каждый пучок состоит чаще всего из 3-4 дендритов, хотя встречаются и более крупные пучки, включающие в свой состав 15-25 дендритов. Диаметр отдельного пучка варьирует от 10 до 75 мкм. В состав пучков могут входить как дендриты мотонейронов, так и вставочных клеток своей и противоположной стороны (Бабминдра, Брагина, 1982; Гладкович, 1985; Sheibel, Sheibel, 1973). Кроме объединения клеток пучками дендритов, отдельные, пространственно упорядоченные популяции близкорасположенных нейронов спинного мозга гомогенны нейрохимически: по экспрессии определенных рецепторов (например к нейрокинину-1 и субстанции Р), в отношении ГАМК и других нейротрансмиттеров (Abbadie et al., 1999). Еще одной распространенной формой объединения дендритов в сложные агрегаты являются гломерулы и кластеры, характерные для ганглиев периферической нервной системы, наружного коленчатого тела и обонятельных луковиц (Серков, 1977; Бабминдра, Брагина, 1982; Ноздрачев, 1993, 2002; Szentagothai, Arbib, 1976). Те или иные формы объединения нейронов, имеющие функциональное значение обнаружены в нервной системе как позвоночных, так и беспозвоночных животных. Организация ганглиев насекомых соответствует ряду признаков модульной организации (Лапицкий, 1987; Никитин, Лапицкий, 2000). В таламических и стволовых структурах мозга грызунов, связанных с обработкой информации от вибрисс на морде животного, выделены клеточные агрегаты (баррелоиды) (Van der Loos, 1978; Haidarliu, Ahissar, 1997; Henderson et al.,1992). В стриатуме убедительно продемонстрированы группировки нейронов, входящие в состав стриосом, которые по нейронному составу, характеру пространственной ориентации дендритов отличны от клеток матрикса (Леонтович, 1978; Горбачевская, Чивилева, 2003). В.П.Бабминдра и Т.А.Брагина, обобщив результаты исследований межнейронных отношений на разных уровнях нервной системы млекопитающих от ганглия до коры конечного мозга пришли к выводу, что структурно-функциональные ансамбли нейронов характерны для всех рассмотренных образований, что «позволяет быстро и с высокой степенью надежности осуществлять интегративную функцию» (Бабминдра, Брагина, 1982, стр. 142).
Еще одна структура - центральное серое вещество (ЦСВ) среднего мозга млекопитающих при своей мультифункциональности и нейрохимической гетерогенности может быть рассмотрена в свете принципа модульной организации нервной ткани. ЦСВ мозга млекопитающих является ключевой структурой для организации многих, эмоционально окрашенных, форм поведения. Вместе с тем его структурно-функциональная организация сложна и в настоящее время ее невозможно оценить однозначно. Нейронная, миело- и нейрохимическая организация ЦСВ позволила описать его как гетерогенную мозаику модулей структурно и нейрохимически идентичных нейронов, скорее, чем совокупность ядер с четкими границами (Mantyh.,1982). При описании серого вещества мозга чаще всего используется описание нейронных объединений в виде ядер, принимая во внимание, то, что ЦСВ имеет достаточно большую ростро-каудальнуга протяженность вдоль сильвиева водопровода, в этой структуре их чаще обозначают колоннами.
Исследование функционально-метаболических модулей в поле 7 теменной коры мозга кошки
Данная часть работы была выполнена на половозрелых самцах кошки: трех односторонне энуклеированных и двух интактных. Операции по энуклеации проводились в совместных экспериментах лаборатории нейрогистологии ФИН им. И.П.Павлова РАН и лаборатории физиологии сенсо-моторных систем НИИ физиологии им. А.А.Ухтомского СпбГУ. Методика операции описана в статье ОН. Топоровой с соавторами (1997). Животные после операции жили 14 суток. Мозг фиксировали и обрабатывали на ЦО реактивность по выше приведенной методике. Кроме того, в работе была использована серия фронтальных препаратов мозга кошки, окрашенных крезиловым фиолетовым по Нисслю и две непрерывные серии полутонких горизонтальных срезов коры поля 7, окрашенных парафенилендиамином (см. глава 2.2).
Литературные сведения по функционально-метаболическому маркированию мозга, суммированные в обзоре С.Н. Топоровой, свидетельствуют о том, что метод ЦО позволяет наблюдать пространственно упорядоченное представительство зрительных рецепторов после односторонней энуклеации глаза или одностороннего сшивания век у обезьян и кошки во всех структурах, которые являются мишенями входов от оперированного глаза (обзор Топорова, 1996). Однако зрительные входы необходимы для реализации сложных форм поведения, генерируемых на уровне ассоциативных областей неокортекса, о чем свидетельствуют данные физиологических исследований (Черенкова, 2001; Duhamel et al.,1992; Brotchie et al.,1995; Rushworth et al., 1997). Указания на то, что односторонняя энуклеация глаза вызывает неоднородное изменение ЦО-реактивности не только в релейных зрительных структурах, но и интегративньгх получено в работах С.Н.Топоровой с соавторами (Топорова и др., 1997;) и П.А.Зыкина (Зыкин, 2003).
В данной работе исследована реакция поля 7 теменной коры мозга кошки на одностороннюю энуклеацию глаза. Локализацию поля проводили по данным Хасслер и Мус-Клемент (Hassler, Muhs-Clement, 1964).
Для выявления реакции коры на одностороннюю энуклеацию глаза сравнивали гистохимическую реактивность ЦО у интактных и экспериментальных животных, а также использовали метод компьютерного анализа оптической плотности срезов. ЦО-реактивные слои поля 7 на фронтальных срезах мозга интактных животных, различаются по интенсивности окраски неиропиля и тел, составляющих их нейронов, а границы совпадают с цитоархитектоническими слоями. Тела клеток прокрашиваются отчетливо только в слое V, слои I, II, III, IV и VI различаются интенсивностью окраски неиропиля и поэтому имеют разную оптическую плотность (рис.23 А).
Слои I и II характеризуется низким уровнем реактивности фермента. Окраска вдоль комплекса этих слоев равномерная. Слои III и IV имеют большую оптическую плотность, отчетливо выделяясь на препаратах в виде широкой, равномерно окрашенной полосы. Слой V по уровню ЦО-реактивности возможно разделить на два подслоя: вышележащий подслой Va, который характеризуется низкой интенсивностью окраски неиропиля, по его верхнему уровню легко определяется нижняя граница комплекса слоев III - IV, и подслой Vb, который на фоне поперечника коры выделяется наиболее яркой окраской. Небольшое количество средних и крупных интенсивно окрашенных пирамид можно дифференцировать по всему слою V. Слой VI показывает умеренную ЦО-реактивность неиропиля, которая постепенно, по мере перехода к белому веществу, снижается до слабой. Подлежащее белое вещество характеризуется очень низкой оптической плотностью. Таким образом, кора поля 7 демонстрирует чередование слоев с высокой, низкой и умеренной реактивностью фермента и равномерным его распределением вдоль слоев. Графики оптической плотности, построенные для комплекса слоев III и IV, подтверждают эти визуальные наблюдения. Нерегулярные узкие пики более высокой или низкой оптической плотности, наблюдаемые на всех графиках вдоль всего комплекса слоев III-IV, объясняются проходящими сосудами, мелкими дефектами препаратов. У животных с односторонней энуклеацией глаза в поле 7 ипси- и контрлатерального полушарий можно наблюдать такое же распределение активности фермента по слоям, как и у интактных. Однако, в отличие от последних, комплекс слоев III и IV характеризуется неравномерной окраской: интенсивно окрашенные участки разделяются елабоокрашенными (рис.23.Б). Такие закономерно повторяющиеся «пятна» более и менее высокой ЦО-реактивности отчетливее выражены в контрлатеральном полушарии. Однако, нерезкие границы «пятен», с плавным переходом от интенсивной окраски к низкой затрудняют их морфометрию. В связи с этим на компьтерных изображениях препаратов поля 7 мозга интактных и энуклеированных животных сначала определялись средние значения оптической плотности вдоль слоев III и IV, а затем строились графики этих значений. Такая обработка подтвердила визуально наблюдаемые различия в распределении ЦО-реактивности вдоль слоев III и IV у экспериментальных животных, по сравнению с интактными. Кроме того, графики оптической плотности позволили провести морфометрию областей гетерогенной активности и подтвердили постепенный переход от высокой интенсивности окраски «пятен» к низкой, (табл. 1).
Исследование модулей проекционных таламо-кортикальных нейронов в медиальном коленчатом теле мозга летучей мыши
Принципиально сходное расположение нейронов, относящихся к морфологическому типу пучковидных (с дисковидными дендритными полями), отмечено во многих релейных и ассоциативных ядрах таламуса (Бабминдра, Брагина, 1982; Бережная, 2003; Morest, 1964, 1965). Медиальное коленчатое тело (МКТ), как это показано на основании изучения цитоархитектоники и нейронного состава, разделяется на два ядра; принципальное мелкоклеточное и крупноклеточное. Мелкоклеточное формирует латеральный отделе МКТ, крупноклеточное - медиальный (Morest, 1964,1965). Именно принцип ал ьн ому ядру адресуется большая часть волокон слухового восходящего пути, а цитоархитектонически в нем выделяют дорсальную и вентральную части (NHmi, Naito, 1974). Вентральная состоит из мелких нейронов с характерными пучковидными дендритами, которые ветвятся в одной плоскости, образуя дендритные поля дисковидной формы. Пучковидные нейроны располагаются в вентральном отделе параллельными слоями, между которыми проходят, входящие в МКТ, афферентные волокна ручки нижнего двухолмия (Morest, 1964, Patterson, 1976). Согласно многочисленным литературным данным, полученным на млекопитающих разных систематических групп, эти волокна дают многочисленные коллатерали, которые, разветвляясь, образуют синапсы на дендритах пучковидных нейронов. Такая пространственная упорядоченность связей лежит в основе тонотопической организации вентральной части принципального ядра. Впервые установленная в МКТ кошки, на основании регистрации вызванных потенциалов при электрической стимуляции улитки (Rose, Woolsey, 1949) и впоследствии обнаруженная у других животных (Sally, Kelly,1988; Ке11у,1990;), тонотопическая упорядоченность заключается в том, что сигналы от высокочастотной базальной части улитки поступают к медиальным слоям, а низкочастотной апикальной — к латеральным слоям вентральной части принципал ьного ядра МКТ. Хотя в большинстве работ подчеркивается латеро-медиальная шкала частот, иногда встречаются сообщения о том, что в каудальной части этого отдела МКТ расположены клетки с низкими частотами, а в ростральных с более высокими (Aitkin, Webster, 1971; Calford, Webster, 1981). Однако, учитывая концентрический характер расположения слоев, этот факт может быть следствием изменения радиуса их кривизны на полюсах структуры и, таким образом, сложностей идентификации места регистрации нейронов. Помимо нейронов с пучковидными дендритами, в вентральной части МКТ выделяют звездчатые типа Гольджи II клетки, их характеризуют радиальные дендриты, локально ветвящийся аксон и полисенсорные свойства, что получило подтверждение в электрофизиологических исследованиях (Серков, 1977; Allon et ah, 1981; Morest, 1971). Клетки данного типа относят к тормозным, ГАМК - эргичным и, хотя они является обязательным структурным элементом МКТ, по их количественному соотношению с релейными пучковидными, медиальное коленчатое тело мозга животных разных систематических групп значительно различается. Так у крысы слуховой таламус содержит только 1% ГАМК-эргичных нейронов (Winer, Larue, 1988, 1996), что много меньше, чем в мозге кошки и обезьяны - по 25% (Smith et al., 1987; Winer and Larue, 1996). Пучковидный тип нейронов, будучи моносенсорным слуховым, является инициальным для таламо-кортикальных проекций, звездчатые клетки являются интернейронами МКТ.
С одной стороны, талам о-кортикальные проекции играют роль одного из важнейших экстракортикальных факторов дифференцировки модулей неокортекса, а с другой, в зависимости от локализации и функциональной специализации реципиентного локуса коры, формируются объединения таламо-кортикальных нейронов, определенным образом ориентированных в границах соответствующей субструктуры таламуса (Fox et al.,1996). Характер расположения таких проекционных клеток в виде дискретных групп или их диффузное распределение в таламическом ядре коррелируют с гетерохимизмом нейронов (Jones, 1998; Fournier et al.,2004). Локализация и нейрохимическая специализация подобных клеток предопределяют характер афферентации и последующую обработку сигналов в коре. В свете этого вполне обоснованным выглядит предположение о том, что реципрокные таламо-кортикальные и корти ко-таламические влияния выполняют роль экстракортикальных факторов дифференцировки как корковых модулей, так и модулей проекционных таламо-кортикальных нейронов,
С учетом этого предположения проведено исследование таламо-кортикальных отношений в мозге летучей мыши по результатам мечения инициальных таламических нейронов ретроградным трейсером пероксидазой хрена (ИХ). Материал, методы исследования, ход экспериментов и результаты изложены в главе 3.4. Результаты проведенного исследования показали, что в коре конечного мозга рукокрылых, несмотря на ее слабые цитоархитектонические различия, по характеру таламо-кортикальных отношений, возможно локализовать основные сенсорные (зрительную, слуховую), недифференцированную сенсомоторную и теменную ассоциативную области. В результате исследования особенностей локализации инициальных нейронов таламопетальных проекций, выявленных после введения ретроградного трейсера в разные области коры, идентифицированы их миниобъединения в виде слоев, пластин, групп. Однако топическая упорядоченность обнаружена только для слуховой системы, где отмечены группы геникуло-кортикальных нейронов - модулей таламо-кортикального взаимодействия.
Миниаппликации кристаллов ПХ в дискретные точки височной области коры, вдоль ее ростро-каудальной оси, закономерно сопровождались появлением плотноклеточных с четкими границами модулей ПХ-позитивных клеток в вентральной части принципального ядра МКТ. После введения фермента в ростральную височную кору модули ПХ-позитивных нейронов идентифицированы в МКТ дорсо-медиально, их характеризует клиновидная форма и медио-латеральная ориентация. Маркированные клетки, в соответствии с формой тела, можно отнести к веретеновидньш, округлым, треугольным, они собраны в цепочки разной длины, в которых насчитывается от 3 до 15 нейронов. Самые короткие из них расположены медиально, длинные — латерально, при этом все цепочки лежат поперек длинной оси модуля (рис.36).
