Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 12
1.1. Система связей лобной области коры с различными отделами мозга и приуроченность функций к полям 45, 10 и 8 13
1.2. Особенности макро- и микроструктуры коры лобной области большого мозга человека в постнатальном онтогенезе 16
1.3. Ансамблевая организация коры лобной области большого мозга человека 26
1.3.1. Модульный принцип организации неокортекса 28
1.3.2. Нейро-глио-сосудистый ансамбль как анатомическая модель структурно-функциональной единицы коры большого мозга 33
1.3.3. Структурные преобразования ансамблевой организации коры лобной области в постнатальном онтогенезе 36
1.4. Ансамблевая организация коры мозжечка человека 37
1.4.1. Компоненты ансамблевой организации в зернистом слое коры неоцеребеллума 38
1.4.2. Возрастные особенности нейронных ансамблей в зернистом слое коры мозжечка человека 40
1.5. Периодизация развития экранных структур мозга человека 42
Глава 2. Материал и методы исследования 45
2.1. Материал исследования 45
2.2. Обследованные зоны коры большого мозга 47
2.3. Гистологические методы 50
2.4. Морфометрия 51
2.5. Методы математической обработки полученных данных 56
2.6. Морфометрический синтез 57
Глава 3. Результаты собственных исследований 60
3.1. Изменения ансамблевой организации коры лобной области большого мозга от рождения до 20 лет 60
3.1.1. Нейроархитектоника и особенности ансамблевой организации коры в поле 45 60
3.1.2. Нейроархитектоника и особенности ансамблевой организации коры в поле 10 79
3.1.3. Нейроархитектоника и особенности ансамблевой организации коры в поле 8 97
3.1.4. Структурные преобразования микроциркуляторного русла лобной области коры большого мозга человека в постнатальном онтогенезе 114
3.2. Изменения ансамблевой организации коры мозжечка от рождения до 20 лет 124
3.2.1. Особенности ансамблевой организации коры мозжечка 124
3.2.2. Возрастные микроструктурные преобразования зернистого слоя коры мозжечка 126
3.3. Возрастная периодизация структурных преобразований ансамблевой организации лобной области коры большого мозга и коры мозжечка по данным морфометрического синтеза 130
3.3.1. Возрастная периодизация структурных преобразований ансамблевой организации лобной области коры большого мозга 130
3.3.2. Возрастная периодизация структурных преобразований кластерной организации зернистого слоя коры мозжечка 136
Глава 4. Обсуждение результатов исследования 140
Выводы 163
Список литературы 165
Приложение
- Система связей лобной области коры с различными отделами мозга и приуроченность функций к полям 45, 10 и 8 13
- Ансамблевая организация коры лобной области большого мозга человека
- Обследованные зоны коры большого мозга
- Изменения ансамблевой организации коры лобной области большого мозга от рождения до 20 лет
Введение к работе
Актуальность исследования. Известно, что нервная система, подобно всем системам организма, постоянно претерпевает функциональные, структурные и метаболические, в том числе возрастные преобразования (Wong-Riley М.Т.Т., 1989; Golding D.W., 1994; Фанарджян В.В., 1995; Боголепов Н.Н., 1996; Швалев В.Н., 1996). Разработка целостных представлений о структурной организации и системных морфологических преобразованиях различных отделов мозга человека на разных этапах индивидуального развития составляют одну из нерешенных проблем современной неврологии (Саркисов С.А., 1960; Адрианов О.С., 1987; Боголепов Н.Н., 1992; Худоерков P.M., 1995; Боголепова И.Н. и соавт., 2003).
В настоящее время особую актуальность приобретают исследования возрастных структурных изменений ансамблевой организации корковых формаций мозга (Антонова A.M., 1985; Бабминдра и соавт., 1988; LeiseE.M., 1990; Семенова Л.К. и соавт., 1994; Kozlov V.I. et al., 2005). Возрастной системный подход к изучению корковых формаций позволяет не только проследить динамику структурных преобразований в онтогенезе, но и сопоставить характер детерминируемых изучаемыми структурами возрастных функциональных проявлений с возрастными особенностями их структурной организации (Лурия А.Р., 1973; Хризман Т.П. и соавт., 1991; Farber D.A. et al., 1993; LaBerge D., 1995).
Изучению структуры различных отделов коры мозга человека в онтогенезе посвящены фундаментальные работы коллектива Института мозга РАМН (Филимонов И.Н., 1953; Поляков Г.И., 1959; Преображенская Н.С., 1959; Станкевич И.А., 1965; Шевченко Ю.Г., 1972). Систематические данные о возрастных преобразованиях лобной области коры представлены в работах Е.П.Кононовой (1940-1972), J.L.R.Conel (1939-1967), Т.А.Цехмистренко (1988), Н.В.М. Uylings et al., (1990).
Многосторонние функции лобных долей мозга, особенно их важнейшая роль регулятора в процессах активации, а также в механизмах произвольного контроля с помощью речи делают выяснение особенностей возрастных микроструктурных преобразований коры лобной области большого мозга особенно актуальным: именно она обеспечивает наиболее сложные интегративные процессы в центральной нервной системе (Поляков Г.И., 1965; Хомская Е.Д., 1976; Лурия А.Р., 1982; Fuster J.M., 1997; Owen A.M., 1997; Duncan J. et al., 2000).
По мере совершенствования методов становятся все более актуальными исследования, направленные на выяснение механизмов нейронной интеграции, важнейшим звеном которой являются структурные и функциональные объединения нейронов (Новожилова А.П., БабминдраВ.П., 1996). Исследование преобразований клеточных популяций в онтогенезе на основе методов количественной оценки их структурной организации является одной из наиболее актуальных задач нейроморфологии (Леонтюк А.С, 2002). Возрастные преобразования нейронных группировок в лобной области коры больших полушарий и коре мозжечка представляют большой интерес для изучения (Goldman-Rakic P.S., 1984; Cummings J.L., 1993). Это связано с большой функциональной значимостью центральных регуляторных систем мозга с участием этих корковых формаций как для индивидуального развития, так и для успешной адаптации в различных средовых условиях (Агаджанян Н.А., 1983; Агаджанян Н.А. и соавт., 1986; Агаджанян Н.А., Никитюк Б.А., 1999; Боголепова И.Н., 1994; Семченко В.В., 1994; Бароненко В.А., 2002).
Изучение морфофункциональных аспектов ансамблевой организации корковых формаций мозга проводились B.Mountcastle (1981), J. Szentagothai (1983, 1993), А.С.Батуевым (1981), В.П.Бабминдра и соавт. (1988). В исследованиях А.М.Антоновой (1978, 1985) анатомически обосновано построение сенсомоторной и соматосенсорной коры мозга человека по нейро-глио-сосудистому радиарно-ячеистому принципу.
Позднее была подтверждена обоснованность распространения этих представлений и на другие области коры больших полушарий (Семенова Л.К. и соавт. (1989, 1994). Однако систематические исследования структурных взаимоотношений компонентов нейро-глио-сосудистых ансамблей лобной области коры мозга человека с помощью современных нейроанатомических и компьютерных методов в широком онтогенетическом плане до сих пор не проводились.
Филогенетически наиболее новыми, «сугубо человеческими», испытывающими значительное формирующее воздействие социального фактора принято считать корковые поля, имеющие отношение к эффекторным речевым функциям, в частности поле 45, функционально связанное с экспрессивной (моторной) речью, а именно с правильным произношением слов, связных предложений и пением. Речедвигательные поля сравнительно мало изучены (Боголепова И.Н. и соавт., 2000, 2002), как и недостаточно изученными остаются возрастные структурные изменения глазодвигательного поля 8, участвующего в регуляции процесса письма, и интегративного поля 10, принимающего участие в построении алгоритмов сложных поведенческих реакций и управлении эмоциональным поведением (Groenewegen HJ. et al., 1997; Barcelo F., 2000; Miller E.K., Cohen J.D., 2001; Rowe J.B., 2005).
Известно, что капиллярная сеть вместе с приносящими артериолами и отводящими венулами действует как единый модуль, который вместе с окружающими тканевыми компонентами составляет гистофизиологическую микросистему органа. В функциональном отношении каждый микрососудистый модуль обеспечивает кровоснабжение в соответствующем микрорегионе органа и поддержание в нем гомеостаза; поэтому он и рассматривается как функциональный элемент органа (Козлов В.И., 1994; 2002; Охотин В.Е., Куприянов В.В., 1996). В то же время сосудистый компонент внутрикорковых ансамблей экранных структур мозга в возрастном аспекте изучен недостаточно (Vorbrodt A.W. et al., 1990; Банин В.В., 2002).
В последнее время все больше внимания уделяется исследованию тонких интра- и транскортикальных связей коры большого мозга (Peters А. et al., 1990; Braitenberg V., Schuz A., 1991). Однако, несмотря на достаточную изученность структуры локальных внутрикорковых межнейронных и нейро-глиальных взаимоотношений, возрастные аспекты их преобразований в системе нейро-глио-сосудистых ансамблей лобной коры остаются недостаточно разработанными (Оржеховская Н.С., 1973, 2000).
У человека наибольшей полноты развития и сложности структурной дифференцировки по корковому типу наряду с корой большого мозга достигает кора мозжечка (Cajal S.Ramon у, 1909-1911; Palay S.L., Chan-Palay V., 1974; Sultan F., Braitenberg V., 1993). В последнее время все больше внимания уделяется изучению постнатальных изменений микроструктуры коры мозжечка (Zecevic N., Rakic P., 1976; Karam S.D., Kim Y.S., Bothwell M., 2001; Liesi P. et al., 2003). Однако, несмотря на достаточную изученность нейроархитектоники и структуры локальных межнейронных связей в коре мозжечка (Eccles J.C. et al., 1967; Фанарджян В.В., 1975; Braak Е., Braak Н., 1983; Carpenter M.V., 1991), возрастные аспекты преобразований ее ансамблевой организации остаются неразработанными.
В современных морфологических исследованиях широко применяются компьютерные методы считывания и обработки количественных данных непосредственно с гистологических препаратов, позволяющие получить новую достоверную и объективную информацию (Обухов Д.К., 1994; Рудаков П.И. и соавт., 2000). Однако работы по изучению микроструктуры лобной области коры большого мозга человека с применением компьютерного анализа оптических изображений единичны (Цехмистренко Т.А. и соавт., 2000; Боголепова И.Н. и соавт., 2003), а для комплексного изучения возрастных преобразований ансамблевой организации лобной области коры и коры мозжечка на микроанатомическом уровне компьютерные методы исследования практически не применялись.
Цель исследования. Цель настоящей работы состоит в изучении структурных преобразований нейронных ансамблей коры лобной области большого мозга и коры мозжечка человека от рождения до 20 лет.
Задачи:
1. Изучить в погодовых интервалах структурные преобразования нейро-глио-сосудистых ансамблей в функционально различных полях (45, 10 и 8) лобной области коры большого мозга человека.
2. Изучить на количественной основе перестройку нейро- и фиброархитектоники полей 45, 10 и 8 лобной области коры большого мозга человека от рождения до 20 лет.
3. Выявить компоненты ансамблевой организации в зернистом слое коры неоцеребеллума и изучить возрастные перестройки нейронных ансамблей в коре мозжечка человека от рождения до 20 лет.
4. На основе морфометрического синтеза комплекса количественных параметров выявить динамику и периоды развития нейронных ансамблей экранных структур мозга.
Объектом исследования служили поля 45, 10 и 8 коры лобной области большого мозга и кора в области двубрюшной дольки мозжечка человека от рождения до 20 лет. Выбор полей обусловлен как функциональной значимостью собственно исследуемых корковых локусов, так и пониманием важной роли анализируемых структур в целостных механизмах построения комплексных алгоритмов поведенческих программ.
Научная новизна исследования. На основе комплексного исследования 45, 10 и 8 полей лобной области коры большого мозга человека, а также коры мозжечка в период от рождения до 20 лет получены новые данные об особенностях развития ансамблеобразующих слоев в каждом конкретном поле, установлены общие и специфические особенности динамики развития этих полей. В коре большого мозга установлены периоды интенсивного и замедленного роста группировок нейронов в III и V корковых слоях, входящих в их состав пирамидных и непирамидных нейронов, количественные характеристики фиброархитектоники, а также удельные объемы глиального и сосудистого компонентов микроструктурной организации коры. На основе методов морфометрического синтеза получены новые данные о возрастных периодах развития нейро-глио-сосудистых внутрикорковых ансамблей коры большого мозга человека, а также об особенностях возрастных преобразований ансамблевой организации коры мозжечка человека. Впервые показано, что в постнатальном развитии внутрикорковых ансамблей динамика изменений глиального и сосудистого компонентов в их структуре носит периодический характер.
Научная и практическая значимость исследования.
Полученные данные позволяют расширить теоретические представления о структурных изменениях нейро-глио-сосудистых ансамблей коры лобной области и кластерной структуры зернистого слоя коры мозжечка человека в процессе постнатального онтогенеза.
Данные о возрастных преобразованиях микроструктуры полей лобной области коры, имеющих отношение к контролирующим аппаратам речевой функции, перцептивной деятельности в ходе зрительного восприятия, а также регуляции мотивационных и психоэмоциональных состояний, особенно актуальны в связи с задачами совершенствования интегративных функций мозга детей и подростков в процессе современного образовательного процесса с учетом возрастных возможностей организма и особенностей постнатального развития мозга.
Результаты исследования представят интерес для специалистов, работающих по проблемам возрастной морфологии, физиологии, а также для психологов и психофизиологов.
Полученные данные использованы в преподавании анатомии нервной системы на кафедре анатомии человека Российского университета дружбы народов, а также при разработке учебного пособия для вузов В.И.Козлова и соавт. «Практикум по анатомии для стоматологов», М., Изд-во РУДН, 2007, гриф КУМС по анатомии и гистологии Министерства здравоохранения и соцразвития РФ.
На защиту выносятся следующие положения:
1. В постнатальных преобразованиях ансамблевой организации лобной области коры большого мозга и зернистого слоя коры мозжечка человека выделены 4 качественно отличающихся периода развития: от рождения до 1 года, от 2 до 4 лет, от 5 до 8-9 лет и от 9-10 до 20 лет.
2. В перестройке нейронных ансамблей экранных структур мозга отмечается:
- в течение первого периода (первый год жизни ребенка) - формирование нейронных группировок лестничного и гнездного типа (кластеризация нейронного пула ансамблеобразующих слоев), преобладание жестких (доминантных) системных связей;
- в течение второго периода (2-4 года - усложнение структуры гнездных группировок благодаря росту и дифференцировке составляющих их нейронов, преобладание вертикальных внутрикорковых связей;
- в течение третьего периода (от 5 до 8-9 лет) - дифференцировка и специализация нейронных ансамблей, интенсивное формирование внутри- и межансамблевых горизонтальных связей.
- в течение четвертого периода (от 9-10 до 20 лет) - специализация нейронных ансамблей, преобладание гибких (вероятностных) локальных системных связей; структурная организация нейронных ансамблей постепенно стабилизируется.
Система связей лобной области коры с различными отделами мозга и приуроченность функций к полям 45, 10 и 8 13
Известно, что особенности связей конкретных корковых зон и локусов с различными отделами мозга определяют функциональную специфику коры и ее региональные функциональные характеристики. Каждая область новой коры, обладающая собственной цитоархитектоникой и собственной "функцией", обладает отличным от других набором внешних связей, то есть своей собственной организацией таламических, кортико-кортикальных, межполушарных и длинных нисходящих связей (Edelman G.M., Mountcastle V.B., 1978).
Афферентные и эфферентные связи лобной области коры изучены преимущественно на животных (Reep R., 1984; Kristt A.D. et al., 1985). Лобная кора является проекционным полем дорзомедиального ядра таламуса (Rose J.E., Woolsey C.N., 1949), латеральная часть которого проецируется к полю 8, центральная - к дорзолатеральной фронтальной области (Bailey Р., Bonin G., 1947), медиальная - к орбитальной коре (Freeman W., Watts J.W., 1948). K.Akert (1964) выделяет в лобной гранулярной коре дорзомедиальную область, у которой таламические проекции появляются впервые у приматов. К фронтальной области коры следуют прямые связи от дорзальной (специфически зрительной) и вентральной частей наружного коленчатого тела, а также иннервация от зубчатого ядра мозжечка и от зрительной и слуховой областей коры через группу вентральных ядер таламуса (Батуев А.С., 1980; Батуев А.С. с соавт., 1983).
Из нисходящих связей лобной области коры известны пути к гипоталамусу, гиппокампу, к полосатому телу, ядрам моста и мезэнцефалической ретикулярной формации (Nauta J.H., 1968; Skinner J., Lindsley D., 1973). Лобные доли больших полушарий посредством многочисленных пучков длинных ассоциативных волокон связаны с остальными зонами коры (Pandya D.N. et al., 1969; Jones E.G. et al., 1979).
Ассоциативные влияния передаются по двум системам аксонов: тангенциальным волокнам молекулярного слоя и дугообразным корково-корковым волокнам (Адрианов О.С, 1976). Дугообразные волокна оканчиваются на шипиках дендритов нижних слоев коры (V и VI-VII) и частично на интернейронах IV слоя. В тангенциальные связи пирамидные нейроны III и V слоев включены через апикальные дендриты в молекулярном слое.
В исследованиях С.Б.Дзугаевой (1975) показано, что рост и развитие ассоциационных пучков идет параллельно формированию неокортикальных формаций мозга. По ее данным сдвиги в формировании ассоциативных путей происходят у детей от 1 до 7 лет, а верхний продольный пучок, волокна которого имеют прямое отношение к речедвигательным полям 44 и 45, продолжает развиваться и после 7 лет. Афферентные окончания этих структур в коре имеют вид отдельных ветвящихся волокон и в онтогенезе развиваются одновременно с апикальными дендритами, в конце концов контактируя с шипиками по всей длине дендритов (Scheibel М. et al., 1975).
Необходимость комплексного изучения структурных преобразований коры лобной области большого мозга человека в постнатальном онтогенезе диктуется функциональной значимостью центральных регуляторных систем с их участием для индивидуального развития (Semenova L.K. et al., 1993; Боголепова И.Н. и соавт., 2003). Филогенетически наиболее новыми, «сугубо человеческими», испытывающими значительное формирующее воздействие социального фактора принято считать корковые поля, имеющие отношение к эффекторным речевым функциям, в частности поле 45 в области area triangularis, функционально связанное с экспрессивной (моторной) речью, а именно с правильным произношением словосочетаний, связных предложений и с пением (Войно М.С., 1964). Эти функции реализуются посредством активации локально-специфических связей речедвигательных полей с лицевой областью моторной коры, управляющей речевой мускулатурой, в том числе жевательной и мимической мускулатурой лица, а также мышцами языка и гортани (Jurgens U. et al., 1970, 1979; Li Yq et al., 1993; Kirzinger A, Jurgens U.,1994). Количественные и качественные характеристики структурно-функциональной организации речедвигательных полей, неполны по возрастному ряду, часто получены на небольшом количестве произвольно сгруппированных наблюдений.
Сравнительно мало изученными остаются возрастные структурные изменения полей лобной коры, непосредственно примыкающих к предцентральной извилине (Батуев А.С., 1981, Sereno M.I., 1998). Так, интерес представляет интегративно-пусковое поле 8 в области area frontalis intermedia, принимающее участие в регуляции глазодвигательных реакций, в том числе в процессе письма (Хризман Т.П., 1991).
Выделяя три уровня структурно-функциональной организации коры, Г.И.Поляков (1949) относил поле 8 к типично вторичным формациям, по своему строению имеющим переходный характер между первичными проекционными и третичными ассоциативными зонами мозга. По данным Е.П.Кононовой (1940) особенностью поля 8 премоторной области является слабое развитие зернистого слоя IV, что по структуре приближает его к агранулярным двигательным полям.
Поле 10, или area frontopolaris, расположено на латеральной поверхности в области лобного полюса (Brodmann К., 1909). По данным Е.П.Кононовой (1962) поле 10 относится к типичным гранулярным корковым полям, а по классификации Г.И.Полякова (1973) - к третичным ассоциативным формациям. Поле 10 принимает участие в программировании поведения с учетом психоэмоциональных состояний, выработке алгоритмов поведенческих реакций и приоритетов. Поле 10 характеризуется тонкой радиарной исчерченностью и ясно выраженными слоями II и IV (Pribram К.Н., 1973).
Ансамблевая организация коры лобной области большого мозга человека
Работами R.Lorente de Noo (1938), V.B.Mountcastle (1957, 1981), J.Szentagothai, M.Arbib (1976) были развиты представления о структуре и функциональных проявлениях корковых модулей как универсальной интегративной единице коры головного мозга.
Впервые на вертикальную упорядоченность нейронов в виде колонок в структуре неокортекса обратил внимание R.Lorente de Noo (1938). Существование функциональных колонок было продемонстрировано V.P.Mountcastle (1957) для соматосенсорной коры, где механосенсорные нейроны сгруппированы в соответствии с модальностью. Позднее D.H.Hubel, T.N.Wiesel (1962) обнаружили глазодоминантные колонки в зрительной коре, сочетание которых формировало проекционную колонку - корковый модуль. M.Colonnier (1966, 1967) одним из первых описал группу клеток со множеством связей в вертикальном и, в меньшей степени, в горизонтальном направлениях как интегративную единицу неокортекса. M.E.Scheibel, A.B.Scheibel (1970) развивали представления о неспецифическом модуле коры, функционирование которого анатомически обеспечивается сочетанием специфической и неспецифической таламо-кортикальной афферентации в отдельных корковых локусах. K.H.Pribram et al., (1974) была разработана голографическая теория деятельности нейронных сетей, в которой подчеркивалась значимость нейронных групп (ансамблей) на различных уровнях организации мозга для перцептивной деятельности. T.Woolsey et al. (1970) в IV слое соматосенсорной коры мыши были выявлены "бочонки" -морфологически структуры, которые принято рассматривать в качестве классических проекционных колонок - модулей.
В настоящее время модульная организация коры большого мозга является общепризнанной (Rager G., 1983; Hubel D.H., Wiesel T.N., 1977; Hubel D., Livingstone M., 1990). Модульная конструкция типична для высших корковых формаций мозга и обнаружена в коре кошек и обезьян (Jones Е., Wise S., 1977; Juliano S. et al., 1981), в зрительной (Tootell К. et al., 1982), слуховой (Abeles M., Goldstain M., 1970; Генис Е.Д. с соавт., 1973), двигательной (Wise S. et al., 1979) и теменной (Bonin G., Von Mehler W., 1971) областях коры, в каждой из которых авторами отмечались характерные для данной области особенности структурных соотношений нейронов и внутрикорковых связей. А.С.Батуевым в соавторстве с В.П.Бабминдра (1974) было впервые введено понятие интегративного структурного модуля и создано представление об иерархии его структурных компонентов. J.Szentagothai (1975, 1983) развил представления о роли интернейронов в морфо-функциональной организации модульной конструкции коры и обосновал комплекс принципиальных положений о закономерностях внутри и межкорковых связей в системе внутрикорковых модулей. Представления о модульной организации ассоциативных (третичных) зон неокортекса, к которым относится большая часть лобной области коры, развивали В.Н.Казаков с соавт. (1979), С.А.Кузнецов и соавт. (1979), В.П.Бабминдра и соавт. (1982). С.А.Чебкасовым (1998, 2001) в функционально и топографически различных зонах коры грызунов на тангенциальных срезах слоя III были продемонстрированы колонки с поперечником около 200 мкм, характеризующиеся повышенной активностью цитохромоксидазы, которые было предложено рассматривать в качестве универсальных базовых модулей неокортекса. В то же время сформулирован ряд гипотез о существовании в центральной нервной системе блоков (модулей) гигантской трехмерной сети, состоящей из нейронов, синапсов, нейропиля и эфферентных волокон (Черкес В.А., 1988; Чораян О.Г., 1989; Palm G., 1986; Persohn Е. et al., 1989; Vercelli A. et al., 1992). По мнению авторов конфигурация модулей, их размеры и, следовательно, количество входящих в них нейронов непостоянно и определяется спецификой афферентных сигналов - задач, для решения которых мобилизуется соответствующий конкретный ансамбль.
Обследованные зоны коры большого мозга
После изъятия органа из трупа производили фиксацию целого мозга или его половины (срединное сагиттальное рассечение) в 10% нейтральном формалине, приготовленном на физиологическом растворе. Фиксированные кусочки ткани большого мозга подвергались обезвоживанию в спиртах восходящей концентрации и заливке в парафиновые блоки. Из них изготовлялись срезы толщиной 10 мкм во фронтальной и тангенциальной проекциях. Фиксированные кусочки ткани мозжечка обезвоживали в спиртах восходящей концентрации, заливали в парафиновые блоки и целлоидин. Парафиновые срезы толщиной 5 мкм изготавливали во фронтальной проекции.
Парафиновые срезы (по 3-5 штук на одном предметном стекле) окрашивали крезиловым фиолетовым по методу Ниссля, а также импрегнировали азотнокислым серебром методом Петерса в модификации А.М.Антоновой и С.Б.Степановой (1973) с последующей докраской клеточных структур по Нисслю и методом Глиса (Б.Ромейс, 1954). Часть материала в кусочках импрегнировали нитратом серебра по методу Гольджи в модификации А.М.Антоновой (1967), заливали в целлоидин. Серийные срезы с целлоидиновых блоков изготовляли толщиной 20 и 100 мкм, заключая в кедровый бальзам по 6-12 штук на покровном стекле.
Исследование препаратов проводили с помощью светооптических микроскопов «Биолам ЛОМО» и «МБД-3». Сканирование оптических изображений с микропрепаратов осуществляли в процессе компьютерного анализа оптических изображений с помощью программы Imageools, а также производили фотографирование препаратов на универсальном отечественном микроскопе «МБИ-15».
Степень упорядоченности структуры микрообъектов, обусловливая их свойства и функциональные особенности, вызывает необходимость количественного описания микроструктур на основе их статистических характеристик.
Морфометрический анализ лобной области коры большого мозга проводился преимущественно на левополушарном материале, мозжечка - на препаратах неоцеребеллярной коры правого и левого полушарий. Предварительное раздельное изучение размерных параметров микроструктуры коры мозга у мужчин и женщин не выявило значимых половых различий, что позволило использовать для анализа средние показатели для возраста в целом без половой дифференцировки. Всего исследовано около 1200 препаратов.
Компьютерный анализ оптических изображений по программе Imageools. Система для анализа оптических изображений микроструктур коры большого мозга включала светооптический микроскоп «МБД-3» и компьютер Pentium-IV с дисплеем, специальным встроенным устройством (видеоплатой) и преобразователем оптических сигналов в электрические, аналоговой видеокамерой (рис. 3).
Измерение площади профильных полей (Пг) клеточных группировок III и V слоев и расстояния (Рг) между ними, группировок зернистого слоя коры мозжечка, а также пирамидных и звездчатых нейронов фронтальной коры в составе нейронных группировок (Пнг) проводили методом компьютерной морфометрии на препаратах, окрашенных методом Ниссля (рис. 4). Измерение протяженности отдельных дендритов и аксонов нейронов разных типов, толщины пучков радиарных волокон (Тп) и расстояния между ними (Рп) выполнялось на препаратах, импрегнированных нитратом серебра методами Петерса и, в некоторых случаях, Гольджи.
Анализ оптических изображений проводился с помощью компьютерной программы Imageools (Национальный институт здоровья, США) при унифицированных для всех исследуемых препаратов глубине, яркости и контрастности изображения. В ходе работы с оптическими файлами из анализа исключались косые срезы и допускалась незначительная вариабельность уровня яркости получаемого на дисплее изображения (на 1-3 условные оптические единицы при оптимальном уровне яркости в 110 оптических единиц) для усиления четкости изображения с учетом особенностей анализируемых препаратов.
Полученное изображение отчленялось от фона с помощью компьютерной программы автоматически с визуальным контролем, после чего измерялись суммарная площадь профильных полей нейронов, составляющих группировку (Пнг), площадь группировки в целом (Пг), а также расстояния между группировками (Рг) (см. рис. 4).
Для изучения площади профильных полей клеточных группировок (Пг) использовались возможности кластерного анализа изображений клеточного пула программы Imageools. Выделение группировок в процессе кластеризации оптического изображения для последующей статистической обработки производилось автоматически с визуальным контролем без учета клеточного состава группировок-кластеров. Основой для выделения группировок в коре большого мозга служил принцип близкого взаиморасположения нейроцитов: расстояние между нейроцитами составляло не менее 1-го диаметра пирамидного нейрона наименьшего размерного класса, т.е. 10 мкм. Визуальный контроль обеспечивал отбор для измерения группировок, включающих нейроциты в большинстве своем с четко выраженными ядрами и ядрышками. В этом случае предполагалось, что срез проходит через центральную плоскость клеток и группировок в целом. Последнее давало возможность измерить наибольшую из возможных площадей профильных полей изучаемых группировок (Пг).
Изменения ансамблевой организации коры лобной области большого мозга от рождения до 20 лет
Компьютерный морфометрический анализ преобразований микроструктуры лобной коры в области поля 45 показал, что наиболее значительные возрастные изменения размерных параметров нейронных группировок наблюдаются в ансамблеобразующих слоях III и V.
Уже у новорожденных в поле 45 на препаратах, окрашенных крезиловым фиолетовым по Нисслю, отчетливо выражены признаки ансамблевой организации коры: «струйчатое» расположение нейронов как в слоях верхнего, так и нижнего этажей коры, гнездные и лестничные группировки нейронов III и V слоев (рис. 5). На препаратах, окрашенных по Гольджи, выявляются отдельные нейрональные колонки, включающие глиальные и сосудистые элементы. Нейро-глио-сосудистые ансамбли представлены 2-3 колонками, отграниченными радиальными интракортикальными сосудами.
ВIII слое коры новорожденных более густоклеточными являются IIIі и III3 подслои, а подслой III2 - более разреженным. На уровне III3 подслоя в составе колонок выявляются отдельные клеточные группировки гнездного и лестничного типа, включающие от 4-5 до 10 и более близко расположенных нейронов разной, преимущественно слабой степени дифференцировки. Среди округлых, слабо дифференцированных нейронов встречаются нейроны треугольной формы с 2-3 и даже 4 базальными дендритами. Как показал компьютерный морфометрический анализ, площади гнездных группировок на срезе (Пг) составляют в среднем 430,2±39,6 мкм . Суммарная площадь нейронов в составе группировки (Пнг) составляет в среднем 276,6+14,4 мкм2 (64,2 % от Пг). Группировки в составе соседних колонок расположены близко друг к другу, расстояние между группировками (Рг) составляет в среднем 24,4±1,3 мкм (табл. 1, 2, 3 Приложения, рис. 6).
От рождения до 1 года площадь гнездных группировок смешанного типа (т.е. включающих как пирамидные, так и звездчатые нейроны) в III3 подслое поля 45 нарастает синхронно с суммарной площадью нейронов в составе группировок и расстоянием между группировками: Пг увеличивается в 3,3 раза, Пнг - в 2,3 раза, Рг - в 1,6 раза по сравнению с новорожденными. К 2 годам Пнг и Рг также синхронно увеличиваются в 1,3 раза по сравнению с годовалыми детьми (t=3,R4,8; р 0,01- 0,001).
К 3 годам Пг увеличивается в 1,5 раза по сравнению с годовалыми детьми (р 0,02). Площадь нейронов в составе группировок в среднем составляет 40,5% от Пг, что свидетельствует о том, что к 3 годам нейроны в составе группировок располагаются более «рыхло», чем на препаратах коры мозга детей первого года жизни (рис. 7).
К 5 годам отмечается синхронное увеличение суммарной площади нейронов в группировке и расстояния между группировками в 1,3 раза по сравнению с 2 годами (р 0,05 0,01). В 5 лет Пнг составляет 51,0% от Пг, что связано с интенсивным ростом размеров нейронов в составе группировок. Нарастание Пнг особенно тесно связано с увеличением площади профильных полей пирамидных нейронов III3 подслоя к этому возрасту, а нарастание Рг -с усложнением вертикальных внутрикорковых внутри- и межансамблевых связей, в частности, благодаря интенсивному формированию компактных пучков апикальных дендритов нейронов III и V слоев (рис. 8), что отмечали и другие исследователи (Цехмистренко Т.А. и соавт., 2000; Вологиров А.С., 2004).
Пг группировок III подслоя значимо увеличивается к 9 годам (в 1,4 раза) по сравнению с 3-хлетними детьми, Пнг - к 10 годам (в 1,2 раза) по сравнению с 5 годами, а РГ уменьшается к 12 годам (в 1,3 раза) по сравнению с 5 годами.
BIO лет Пнг составляет 47,1% от Пг, что косвенно свидетельствует о нарастании волокнистого компонента в III3 подслое к 9-10 годам.
К 5-6 годам гнездные группировки III слоя коры в поле 45 приобретают компактную округлую форму. Интернейроны в составе клеточных группировок постепенно занимают центральное положение и отличаются разнообразием формы, имеют хорошо дифференцированные дендритные букеты до 3-4 порядков ветвлений. Пирамидные нейроны в составе группировок в поле 45 уже имеют типичную форму и характеризуются достаточной однородностью размеров. Наиболее крупные нейроны располагаются чаще в базальных отделах группировок (рис. 9).
К 9-11 годам в поле 45 наблюдается перераспределение нейронов в пределах группировок по размерным характеристикам: отмечается укрупнение нейронов в области апикальных отделов группировок, что связано с интенсивным развитием внутрикорковых горизонтальных волокон IIP подслоя (рис. 10а). Корзинчатые нейроны входят в состав смешанных группировок III слоя (рис. 106) или располагаются между группировками пирамидных нейронов в составе вертикальных колонок; веретенообразные нейроны располагаются между группировками. В IIIі подслое выявляются группировки из 4-5 нейронов. Для III подслоя характерны как гнездные (из 3-7 нейронов), так и лестничные вертикальные группировки из 3-6 однотипных нейронов (рис. 11).
После 9-10 лет количественные показатели, характеризующие динамику возрастных изменений клеточных группировок, стабилизируются. Смешанные группировки подслоя III включают чаще 4-6, иногда до 9-11 нейронов разных типов и размеров. От 10 до 20 лет в III3 подслое наблюдается уменьшение плотности расположения нейронов в группировках: Пнг к 20 годам составляет лишь 41,7% от Пг, что связано с постепенным нарастанием волокнистого компонента в структуре микромодулей лобной коры в подростковом и юношеском возрастных периодах.
