Развитие височной области коры мозга человека в средний и поздний периоды пренатального онтогенеза

УДК 612.843.1 Вестник СПбГУ. Сер. 3, 2007, вып. 3

Е. И, Краснощекова, А. С. Самарина, К. Н. Федосеева, Т. Ю. Смолина

РАЗВИТИЕ ВИСОЧНОЙ ОБЛАСТИ КОРЫ МОЗГА ЧЕЛОВЕКА В СРЕДНИЙ И ПОЗДНИЙ ПЕРИОДЫ ПРЕНАТАЛЬНОГО ОНТОГЕНЕЗА*

Решение одной из фундаментальных проблем нейробиологии, связанной с изучением структурно-функциональных предпосылок ранней предуготовленности мозга человека к биосоциальным воздействиям, предполагает выработку критериев и методов определения динамики развития неокортекса человека в пренатальный период. Постнатальный онтогенез неокортекса человека изучен сравнительно полно и результаты этих исследований указывают на гетерохронное созревание корковых территорий различной функциональной направленности [8]. В то же время данные о развитии коры мозга человека в пренатальном онтогенезе, особенно в среднем и позднем его периоде, крайне скупы, хотя именно этот период определяет видовую специфику пренатального опыта плода и новорожденного [11]. В последние годы при изучении онтогенеза неокортекса млекопитающих особое внимание уделяют развитию и функции субпластинки в его составе [18,22]. Обнаруженная в эмбриональной коре всех млекопитающих субпластинка, в зависимости от длительности периода гестации и видовой специфичности, претерпевает более или менее полную генетически запрограммированную редукцию [20, 25]. Нейроны этой структуры устанавливают первую систему связей с таламусом, которая отличается от зрелой отсутствием модальной специфичности, и откуда таламо-кортикальные волокна не поднимаются выше до полной элиминации субпластинки [9,19]. Интерес к изучению субпластинки в составе неокортекса мозга человека обусловлен следующим: у плодов и новорожденных, перенесших гипоксию, генетически запрограммированный процесс гибели нейронов субпластинки не происходит, следствием чего является последующая аномалия развития коры и в результате дефицит моторных, когнитивных функций, врожденные неврологические заболевания [10, 12, 13, 24]. Несмотря на широкий интерес к данной проблеме, этапы дифференцировки субпластинки в коре мозга человека практически не изучены, что во многом объясняется тем, что ее нейроны лишены нейрохимической специфичности [14, 22, 23]. В то же время с учетом того, что присутствие субпластинки в составе коры определяет важнейший критический период ее становления, когда неокор-текс повышенно уязвим для экзогенных факторов, а плод рождается жизнеспособным, необходимость четких критериев выделения этого образования очевидна.

В связи со всем вышесказанным, цель исследования заключалась в изучении последовательности онтогенетического созревания проекционных и ассоциативных корковых территорий. Конкретная задача сводилась к выработке критериев структурной зрелости функционально различающихся территорий неокортекса по признаку присутствия субпластинки, на примере верхней височной подобласти мозга человека, в течение среднего и позднего периодов гестации.

Материал и методы исследования. Материалом исследования явились фронтальные срезы левой и правой верхней височной подобласти мозга пятнадцати плодов человека обоих полов в возрасте от 16 до 40 недель гестации, всего 25 полушарий. При идентификации области

*Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (гранты № 07-06-00679а и № 06-06-00408а) © Е. И. Краснощекова, А. С. Самарина, К. Н. Федосеева, Т. Ю. Смолина, 2007

исследования руководствовались цитоархитектоническими картами Г. И. Полякова [7] и С. М. Блинкова [3] для мозга плодов разного срока гестации и взрослых. Исследовался мозг плодов, которые, по предварительному заключению патологоанатома, не имели неврологической патологии. Материал обрабатывали по методу Ниссля и Гольджи. Иммуноцитохимическое выявление нейронов проводилось с использованием соответствующих антител к кальций-связыва-ющим белкам. Гистологические срезы оцифровывали на установке, включающей микроскоп Био-лам И и цифровую камеру Canon EOS 350 D. Полученные изображения обрабатывали с помощью свободно доступной программы ImageJ и дополнений Dynamic Profile, Excel Writer, Jimmi File Opener. Были изучены следующие морфометрические характеристики развивающейся коры: оптическая плотность, относительная оптическая плотность, плотность расположения нейронов, объемная фракция нейронов и глии отдельных цитоархитектонических слоев, общая ширина поперечника коры и отдельных слоев, коэффициент вертикальной упорядоченности нейронов коры Org. По результатам измерения оптической плотности слоев строили графики. Относительную оптическую плотность измеряли для двух уровней коры - наружной каймы корковой пластинки и верхней зоны субпластинки - как разницу оптической плотности между этими слоями и соседствующими с ними маргинальной зоной для первого уровня и нижней зоной субпластинки - для второго. Статистическая обработка результатов измерений проводилась с использованием критерия Стьюдента. Оценка значимости достоверных различий определялась прир<0.05.

Результаты исследования и их обсуждение. У плодов в возрасте 16-18 недель височная кора организована так, как это характерно для стадии консолидации [7]. Цитоархи-тектонически в ней можно выделить маргинальную зону (слой el), корковую пластинку (ср) и субпластинку (sp). Корковая пластинка в этом возрасте еще не разделяется на слои, а субпластинка отличается высокой плотноклеточностью верхней зоны (spu), которая выглядит как самостоятельный слой.

Период с 20-й по 26-ю недели характеризуется постепенным увеличением толщины коры от 1300 до 1500 мкм и стратификацией корковой пластинки. Ее расслоение в это время отличается от зрелой коры и характеризуется чередованием очень плотноклеточных и более разреженных слоев. Плотноклегочными и, следовательно, обладающими высокой оптической плотностью являются: наружная кайма корковой пластинки - слой ell, слой elV и верхняя зона субпластинки - spu. Слои сравнительно редкоклеточные и с низкой оптической плотностью; это - слой elll и недифференцированный комплекс слоев eV+eVI (рис. 1, Л). В этом возрасте слои ell и elll состоят преимущественно из нейробластов, которые отличаются от зрелых нейронов веретеновидным телом и длинными отростками, которые отходят от апикального и базального полюсов клетки. Слой elV состоит из крупных, плотно упакованных пирамидных нейронов, которые в это время являются самыми дифференцированными клетками коры. Комплекс слоев eV+eVI содержит полиморфные клетки. В составе субпластинки превалируют нейроны характерной для этого уровня формы: с поперечно вытянутым телом и длинными, обильно ветвящимися дендритами (рис. 1 ,Б). Увеличение толщины коры в этот период происходит, главным образом, за счет расширения и одновременного снижения клеточной плотности слоев elV-eVI, которые к концу 26-й недели в сумме образуют больше 60% поперечника корковой пластинки (рис. 2).

Начиная с 27-й недели гестации в височной коре, помимо продолжающегося ее расширения, наблюдается постепенное снижение показателей клеточной плотности слоя ell и субпластинки (spu). Последняя к 33-й неделе развития мало отличается по плотности клеток от вышележащего слоя eVI. К этому сроку цитоархитектоника и нейронный состав эмбрионального слоя elV претерпевают значительные изменения: в его составе появляются типичные гранулярные элементы, а крупные пирамидные нейроны, характерные для этого уровня на более ранних сроках гестации,^входят в состав слоя V и подслоя Шб, которые в данное время представлены очень крупными клетками (рис. 3). Одновременно

А

Средняя оптическая плотность, усл. ед.

О 100 200

шшттщтт

100 мкм

Рис. 1. Цитоархитектоника и график оптической плотности (Л), нейронный состав (Б) коры верхней височной подобласти мозга 24-недельного плода человека.

А - метод Ниссля; Б - метод Гольджи; е1-еУ1 - слои коры; зри- верхняя область субпластинки.

Ширина, мкм 2500 -

20- 27-

26 33

Недели гестации

Рис. 2. Ширина формаций препластинки (слои е1,1, эри) и корковой пластинки (СР) в составе височной коры мозга плодов человека на разных сроках гестации. Асс. - ассоциативный комплекс слоев, Эф. - эфферентый.

толщина коры достигает 1700 мкм в основном за счет расширения слоев ell и elll, при этом происходит изменение соотношения верхнего «ассоциативного» и нижнего «эфферентного» этажей коры; первый составляет больше 50% поперечника корковой пластинки (см. рис. 2).

У плодов, начиная с 36-й недели гестации, височная область становится структурно неоднородной. На planum temporale удается определить границы полей 41 и 22, которые по цитоархитектонике сходны с корой взрослого мозга. Каудальная височно-затылочная область, представленная полем 37, отличается от зрелой коры и характеризуется присутствием субпластинки, на что указывает высокая плотность клеток в ее верхней зоне spu и в слое ell (рис. 4, Л).

el

ell

elll

II

elV

НИМИ! ААШ

ша

• |»l#»eV-eVI

kkkik

кккккПЫ

AAÁÁÁ™

•••• • ••• 1V

ÁAÁAÁ

••••éíívi

1111 i

AÀ 2

• • 3

i«* 4

• — 5

Рис. 3. Схема преобразования цитоархитектонических слоев коры верхней височной подобласти мозга человека при переходе от эмбрионального к дефинитивному строению.

1 - нейробласты, 2 - пирамидные нейроны, 3 - зернистые клетки, 4 - полиморфные клетки, 5 - интерстициалыгые нейроны субпластинки; el-eVI - слои эмбриональной коры, spu - верхняя зона субпластинки, I-VI слои дефинитивной коры.

Таким образом, исследование становления верхней височной подобласти неокортек-са в мозге плодов человека с 16-й по 36-ю неделю гестации позволило установить следующее: по мере развития организма происходит утолщение коры, причем в период с 16-й по 26-ю неделю преимущественно за счет нижних ее слоев, т. е. «эфферентного» комплекса, а с 27-й по 36-ю неделю - за счет верхних слоев, т. е. «ассоциативного» комплекса. В течение исследованного периода наблюдается переход от эмбрионального расслоения коры к типичному, характерному для зрелого мозга, и дифференцировка верхней височной подобласти на первичное (41), вторичное (22) и третичное (37) цитоархитектонические поля. Для объективной оценки онтогенетических преобразований коры был разработан количественный критерий дифференцировки субпластинки в ее составе, а именно положительно коррелирующие показатели изменения клеточной плотности слоя ell - наружной каймы корковой пластинки и spu - верхней зоны субпластинки (см. рис. 4). Кроме возможности выявления субпластинки, этот критерий помогает установить

я? 296 нейронов

Возраст плодов

Рис, 4, Графики плотности клеток (Л), объемной фракции нейронов и глии (Б), относительной оптической плотности (В) в слоях ell и верхней области субпластинки spu полей 22 и 37 височной коры мозга плодов человека на разных сроках гестации.

причину и сроки опережающей дифференцировки «эфферентного» комплекса коры и сменяющее ее более активное становление «ассоциативного» комплекса. Созревание «эфферентного» комплекса происходит в присутствии субпластинки и, по-видимому, незначительно зависит от ее состояния. С другой стороны, очевидна взаимообусловленность темпов созревания нейронов слоев II и IV, основной составляющей «ассоциативного» комплекса коры, и процессов элиминации субпластинки. Эти слои начинают дифференцироваться усиленным темпом только после начала элиминации нейронов субпластинки и опережают становление «эфферентного» комплекса начиная с 27-й недели гестации (см. рис. 2). Полученные результаты подтверждаются недавними литературными данными, согласно которым, как показано в модельных экспериментах на животных, созревание тормозных интернейронов в слое IV зависит от клеток субпластинки. Несостоявшаяся их элиминация изменяет нормальное становление тормозных процессов, оказывая влияние на модульную организацию коры [17]. В пределах верхней височной подобласти с помощью разработанного критерия удалось также установить более позднее созревание поля 37.

Развитие цитоархигектонических полей верхней височной подобласти на сроках 37-40 недель гестации оценивали, используя следующие показатели: процентное соотношение нейронов, позитивных к двум кальций-связывающим белкам (кальбиндину и пар-вальбумину), и вертикальную упорядоченность нейронов коры, определяемую по величине коэффициента Org. На этом отрезке развития в границах верхней височной подобласти можно дифференцировать: поле 41 - первичное слуховое, поле 22 - вторичное слуховое, поле 37 - третичное ассоциативное, входящее в состав зоны Вернике.

Иммуноцитохимические методы исследования, широко применяемые нейроморфо-логами в последние годы, могут продемонстрировать новые параметры структурно-функциональной организации коры. В частности, показано, что так называемые «ядерные», по фило- и онтогенезу более зрелые, таламокортикальные отношения формируются нейронами, иммунопозитивными к парвальбумину, а «поддерживающие», менее зрелые,

кальбиндин-позитивными клетками [15,16]. Нами обнаружено, что исследованные поля гетероморфны по распределению нейронов, иммунопозитивных к этим двум каль-ций-связывающим белкам. Кальбиндин-позитивные нейроны наиболее массово представлены в поле 22, клетки; экспрессирующие парвальбумин - в поле 41; в поле 37 удалось идентифицировать оба типа нейронов (рис. 5).

Кальбиндин Парвальбумин

Рис. 5. Процентное соотношение кальбиндин-позитивных и парвальбумин-позитивных нейронов в полях 22, 37 и 41 височной области коры мозга 37-40-недельных плодов человека.

Таким образом, полученные данные указывают на продолжающееся гетерохронное развитие полей 41, 22, 37 верхней височной подобласти. О зрелости первичного проекционного поля 41 можно судить по максимальному содержанию парвальбумин-позитивных нейронов, что является косвенным свидетельством в пользу того, что к концу плодного периода таламо-кортикальные проекции этого поля организованы тонотопичес-ки и опосредуются принципальной частью медиального коленчатого типа. Превалирование кальбиндин-позитивных клеток во вторичном слуховом поле подтверждает характерную особенность его связей с таламусом, которые классифицируются как «поддерживающие». Присутствие в поле 37 двух типов нейронов можно расценить как свидетельство незрелости его основных таламо-кортикальных проекций, которые в зрелом мозге относятся к «ядерному» типу [2,4,21].

О гетерохронном становлении полей верхней височной подобласти на последних неделях гестации свидетельствует еще один показатель - вертикальная упорядоченность нейронных комплексов коры. Согласно полученным данным величина коэффициента Org для полей 41, 22 и 37 плодов человека в возрасте 38-40 недель гестации различается (рис. 6). В этот период максимальное значение коэффициента Org характеризует поле 22, что является еще одним фактом, свидетельствующем об опережающем развитии этой вторичной слуховой зоны. В то же время для поля 37 величина коэффициента Org минимальна, хотя во взрослом мозге самые высокие значения этого показателя характерны для полей (в том числе и поля 37) речевой зоны Вернике [1,5]. Межполушарная асимметрия

хорошо известный факт. Количественный показатель асимметрии коры мозга человека, полученный при сравнительной оценке вертикальной упорядоченности нейронных комплексов, достигает максимальных значений для речевых зон [1,6]. В нашем исследовании межполушарная асимметрия, оцениваемая по этому же показателю, выявлена только для поля 37, что свидетельствует о том, что, несмотря на незрелость, ассоциативные поля еще до рождения приобретают характерные структурно-функциональные особенности.

2.94  ^

111 111

liii^liii

Поле 37

Рис. 6. Коэффициент вертикальной исчерченности Org для полей 22,41 и 37 височной областей коры мозга 38-40-недельных плодов человека.

ЛП - левое полушарие поля 37, ПП - правое полушарие поля 37, * - обозначение достоверности различия показателя Org (р<0.05).

На основании результатов проведенного исследования можно сделать следующее заключение: особенности онтогенетических преобразований неокортекса, как основного образования, обеспечивающего реализацию интегративных процессов в ЦНС, описаны четкими количественными и качественными критериями. В период с 16-й по 26-ю неделю гестации структурно-функциональная организация височной области коры определяется доминированием «эфферентного» комплекса коры и присутствием субпластинки, нейроны которой опосредуют таламо-кортикальные влияния. В период с 27-й по 36-ю неделю гестации происходят постепенная элиминация нейронов субпластинки и нарастающая дифференцировка «ассоциативного» комплекса, который к концу периода доминирует над «эфферентным». Одновременно происходит выделение полей разной функциональной направленности - первичного (поле 41), вторичного (поле 22) и третичного (поле 37). Начиная с 37-й недели гестации и до окончания плодного периода эти поля коры развиваются гетерохронно: структурно-функциональные признаки опережающего развития характеризуют вторичное поле 22; поле 41 в этот период еще не достигает структурной зрелости, поле 37 обладает морфологическими особенностями эмбриональной коры, хотя оно единственное из полей височной области демонстрирует признаки межполу-шарной асимметрии.

Summary

Krasnoschekova E. /., Samarina A. S., Fedoseeva K. N., Smolina T. U. The development of human temporal cortex in the middle and last periods of prenatal onthogenesis.

The development of human temporal cortex in middle and last periods of prenatal onthogenesis. Prenatal ontogenesis of temporal areas of human cortex was studied, in all 15 fetus, 25 hemispheres. In the fetal cortex at the gestational age of 16-18 weeks three zones can be distinguished: a marginal zone (el layer), a cortex plate and a subplate. At 20-26 weeks cortex plate is divided into the following layers: ell, elll, elV, eV and eVI, with the «efferent» complex of layers (layers elV-eVI) being wider than the «associative» one (layers ell-elll). The subplate neurons are being eliminated in the fetus at 27-33 weeks, at that time the «associative» complex (layers ell-elV) composes will be wider than «efferent» (layers eV-eVI). From 36 weeks areas borders can be found in a temporal cortex. Areas 22? 37 and 41 differ in the distribution of neurons which are immunopositive to calcium-binding enzymes: calbindin and parvalbumin. These areas also differ in vertical ordering, which is determined by morphometrical coefficient (Org).

E-mail: elfil@mail.ru Литература

i. Адрианов О. С. О принципах структурно-функциональной организации мозга. // Избранные научные труды. М., 1999. 2. Альтман Я. А. Нарушения слуха при поражениях различных отделов слуховой системы животных и человека // Слуховая система. Л., 1990. С. 120-155. 3. Блинков С. М. Височная область // Цитоархитектоника коры большого мозга человека. М., 1949. С. 344-380. 4. Вартанян И. А. Речевая система // Физиология сенсорных систем. СПб. 2003. С. 297-315.5. Кесарев В. С., МалофееваЛ. И., Трыкова О. В. Структурная организация новой коры мозга китообразных // Архив анатомии, гистологии и эмбриологии, 1977. Т. 56. №12. С. 23-30.6. Кесарев В. С., Соколовская Н. Ю. Информационная оценка некоторых морфологических структур коры полушарий большого мозга человека // Архив анат,, гистол., эмбриол. 1976. Т. 55. №12. С. 13-16.7. Поляков Г. И. Ранний и средний онтогенез коры большого мозга человека. М.,1937. 8. Цехмистренко Т. А. Структурные преобразования коры большого мозга человека в постнаталыюм онтогенезе // Структурно-функциональная организация развивающегося мозга. Л., 1990. С. 8-44. 9. Allendoerfer К. L., and Shatz C.J. The subplate, a transient neocortical structure: its role in the development of connections between thalamus and cortex// Annu. Rev. Neurosci. 1994. N17. P. 185-218. 10. Andres M., Veronique M. Andre V.M., Nguyen S. Human cortical displasia and epilepsy: an ontogenetic hypothesis based on volumetric MRI and NeuN neuronal density and size measurements // Cerebral Cortex. 2005. Vol. 15. N2. P. 194-210. 11. Batuev A. 5., Sokolova L. V. A AUkhtomskii's Idees on the Nature of Man // Neurosci. and Behav. Physiol. 1994. Vol. 24. N2. P. 173-185. 12. Cepeda C., Andrei V. M„ Levine M. S„ Salamon N., Miyata #., Winters H. V., Mathern G. W. Epileptogenesis in pediatric cortical dysplasia: The dysmature cerebral developmental hypothesis // Epilepsy and Behavior. 2006. N9. P. 219-235.13. Eastwoods. L., Harrison P.J. Interstitial white matter neuron density in the dorsolateral prefrontal cortex and parahippocampal gyrus in schizophrenia // Schizophrenia Research. 2005. Vol. 79. P. 181-188. 14. Innocenti G.M., Price D.J. Exuberance in the development of cortical networks // Neurosci. 2005. Vol. 6. P. 955-965.15. Jones E. G. Viewpoint: the core and matrix of thalamic organization // Neurosci. 1998. Vol. 85. P. 238-261.

16. Jones E. G. The thalamic matrix and thalamocortical synchrony// TINS. 2001. Vol. 24. P. 595-601.

17. KanoldP. O., Shatz C.J. Subplate neurons regulate maturation of cortical inhibition and outcome of ocular dominance plasticity// Neuron. 2006. Vol. 51. N7. P. 627-638. 18. Kostovic /., Rakic P. Developmental history of the transient subplate zone in the visual and somatosensory cortex of the macaque monkey and human brain //J. Сотр. Neurol. 1990. Vol. 297. N3. P. 441-470. 19. Lopez-Bendito G., MolnarZ. Thalamocortical development: how we are going to get there // Neurosci. 2003. Vol. 4. P. 276-289.20. Luskin M. L., Shatz C.J. Studies of the earliest generated cells of the cat's visual cortex: Cogeneration of subplate and marginal zones //J. Neurosci. 1985. Vol. 5. P. 1062-1075. 21. Moore J. K., Linthicurn F. H. Auditory system // The human nervous system. Els. Acad. Press. 2006.

P. 1241-1279. 22. Rakic P. A century of progress in corticoneurogenesis: from silver impregnation to genetic engineering// Cerebral Cortex. 2006. Vol. 16. P. 3-17.23. Rakic S., Davis C., MolnarZ., Nikolic M., Parnavelas J. Role of p35/Cdk5 in preplate splitting in the developing cerebral cortex // Cerebral Cortex. 2006. Vol. 16. P. 35-45. 24. SbarbatiA.,PizziniF.,FabeneP.,NicolatoE„MarzolaP., CalderanL., Simonati A., Longo L,, OsculatiA., Beltramello A. Cerebral cortex three-dimensional profiling in human fetuses by magnetic resonance imaging //J. Anat. 2004. Vol. 204. P. 465-474.25. Shatz C.J., ChunJ.J. M„ Luskin M. B The role of the subplate in the development of the mammalian telencephalon // Cerebral cortex. 1988. Vol. 7. P. 35-58.

Статья принята к печати 19 февраля 2007 г.