2.2. Энцефализация и процесс инвазии у круглоротых

Исследование нервной системы круглоротых, находящихся филогенетически между бесчерепными и рыбами, представляет значительный интерес для эволюционной нейрофизиологии. Этот интерес обусловлен тем, что у круглоротых впервые в ряду древних позвоночных формируется головной мозг и практически все основные отделы ЦНС представлены как самостоятельные структурные образования.

Спинной мозг миноги имеет вид плоской ленты с развитыми боковыми частями. Его внутренняя организация сохраняет черты примитивизма, свойственные бесчерепным. К таким особенностям относятся: раздельность чувствительных и двигательных нервов, отсутствие миелиновой оболочки на нервных волокнах, диффузность серого вещества, которое еще не разделяется на передние и задние рога.

Вместе с тем в отличие от ланцетника у миноги часть нейронов, обеспечивающих кожную чувствительность, выделяется из спинного мозга и концентрируется в спинномозговых ганглиях. Наблюдается совершенствование проводниковой системы спинного мозга. Восходящие пути представлены филогенетически древней системой латеральных столбов, волокна которых оканчиваются главным образом в ретикулярной формации продолговатого мозга. Восходящие пути дорсальных столбов состоят из коротких звеньев, ориентированных в ростральном направлении. Они достигают продолговатого мозга. Нисходящие пути, соединяющие головной мозг со спинным, формируются у миноги ретикулоспинальными волокнами и системой гигантских (мюллеровских) волокон, расположенных вентральнее спинномозгового канала, аксонов клеток, лежащих в области продолговатого и среднего мозга. Таким образом, формирование головного мозга, или энцефализация, сопряжено с процессом инвазии, т. е. внедрением новых путей в структуры, ранее между собой не связанные.

Как же можно себе представить процесс энцефализации? Согласно классическим представлениям Ч. Шеррингтона, А.А. Заварзина, Дж. Бишопа, головной мозг возник в связи с переходом животных к билатеральной симметрии тела и с концентрацией экстерорецепторов на переднем конце тела, как своеобразная надстройка над системами дистантной рецепции. Развитие вестибуло-латеральной системы, возникновение системы блуждающего нерва и дыхательного центра создало базу для формирования заднего мозга. Толчком к закладке крыши среднего мозга (tectum opticum) послужило развитие органов зрения; наконец, становление обонятельной рецепции, согласно классическим представлениям, стало стимулом для развития конечного мозга. Хотя филогенетическое становление различных отделов мозга могло происходить параллельно, однако в общем плане задний мозг явился надстройкой над спинным, средний над задним, а передний над всей предыдущей системой. На всех трех этапах надстройки головного мозга над спинным происходило подтягивание проводящих путей из нижележащих отделов к новым формациям.

Далее А. Капперс, С.Д. Геррик, проведя фундаментальные исследования, высказали гипотезу о линейном увеличении относительных размеров головного мозга в ходе эволюции и о перемещении интегративных функций в ростральные, филогенетически наиболее молодые отделы мозга. Эти положения долгое время воспринимались как хрестоматийные. Однако после достижений сравнительной нейрологии последних лет стало ясно, что они не выдерживают критики. Так, например, линейного увеличения относительных размеров головного мозга (прежде всего его переднего отдела) в ряду позвоночных не происходит. Правильнее говорить о независимых процессах развития различных отделов мозга на определенных этапах филогенеза. В качестве иллюстрации можно привести увеличение размеров мозжечка у хрящевых рыб. В пределах отдельных классов позвоночных эволюция координационных систем мозга шла нередко параллельно, и это ставит под вопрос незыблемость принципа о каудоростральной последовательности возникновения отделов мозга. Окончательное решение этой проблемы в значительной степени осложняется также и тем, что среди нейроморфологов нет единодушия в суждениях о гомологии идентичных отделов мозга (например, таламических ядер) у позвоночных разных классов.

Испытание временем не выдержала также концепция о надстраивании переднего мозга над обонятельной системой. Оказалось, что даже у низших позвоночных (круглоротых) конечный мозг неверно считать чисто обонятельным. В нем обнаружены проекции и необонятельных сенсорных систем  зрительной, соматической, которые вносят существенный вклад в формирование структуры конечного мозга. Установлено, что конечный мозг низших позвоночных участвует в реализации наиболее пластичных приобретенных форм поведения.

В связи с этим определенной ревизии подвергается также представление о перемещении интегративных функций в ростральном направлении от каудальных, более древних нервных центров к ростральным, филогенетически более молодым структурам мозга. Термин «перемещение» не вполне адекватно отражает ситуацию, так как древние, каудальные сенсорные центры (например, среднего мозга) сохраняют свои базисные функции, как у низших, так и у высших позвоночных. Суть проблемы состоит не в перемещении в конечный мозг функций каудальных центров в плане их дублирования. Правильнее говорить о возникновении новых уровней интеграции в ростральных отделах мозга, о поэтапной функциональной надстройке.

Процессы дифференциации и специализации в филогенетически наиболее молодых отделах мозга позволяют им осуществлять более детальный анализ информации, поступающей из окружающего мира. Это свойство отличает ростральные отделы от более жестко запрограммированных каудальных и позволяет новым формациям приобрести доминирующее положение в иерархии нервных центров. В целом вся система работает на основе функционального единства старых и новых отделов мозга.

Исходя из общих установок попытаемся проследить, каким образом некоторые из этих принципов реализуются в конструкции головного мозга круглоротых. Общий план конструкции мозга миноги сходен с таковым у более высокоорганизованных позвоночных. Он состоит из четырех отделов: конечного мозга, промежуточного, среднего и ромбовидного вместе с мозжечком. Формируясь в ходе эмбриогенеза из третьего мозгового пузыря, ромбовидный мозг дифференцируется на продолговатый мозг и слабо развитый мозжечок в виде боковых выпячиваний нервной трубки (рис. 12). Полость ромбенцефалона превращается в четвертый желудочек мозга. От продолговатого мозга отходят корешки 5-10-й пары черепномозговых нервов, в том числе блуждающего (10-го), вестибуло-кохлеарного (8-го), лицевого (7-го) и тройничного (5-го). В передней половине продолговатого мозга локализованы ядра вестибуло-латеральной системы, куда приходят импульсы от рецепторов боковой линии, двух полукружных каналов и статоциста. Здесь, на уровне продолговатого мозга замыкаются рефлексы, направленные на поддержание правильного положения тела в пространстве и ориентацию. В толще продолговатого мозга расположена сетчатая, или ретикулярная, формация ствола, выполняющая функции интеграции и связи со спинным мозгом.

Рис. 12. Головной мозг миноги (по: А.И. Карамян, 1976): А  схематическое изображение с дорсальной поверхности, Б  фронтальный срез через конечный мозг: 1  обонятельная луковица, 2  конечный мозг, 3  промежуточный мозг, 4  крыша среднего мозга, 5, 6  передний и задний латеральные нервы, 7  мозжечок, 8  гиппокампальный паллиум, 9  дорсальный участок плаща, 10  латеральный пириформный паллиум, 11  полосатое тело, 12  обонятельная луковица, 13  переднее, дорсальное ольфакторное ядро; V-X  черепномозговые нервы

Мозжечок у миноги является своеобразной надстройкой над ядрами органа боковой линии и вестибуло-латеральной системы. Несмотря на примитивную организацию мозжечок миноги имеет довольно богатые эфферентные связи с ядрами продолговатого мозга и покрышкой среднего мозга, В белом веществе мозжечка идентифицированы аксоны клеток, которые образуют пучок  предшественник ножек мозжечка. По данным некоторых авторов, в сером веществе мозжечка миноги имеются два типа клеток: мелкие зернистые и более крупные, напоминающие по своим очертаниям клетки Пуркинье.

В составе среднего мозга миноги выделяют тектальную область (tectum), или крышу среднего мозга,  гомолог переднего двухолмия и расположенную вентральнее  покрышку (tegmentum), где локализован torus semicircularis  зачаток заднего двухолмия. В крышу среднего мозга проецируются волокна зрительного тракта, восходящие волокна вестибуло-латеральной системы и пути, передающие соматическую информацию от спинного мозга. От глубоких слоев тектума начинаются эфферентные пути, связывающие крышу среднего мозга с моторными центрами продолговатого и спинного мозга, с мозжечком и промежуточным мозгом.

Таким образом, структура крыши среднего мозга создает предпосылки для ее участия в анализе сенсорной информации и регуляции движений. Разряды эфферентных нейронов тектума реализуются в форме ряда жизненно важных, стереотипных безусловных рефлексов. Зона torus stmicircularis представляет собой закладку будущих задних бугров четверохолмия, которые полностью формируются у рептилий. У миноги в эту зону приходят пути от вестибуло-латеральной системы продолговатого мозга.

Тегментум содержит ядра глазодвигательного и блокового нервов. В дорсальном и вентральном отделах тегментума локализованы тела трех пар гигантских клеток Мюллера, аксоны которых вместе с отростками нейронов ретикулярного ядра присоединяются к медиальному продольному пучку и идут в продолговатый и спинной мозг. Двусторонними трактами тегментум связан и с вышележащими отделами мозга, в частности с промежуточным мозгом.

У круглоротых промежуточный мозг подразделяется на три основных отдела: эпиталамус, таламус и гипоталамус. Эпиталамус (надбугорье) представлен парным габенулярным ганглием, связанным с развитием теменного органа и получающим проекции от обонятельной системы. Таламус (зрительный бугор) миноги слабо дифференцирован, его ядра представляют собой специализированные участки нейропиля, изолированные от клеточных тел. Вместе с тем в дорсальном таламусе миноги можно выделить дорсальное ядро и зачаточное наружное коленчатое тело (НКТ), куда приходят зрительные афференты. Клетки НКТ различны по величине, их дендриты распространяются среди длинных пучков, а аксоны присоединяются к нескольким восходящим и нисходящим трактам, в том числе к таламофронтальному, который достигает конечного мозга. Этот тракт служит важным источником афферентного снабжения конечного мозга, тем каналом, по которому поступает информация от зрительного тракта, вестибуло-латерального лемниска. Волокна этих трактов образуют проекции на клетках НКТ, которое таким образом становится промежуточной «станцией» в системе афферентного снабжения конечного мозга. В вентральной части таламуса миноги идентифицированы вентральное ядро и его продолжение  ядро заднего бугорка. Эта область промежуточного мозга имеет связи с конечным мозгом, гипоталамусом и с моторной зоной покрышки среднего мозга, участвуя, следовательно, в моторной координации.

Гипоталамус (подбугорье) миног имеет план строения, сходный с таковым у более высокоорганизованных позвоночных. Гипоталамус состоит из дорсальной и вентральной частей, причем последняя разделяется на переднюю и заднюю доли, ядра постоптической, преинфундибулярной, инфундибулярной комиссур и воронку (infundibulum). Ядра гипоталамуса имеют связи с таламусом, с обонятельной системой конечного мозга, базальными ганглиями. Таким образом, гипоталамус, так же как и таламус, является одним из источников афферентного снабжения конечного мозга.

В гипоталамусе миноги, в непосредственной близости от полости третьего желудочка расположено крупноклеточное преоптическое ядро. Оно содержит биполярные нейросекреторные клетки, аксоны которых формируют идущий к гипофизу преоптико-гипофизарный тракт. Сформированного нейрогипофиза у круглоротых нет, его гомологом выступает нейрогипофизарный слой нервных волокон, который лежит между вентральной стенкой воронки и дорсальной поверхностью аденогипофиза. Значит, можно говорить о том, что у круглоротых формируются все основные компоненты гипоталамо-гипофизарной нейросекреторной системы.

Конечный мозг круглоротых характеризуется примитивной внутренней организацией, в частности диффузной, нейропильной структурой и перивентрикулярным положением основной массы клеток, из которых только часть мигрировала в наружный слой. Дифференцировка на паллиальные (плащевые) и ядерные (полосатое тело) структуры только намечается, и они мало отличаются по своей организации. Между различными формациями переднего мозга нет четких границ, что создает значительные трудности при идентификации тех или иных образований. Тем не менее, в конечном мозге круглоротых можно выделить несколько зачаточных образований плаща, которые на последующих этапах эволюции развиваются в три формации коры (древнюю, старую и новую), имеющие свои специфические источники афферентного снабжения.

Конечный мозг миноги состоит из так называемых парных полушарий и срединной неразделенной части (рис. 12). В состав полушария входит обонятельная луковица, в которую дорсомедиально внедряется обонятельный нерв. Волокна этого нерва образуют поверхностный слой луковицы. Несколько глубже находится клубочковый слой, в котором локализованы крупные обонятельные гломерулы, окруженные митральными клетками. По структуре обонятельные луковицы достаточно консервативны и сохраняют основной принцип организации у всех позвоночных, а их развитие идет по пути дифференциации клеточных слоев и их связей. Вентромедиально луковица, переходит в обонятельную долю полушария. От обонятельной луковицы в полушарие тянется обонятельный тракт, волокна которого проецируются в латеральный пириформный паллиум, представляющий собой зачаток древней (paleocortex) обонятельной коры (рис. 12). Волокна обонятельного тракта частично достигают гиппокампального паллиума, частично полосатого тела  стриатума.

Зачаток обонятельной коры  латеральный пириформный паллиум расположен латеро-вентрально по отношению к заднему рогу бокового желудочка и граничит с передним ольфакторным ядром, стриатумом, а также с дорсальным участком плаща (рис. 12). Пириформный паллиум, как и весь плащ (паллиум), формирующий крышу переднего мозга, характеризуется перивентрикулярным положением основной массы клеток. Они расположены группами и посылают свои отростки в сторону стриатума и в переднее ольфакторное ядро. Пириформный паллиум пересекается волокнами ольфакторного тракта и вентрального ольфакто-таламического и гипоталамического тракта.

Дорсомедиальная неэвагинированная часть конечного мозга миноги занята гиппокампальным паллиумом, зачатком старой, гиппокампальной коры (archicortex) (рис.12). Д. Джонстон (1902) впервые определил гиппокампальный паллиум (ГП) как гомолог гиппокампа высших позвоночных. Эта точка зрения имеет последователей и противников, которые относят ГП миноги к промежуточному мозгу. У миноги ГП отличается от других паллиальных образований тонкой структурой и богатством связей. Это проявляется в миграции нейронов и в их дифференцированности. Нейроны грушевидной или пирамидной формы располагаются в нескольких слоях. Толстые дендриты этих клеток усеяны шипиками, что является отличительной особенностью нейронов ГП.

О.А. Поленовой и Н.П. Веселкиным (1988) с помощью пероксидазы хрена впервые выявлены прямые таламо-гиппокампальные связи, которые рассматриваются как субстрат поступления необонятельной (зрительной, акустической, соматической) информации в конечный мозг миноги. Висцеральная информация в ГП поступает из гипоталамуса. Обнаружены также двусторонние связи ГП миноги с обонятельными луковицами. Таким образом, ГП миноги обладает двойной афферентацией: экстероцептивной и висцеральной.

Наконец, третья зачаточная корковая формация конечного мозга миноги представлена дорсальными участками плаща (рис. 12), расположенными между пириформным и гиппокампальным паллиумом. Дорсальный участок плаща  это предшественник зачатка новой коры, появляющейся у более высокоорганизованных позвоночных животных.

Вопрос о функциях конечного мозга круглоротых детально разрабатывался в лаборатории А.И. Карамяна. Электрофизиологическими методами Н.П. Веселкин, А.Г. Агаян. П. Брукмозер и др. (1963-1973) установили распределение необонятельных сенсорных проекций в головном мозге миног. В случае электрической стимуляции зрительного нерва его проекции обнаружены в гиппокампальном паллиуме. Эти проекции перекрываются с проекциями обонятельных афферентов. Здесь же, в ГП регистрировались вызванные потенциалы в ответ на раздражение дорсальной поверхности спинного мозга, где проходят соматические афференты. Анализ указанных выше экспериментальных фактов позволил А.И. Карамяну и Н.П. Веселкину сделать вывод о том, что конечный мозг круглоротых нельзя рассматривать как чисто обонятельный, так как в нем обнаружены проекции необонятельных систем (зрительной и соматической). Второе важное заключение сводилось к тому, что необонятельные сенсорные системы круглоротых имеют переключение в таламических ядрах. В этом состоит принципиальное сходство в организации центральных отделов сенсорных систем у домлекопитающих позвоночных и млекопитающих. Очевидно, три зачаточные формации конечного мозга имеют три источника афферентного снабжения: от обонятельной системы, таламуса и гипоталамуса. Все эти источники играют существенную роль в ходе дальнейшего прогрессивного развития конечного мозга.

Необонятельные проекции в гиппокампальном паллиуме (зачаток гиппокампальной коры) свидетельствуют о том, что здесь осуществляется конвергенция информации, поступающей как от экстеро-, так и от интерорецепторов. На базе этих процессов осуществляется интеграция соматических и вегетативных реакций в целостные поведенческие акты. Архипаллиум (ГП) круглоротых сравним с гиппокамгюм в лимбической системе высших позвоночных, которая ответственна за осуществление пищевого, полового, оборонительного поведения. Лимбическая система имеет такое же древнее: происхождение, как и обонятельная, и, естественно, вносит существенный вклад в реализацию интегративной функции конечного мозга.

Исследовать поведенческие акты миног в лабораторных условиях сложно, так как эти животные малоподвижны в неволе. Вместе с тем в экспериментах А.В. Бару, В.В. Фанарджяна, Б.Ф. Сергеева (1967) была выявлена возможность образования условных реакций у миног на световые и вибрационные раздражители. Эти приобретенные оборонительные реакции квалифицируются как условные по целому ряду показателей. Во-первых, они возникают только при сочетании условного и безусловного (электрический ток) раздражителей. Во-вторых, выработанные реакции характеризуются относительной стабильностью и сохраняются в течение нескольких дней. Наконец, в-третьих, условные оборонительные реакции миног могут быть экстренно угашены и вновь восстановлены после нескольких подкреплений условного раздражителя.

Однако приобретенным реакциям круглоротых свойственны и черты примитивизма, которые сближают их с суммационными рефлексами бесчерепных. У миног возможна выработка оборонительных условных реакций на одномодальные раздражители различной силы. Так же как у ланцетника, у миноги из всех форм внутреннего торможения вырабатывается только угасательное. Низкий уровень высшей нервной деятельности круглоротых проявляется и в отсутствии анализа комплексных раздражителей, и в невозможности выработки условных рефлексов высшего порядка, образованных на базе закрепленного условного рефлекса первого порядка. Учитывая «двойственность» приобретенных реакций круглоротых, которые, с одной стороны, имеют некоторое сходство с условными рефлексами, а с другой  сохраняют особенности суммационных рефлексов, А. И. Карамян выделил эти реакции в промежуточную группу явлений и определил как квазиусловные рефлексы.

Следует еще раз отметить, что у круглоротых формируется головной мозг, общая схема конструкции которого идентична плану организации мозга более высокоорганизованных позвоночных. Мозг как надсегментарная система интеграции участвует в реализации стереотипных безусловных рефлексов и в программировании более сложных поведенческих актов, сочетающих соматические и вегетативные компоненты реакций. В качестве аппарата координа­ции нервной деятельности у круглоротых используются не только стволовые структуры мозга (продолговатый, средний мозг), но и конечный мозг, где в зачаточном состоянии закладываются три формации коры головного мозга. Конечный мозг круглоротых не является чисто обонятельным и получает экстероцептивную информацию, которая используется в процессе сенсомоторной интеграции.

Вместе с тем в ЦНС круглоротых сохраняется много черт диффузной организации. Эти черты проявляются и в строении серого вещества спинного мозга, и в слабой дифференциации таламических ядер, и в нейропильной структуре конечного мозга, где большинство клеток занимает перивентрикулярное положение. Перекрытие проекций обонятельных, зрительных и соматических афферентов в конечном мозге и стволовых образованиях миноги также свидетельствует о диффузной организации ЦНС. Несовершенство структурной специализации мозга сопряжено с примитивизмом приобретенных реакций круглоротых, которые можно отнести к квазиусловным рефлексам. Каким же образом совершался дальнейший переход от диффузности к специализации? На этот вопрос мы найдем ответ при знакомстве со структурой и функцией ЦНС позвоночных, стоящих на более высоких ступенях эволюционного развития.