Васильев Ю.Г гомеостаз и пластичность мозга

ков Бергмановских клеток, что совпадает с их распределением на субклеточном уровне (Hatten M.E., 1990). Радиальные глиоциты и их отростки являются ключевыми в формировании конструкции коры больших полушарий. Их функция прежде всего связана с тем, что они формируют матрицу (пространственную конструкцию), в которой распределяются мигрирующие нейробласты. Тела радиальных глиоцитов располагаются в перивентрикулярной (субэпендимальной) зоне закладки ЦНС. Их удлиненные отростки распространяются на всю толщу мозгового пузыря (нервной трубки). По мере деления радиальных глиоцитов увеличивается и объем закладок мозга. В ходе последующего развития радиальные глиоциты дифференцируются в предшественники астроцитов. Обнаруживается, что по ходу отростков этих клеток формируются спонтанные кальциевые волны. Формирование этих волн может играть роль в миграции нейробластов (Price J., Thurlow L., 1988; Walsh C., Cepko C.L., 1988; Zhang H. et al., 1998; Yokota Y., Anton E. S., 2004).

Полагают, что формирование кальциевых волн инициирует функциональную активность радиальных глиоцитов, запуская механизмы клеточного деления. В зависимости от симметричного или ассиметричного размножения глиоцитов может происходить транслокация предшественников нейробластов и изменяться распределение отростков глиоцитов, что, в свою очередь, сопровождается полиморфизмом последующего формирования нервных центров (Tamily A. et al., 2004; Cattaneo E., 2007).

Нейрональная миграция является эссенциальным процессом в развитии нервной системы, определяющим распределение нервных клеток в ЦНС. Содержание адгезивных молекул играет важную роль в нейрональной миграции, но не менее важна и генетическая запрограммированность процессов дифференцировки и распределения нейробластов. Необходимы не только молекулы активирующие, но и блокирующие миграцию предшественников нейронов и их отростков (Ward M. et al., 2003). Одной из важнейших функций предшественников нейроглии является контроль над процессами перемещения нейробластов в ЦНС в ходе эмбрионального развития. Не менее важным считается и контроль радиальной глией – предшественников астроцитов – направления роста аксонов у нейробластов (Rakic P., 1981; Hatten M.E., 1990, 1993).

Показано, что оба данных процесса регулируются несколькими группами факторов. Считается, что отростки радиальных глиоцитов содержат адгезивные молекулы (хемоаттрактанты), взаимодействие с которыми и направляет активное перемещение нейробластов. Анало-

161

гичные по функции вещества содержатся и во внеклеточном матриксе

(Belin M.F., Didier-Bazes M., 1994; Faissner A., Schachner M., 1995).

Указывается на важную роль в формировании отростков нейробластов и диффундирующих от индуктора веществ, оказывающих направляющее влияние на рост аксонов (хемотаксины и хеморепелленты). Роль хемотаксинов и хемоаттрактантов заключается в активации движения клеток и их отростков в сторону их максимальной концентрации. Данные последних лет показывают на наличие веществ, которые, наоборот, стимулируют движение в противоположную к своему высокому содержанию сторону. Они получили название хеморепеллентов. Соотношение и распределение указанных веществ играет ключевую роль в нейрогенезе. Нарушение их образования или конкуренция с другими веществами, в том числе экзогенного происхождения, может нарушить развитие мозга и сопровождаться тератогенезом. В частности, к этим веществам можно отнести этиловый спирт, кокаин и некоторые другие наркотики, которые могут вести к развитию у ребенка эпилепсии, грубому нарушению умственного развития.

Большинство хемоаттрактантов в ЦНС могут быть отнесены к суперсемейству кадгеринов, осуществляющих кальцийзависимое перемещение клеток, и суперсемейству иммуноглобулинов, осуществляющих свое влияние через кальцийнезависимые системы миграции

(Faissner A., Schachner M., 1995).

Кроме того, выявлены хемоаттрактанты, содержащиеся во внеклеточном матриксе и представленные ламином, фибронектином или протеогликанами и рецепторами интегринов. В участках закладок мозга в ходе нейрогенеза прорастание нейритов регулируется нейроэпителиальными клетками-предшественниками астроцитов, которые способны вырабатывать ламины, а также молекулы адгезии нейробластов – N-CAM и N-кадгерины, которые распределены на их поверхно-

сти (Faissner A., Schachner M., 1995). NCAM является гликопротеином,

относящимся к суперсемейству иммуноглобулинов, которые являются обязательными для нейритов и нейроглии, его различные формы контролируют в целом процессы прорастания нейритов, опосредованный,

в том числе через ФРФ (Gennarini G. et al., 1984; Becker C.G. et al., 1996). N-кадгерины, являясь кальцийзависимыми молекулами адгезии, поддерживают связь между клетками в присутствии ионов кальция. N- кадгерины, иногда обозначаются как А-CAM кадгерины, также участвуют в формировании цитоскелета кортикального слоя клетки, поддерживая ее форму. Кадгерины появляются в основном при начальной межклеточной адгезии на стадиях морфо- и органогенеза (Hulpiau P., van Roy F., 2009). Как уже упоминалось в предыдущей главе, важнейшую роль в миграции нейробластов и их дифференцировке могут иг-

162

рать также выделяемые предшественниками нейроглии нейротрофины. В частности, как показано в культуре тканей, НТ-3 стимулируют деление, а затем дифференцировку и выживание нейробластов хомячков (Pinco O. et al., 1993). Данные факты лишний раз доказывают уже довольно давно известное явление, обнаруженное у мутантных мышей с признаками нарушения нейрональной миграции, что причиной этого нарушения является поражение взаимодействия между радиальной глией и мигрирующими нейробластами (Caviness V.S.J., Rakic P., 1978; M.E. Hatten, 1990). Однако указанные молекулы обнаруживаются в предшественниках не только астроцитов, так и олигодендроцитов

(Hardy R., Reynolds R., 1993; Norgen R.B., Brackenbary R., 1993). Обна-

ружено, что αv-интегрины первоначально локализуются на поверхности тел радиальной глии, а затем в их волокнах, что было показано иммуногистохимически у мышей (Hirsch E. et al., 1994). Все это лишний раз показывает, что такие клеточно-клеточные взаимодействия отнюдь не так просты и требуют дальнейшей детализации.

Наряду с молекулами клеточной адгезии, важную роль играют компоненты внеклеточного матрикса. Астробласты выделяют группы внеклеточных адгезивных молекул вдоль путей движения аксональных отростков в пренатальном онтогенезе. Во всяком случае, в части областей головного мозга первые нейриты направляются вдоль путей, заранее оформленных нейроэпителиальными клетками, которые затем превращаются в астроциты. Эти клетки выделяют ламинин и, как уже указывалось, С-САМ и N- кадгерин на своей поверхности. Это должно стимулировать рост нейритов. Некоторые астроциты синтезируют молекулы внеклеточного матрикса при повреждении или дегенерации, ингибируя рост аксонов в зрелой нервной ткани (Hardy R., Reynolds R., 1993; Norgen R.B., Brackenbary R., 1993). Показана роль внеклеточного матрикса в миграции не только нейронов, но и глиобластов (Pilkington C.J., 1996), что еще более усложняет гамму фокальных возможных взаимовлияний в нейрогенезе и глиогенезе.

Таким образом, на сегодня понятно, что нейрогенез весьма сложный, тонко регулируемый процесс, тем более, что наряду c хемотаксинами важна активность самого нейрона, межнейронные коммуникации и трофическое обеспечение (Nieto M.A., 1996). Немаловажную роль играют и внутриклеточные механизмы контроля. Так, показано значение циклинзависимой киназы-5. Этот энзим контролирует механизмы начала миграции биполярных нейробластов от перивентрикулярных участков мозговых пузырей и начальное формирование ими отростков

(Ohshima T. et al., 2007).

Внеклеточные субстанции устанавливают градиенты внеклеточной концентрации, оркеструют последующее взаимодействие клеток, ко-

163

торое в конечном счете закончится пропорциональным ростом органа, включая тончайшие детали его организации. Например, разнообразная скалярная концентрация веществ может определить тип клетки и ее относительной позиции в пределах области. Направление градиента может согласовать степень роста клеток и определять их полярность. Вся эта информация (судьба ячейки, позиция, полярность и рост) в принципе определена индукцией целевых генов морфогенеза. Другие гены, чья активизация зависит от других порогов морфогенеза, будут включены на других расстояниях из источника воздействия и других сроках формирования нервной системы.

Процессы нейрогенеза весьма упорядочены. В частности, в ассоциативной и сенсорной коре, имеющей колончатую организацию, формирование колонок происходит в соответствии с четко выраженными обособленными пролиферативными единицами в мозговом пузыре. Эти единицы сформированы 3–12 клетками, по мере развития делящихся и мигрирующих в зоны последующей дифференцировки

(Rakic P., 1988).

Весьма сложным и до настоящего времени не полностью освещенным остается вопрос о механизмах прорастания аксонов, что обеспечивает взаимодействие нервных клеток между собой и с периферией. R.W. Sperry (1963) указал на как минимум два цитохимических градиента, обеспечивающих прорастание отростков в сетчатке и покрышке среднего мозга. Сформулировав теорию хемоаффинности, он указывал на существование специальных химических стимуляторов подобного роста (хемотаксинов), которые, как уже указывалось, играют роль в миграции и дифференцировке предшественников нервных клеток.

Одним из ключевых элементов, воспринимающих хемотаксины, рассматривают тирозинкиназные рецепторные комплексы мембран. Они подразделяются на 14 семейств. Одними из первых открыты Ephрецепторы, которые также весьма разнообразны (Hirai H. et al., 1987). Особенностью этих рецепторов является то, что внеклеточная его часть содержит иммуноглобулинподобную область и два фибронектина, в то время как цитоплазматическая поверхность обладает ферментативной киназной активностью (Bartley T.D. et al., 1994). Наличие таких рецепторов позволяет клетке тонко регулировать свою активность и направлять возможные ответы в ходе нейрогенеза.

Выявлено, что взаимодействие может включать в себя как хемотаксиновые функции, так и роль хеморепеллента для точного направления роста аксонов (Drescher U. et al., 1995). В ходе исследований было показано, что лиганды к данным рецепторам являются мембранными белками, и таким образом данные рецепторы обеспечивают клеточноклеточные взаимодействия (Davis S. et al., 1994).

164

Важнейшую роль в формировании межнейронных связей играет дифференцировка синаптических контактов и конкурентные взаимодействия между нейронами. Так, от 25% до 59% нервных клеток коры больших полушарий подвергаются апоптозу в пренатальный и ранний постнатальный периоды. Эта регрессия числа нервных клеток обеспечивает устойчивость головного мозга и регулируется, в том числе и нейротрофными факторами (Pallas S.L. et al., 1988; Windrem M.S. et al., 1988).

Клеточная дифференцировка в нейронах сопровождается разнообразием фенотипических и функциональных особенностей нервных клеток различных нервных центров. Различия клеточных линий проявляются в специфических особенностях размеров и формы клеток, особенностях строения и числа отростков, различиях нейротрансмиттеров, межнейронных контактов, в особенностях структуры синапсов

ит. д. Региональная дифференцировка нейронов и нейронных ансамблей осуществляется через особенности межклеточных взаимовлияний, скорости дифференцировки и миграции, генетической детерминации процессов и другие факторы. Вопрос региональной спецификации является одним из наиболее активно изучаемых и дискуссионных в нейробиологии. Он рассматривается с двух сторон: как эндогенный, генетически контролируемый процесс; а также экзогенно обусловленный различными факторами (O’Leary D.D.M., Stanfield B.B., 1988; Schlagger B.L., O’Leary D.D.M., 1991). Исследование включает распространение клеток, формирование многоклеточной структуры, ее дифференцировку в сложные ансамблевые системы. Формирование отдельных нейронов и сложных нейронных ансамблей предполагает серию решений судьбы отдельных клеток и соотношение взаимовлияний различных клеток. Эти решения размещены в иерархии выборов, где самый простой (то есть образование направления диференцировки отдельного нейрона) регулирует более сложный комплекс, как, например, позиция

исвязь с другими типами нейронов. Эти взаимодействия связаны как с контактными взаимодействиями, так и локальными гуморальными взаимовлияниями. Они связаны с выделением соседними клетками морфогенетических факторов, которые могут оказывать паракринное и аутокринное действие. Влияние микросреды и общеорганизменные факторы включают морфогенетические программы, что направляет детерминацию клеток нервной ткани. Клеточно-клеточные промежуточные (щелевидные) контакты обеспечивают возможность непосредственного обмена между матричными клетками и участвуют в форми-

ровании градиентов развития (Lawrence P.A., Struhl G., 1996).

Как известно, важную роль в нейрогенезе играют гомеобокссодержащие гены. Особенности их экспрессии запускают механизмы диф-

165

ференцировки нейронов. Выяснено также, что динамика экспрессии предопределяет дальнейшее направление дифференцировки нейронов. При этом различия появляются уже на весьма ранних сроках развития, до миграции матричных клеток в зоны закладок нервных центров из соответствующих перивентрикулярных участков мозговых пузырей, что указывает на очень раннюю предопределенность дальнейшего развития клеточных популяций.

В следующие 10–20 недель беременности происходит анатомическое оформление отделов головного мозга и его оболочек, идет процесс дифференцировки мозговых структур ствола головного мозга и частично – промежуточного и переднего мозга. Большие полушария становятся самой большой частью головного мозга. Выделяются основные доли (лобная, теменная, височная и затылочная), образуются извилины и борозды больших полушарий. В спинном мозге в шейном и поясничном отделах формируются утолщения, связанные с иннервацией соответствующих поясов конечностей. Окончательный вид приобретает мозжечок. В последние месяцы беременности начинается миелинизация нервных волокон, которая заканчивается уже после рождения. В ходе нейрогенеза наблюдается транзиторное образование (наряду с основным медиатором) биологически активных факторов, в том числе и аналогичных медиаторам зрелого мозга, которые могут являтся ключевыми в ходе дифференцировки клеточных популяций. Наряду с этим формируются и соответствующие ферментные системы. В частности, известен факт транзиторной экспрессии ацетилхолинэстеразы в клетках и волокнах латерального коленчатого тела, направляющихся из этого ядра в лобную долю мозга. Эта активность появляется на 16-й неделе внутриутробного развития человека, достигая максимума к 28-й неделе, а затем снижается и исчезает, за исключением некоторых нейронов (Hitchcock P. et al., 1980).

Во второй половине беременности в конечном мозге и в течение раннего плодного периода в остальных мозговых закладках головного мозга полости мозговых пузырей суживаются и превращаются в систему мозговых желудочков, которые сохраняют связь с полостью спинномозгового канала. Центральные полости больших полушарий головного мозга образуют боковые желудочки.

Коммуникации между глией и аксонами в плодном периоде развития кажутся гораздо более важными, чем предполагалось ранее. Известно, что нейроглия играет важную роль в формировании функциональной архитектоники нейронов. Установлено, что миелинизация оказывает регулирующий эффект на медленный аксональный транспорт, регенерацию и организацию нейрофиламентов (Huang J.D. et al., 1999). Микроскопическое изучение нейроглии показывает, что в этих

166

клетках имеются протеины, содержащие специфические домены, способные взаимодействовать с веществами, выделяемыми из синаптических пузырьков в нервных синапсах. В нервных терминалях и ионных каналах межузловых перехватов самих нейронов имеются рецепторные системы, способные реагировать на влияния нейроглии (Ratner N. et al., 1998).

Модуляция нейроглии в центральной и периферической нервной системе динамична в ходе индивидуального развития, формирует разнообразные эффекты, в том числе пластичность. Важной неврологической проблемой является влияние стрессовых воздействий на развитие и функционирование нервной системы. Сильное повреждение (в том числе и опосредованное через периферические органы) может вести к функциональным и структурным изменениям головного мозга и нервной системы в целом. Физиологические стрессорные воздействия, тем не менее, в целом активизируют деятельность и развитие мозга, и стресс может быть гомеостатическим механизмом для повышения нейрональной функции. Это требует более детального изучения влияния кортикостероидов на динамику, организацию и композицию нервной системы и отдельных нейронов (Harveya B.K. et al., 2003).

Механизм формирования мозга человека и многих незрелородящихся высших млекопитающих интересен тем, что к моменту рождения человека, многих грызунов и хищников, они отличаются весьма малой дифференцированностью высших отделов. В частности, кора больших полушарий человека сформирована нейробластами и юными нейронами. Особенно слабо дифференцированы поверхностные слои коры больших полушарий. В них еще продолжаются процессы миграции клеток. Столь малая степень созревания мозга сопровождается слабой защищенностью ребенка от возможных опасностей после рождения (Симерницкая Э.Г., 1984: Шулейкина К.В., Хаютин С.Н., 1985). Аналогична ситуация у многих других видов млекопитающих (Фельд-

ман Н.Г., 1961).

Слабо дифференцированы системы обработки информации, поступающей от анализаторов, координации двигательной активности. В целом детеныши незрелородящихся животных отличаются крайней зависимостью от родительской опеки. Этот отрицательный момент создает для человека и многих млекопитающих одно неоспоримое преимущество. Формирование передних отделов мозга, формирующих высшую нервную деятельность, происходит в тех условиях, в которых предстоит жить этому детенышу (Шулейкина К.В., Хаютин С.Н., 1979). Фактически в ранние сроки после рождения происходит создание базовой конструкции коры больших полушарий (формирование жидкокристаллической структуры этих участков мозга). Тогда же но-

167

ворожденный знакомится с внешним окружением. Таким образом, первичная конструкция передних отделов головного мозга взаимосвязана с динамически изменяющимися условиями внешнего окружения, накладывающимися на врожденные и приобретенные особенности организма. Зависимые от активности нервных тканей изменения могут произойти в течение постнатального онтогенеза. Эти изменения наиболее заметны в течение специфических критических периодов, в которых формируется синаптическая электрическая схема отдельных мозговых областей, и она становится стабилизированной на выполнение специализированных функций. Наилучшим примером является созревание доминантных глазных колонок и функциональных характеристик синаптической электрической схемы в пределах зрительной системы коры (Le Vay et al.,1990).

С момента рождения у человека, как и у крысы, происходит изменение модуса развития трофического обеспечения. С одной стороны, вплоть до 3-го месяца постнатального онтогенеза крысы, продолжается увеличение плотности распределения сосудов, но, с другой стороны, изменяется характер их распределения в мозге. В течение первого месяца нивелируется примитивно-модульная система и заменяется непрерывным характером сосудистых сетей, отличаясь значительной вариативностью в пределах различных слоев мозга. Разнообразие распределения сосудов сопоставимо с характером энергетического обмена в мозге. Плотность капилляров и сложность формы капиллярных петель сопоставима с особенностями распределения СДГ в мозговой паренхиме. Относительно примитивная организация кровотока сопоставима с динамикой нейрогенеза и глиогенеза. Так, в ранний постнатальный период у крыс продолжается активная пролиферация глиальных клеток и происходит активное формирование глиоархитектонической организации коры больших полушарий и подкорковых центров (в основном в первые две недели после рождения). Данная динамика является характерной для развития многих млекопитающих и человека

(Dobbing J., Sands J., 1975; Nexdorf Bergveilve B.E., Albrecht D., Heinemann U., 1993). Относительно позднее развитие нейроглии по отношению к нейронам регулирует степень, а затем и стабилизирует процессы развития нейронных комплексов в ЦНС (Корочкин Л.Н., 1991; Sims T.J., Gilmore S.A., 1994).

Распределение, микроанатомические особенности, контакты, преобладание тех или иных популяций макроглии находится в тесной взаимозависимости от структуры нейронных ансамблей. При этом отростки таких клеток, как астроциты, тесно взаимно переплетаются между собой и отличаются спецификой взаимодействий в различных ядрах. Наше мнение перекликается с мнением о возможности так на-

168

зываемой объемной передачи сигнала в нервной системе, который должен зависеть от структурно-функциональной роли конкретных ядерных образований ЦНС. Данная передача может осуществляться биологически активными веществами, в том числе закисью азота (Снайдер С.Х., Бредт Д.С., 1992), нейротрофинами, нейропептидами (Самойлов М.О., 1999), нейромедиаторами (Саульская Н.Б., 1997). Была сформулирована концепция, согласно которой динамика возбуждения в ЦНС осуществляется путем ее передачи от нервной клетки в макроглию, а от нее – в другие нервные клетки (Vernadakis A., 1988). Таким образом, наряду с существованием признанных на сегодня нейронных ансамблей (Батуев А.С., Бабминдра В.П., 1993), в них входит и глиально-трофическое окружение. Изменения структуры ансамблей могут быть связаны с состоянием функциональной активности нервных клеток в ходе развития, но их последующее формирование «закрепляет» морфологические особенности нейроархитектоники, существенно влияя на функцию мозга взрослого.

Такая закономерность созревания мозговых структур млекопитающих, как, впрочем, и некоторых других животных с развитой центральной нервной системой (птицы), создает основы для индивидуальных особенностей поведения животного, тесно связанных с конкретными условиями существования, а это, в свою очередь, значительно облегчает приспособление к внешним и внутренним влияниям. Для людей и многих незрелородящихся животных важную роль играет индивидуальное обучение после рождения, формирование сложной структуры условных рефлексов.

Слабая дифференцированность нейронных ансамблей в коре больших полушарий сопровождается малой дифференцированностью астроцитарного окружения. В течение первой недели после рождения у крыс радиальные глиальные волокна иммунореактивны для виментина, что указывает на принадлежность данных волокон к бластным. В течение второй недели жизни волокна астроцитов положительны как для глиального фибриллярного кислого белка, так и антител к радиальной глие. К третьей неделе жизни исчезают виментинположительные астроциты и преобладают признаки дифференцировки астроцитов. Таким образом, похоже, что радиальные глиальные клетки превращаются в астроциты около недели после рождения, с исчезновением радиальной глии к третьей неделе (Pixley S.K., de‘Vellis J., 1984; Stichel C.C. et al., 1991). Такая слабая диференцированность астроцитов позволяет нейронам и нейробластам активно формировать новые отростки, обеспечивая активное формирование миелоархитектоники коры.

Увеличение объема передних отделов мозга, усложнение их организации значимо увеличивает возможности формирования разнооб-

169

разных поведенческих актов, подбора наиболее эффективных способов решения задач, возникающих в ходе жизнедеятельности. Это, в свою очередь, облегчает как индивидуальное выживание животного, так и повышает шансы выживания для вида в целом.

Таким образом, формирование высших отделов мозга, во всяком случае у части млекопитающих, происходит после рождения и во многом связано с взаимодействием мозга и организма в целом с внешним окружением (Сергутина А.В., 2001).

Но структурная организация мозга программируется не только окружением и динамикой приспособления к нему организма, но и генетической программой. Какова же значимость этих двух факторов для развития нервной системы? С одной стороны, известно, что выпадение функции какой-либо из симметричных рецепторных систем в критические моменты развития их анализирующих центров может сопровождаться массовой гибелью нервных клеток и потерей большей части способностей к центральному анализу. В качестве примера можно привести общеизвестный факт возникающей центральной слепоты при амблиопии, со стороны поврежденного глаза. Это обнаруженное Хьюбелом и Визелом явление связывалось ими с конкурентными взаимодействиями нейронов. Ими же выявлено, что временная деафферентация всего зрительного анализатора подобной слепотой не сопровождается и внешних проявлений нарушений развития при последующем открытии глаз не выявляется, и при восстановлении внешней стимуляции зрительный анализ сохраняется. За время работы в Гарварде Хьюбел и Визел (1963) исследовали функциональную и микроанатомическую организацию зрительного анализатора. В результате их исследований, кроме указанных фактов, было показано, что организация коры больших полушарий сформирована повторяющимися нейронными комплексами в виде столбиков. Усложнение функциональной организации и специализации нейронов в коре повышается в поверхностных слоях коры. Развитие зрительного анализатора, по их мнению, взаимосвязано с особенностями зрительного анализа, и нарушение периферической апперцепции может вести к центральной слепоте (Hubel D.H. et al., 1977).

Период, в течение которого опыт может изменить формирование нервной системы, называют сенситивным, или критическим периодом. Для нервной системы нарушения в развитии нейронов нередко связаны с недостатком стимуляции развивающихся нейронов и конкурентными межнейрональными взаимодействиями. Эти изменения показаны как минимум на нескольких видах позвоночных и имеют место в постнатальном онтогенезе (Blakemore C., Cooper G.F., 1970; Knudsen E., Knudsen P., 1986; Singer W. et al., 1986).

170