Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Динамика морфофункциональных перестроек в нейронально изолированном и симметричном участке контралатерального полушария неокортекса крыс при длительных сроках переживания

ВАК РФ 03.00.13, Физиология

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Пасикова, Наталья Викторовна, Москва

и

п

О

и

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ИНСТИТУТ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И НЕЙРОФИЗИОЛОГИИ

На правах рукописи

Пасикова Наталья Викторовна

УДК 612.822.6:611.8.018

Динамика морфофункциональиых перестроек в нейронально изолированном и симметричном участке контралатерального полушария неокортекса крыс при длительных сроках переживания.

03.00.13 - физиология человека и животных 03.00.11. - эмбриология, гистология и цитология

диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель доктор биологических наук, профессор Н.С. Косицын

Москва -

1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................1 - 5

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.................................................................6-31

1.1. Структурная организация сенсомоторной области коры мозга...........................6 -18

1.2. Ультраструктурная организация сенсомоторной области неокортекса............18 - 21

1.3. Структурные и ультраструктурные изменения в изолированных

участках различных областей неокортекса.......................................................21 - 26

1.4. Гистохимические изменения в изолированном участке неокортекса...............26-27

1.5. Методики изоляции участков коры мозга у разных животных........................27 - 31

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.......................................32-40

2.1. Методика хирургической изоляции участка неокортекса у крыс............................32

2.2. Гистологические исследования...............................................................32 - 35

2.3. Гистохимические исследования...............................................................................36

2.4. Электронно-микроскопические исследования...................................................36 - 39

2.5. Методы обработки полученных результатов...................................................39 - 40

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ..........................................................................41 -114

ГЛАВА 3. Усовершенствованная методика изоляции участка неокортекса

у крыс и анализ состояния нервной ткани изолированного участка и окружающих областей мозга..........................................................................41-57

3.1. Усовершенствование методики хирургической изоляции участка

неокортекса мозга крыс.......................................................................................41 -49

3.2. Анализ состояния ткани изолированного участка коры и

прилежащих областей мозга.........................................................................50-57

ГЛАВА 4. Динамика цитоархитектонических и ультраструктурных перестроек в нейронально изолированном участке сенсомоторной области неокортекса крыс..............................................................................58-87

4.1. Качественная характеристика цитоархитектоники изолированного участка неокортекса на разных сроках его переживания

(от 7 до 90 суток).............................................................................................58 - 67

4.2. Морфометрический анализ цитоархитектоники нейронально изолированного участка неокортекса на разных сроках

переживания (от 7 до 90 суток)........................................................................67 - 79

4. 3. Ультраструктурные перестройки в нейронально изолированном

участке неокортекса..............................................................................................80-87

ГЛАВА 5. Динамика цитоархитектоники и ультраструктурных перестроек в симметричном участке контралатерального полушария после изоляции участка коры....................................................................................88 -105

5.1. Качественная характеристика цитоархитектоники симметричного участка в противоположном полушарии на разных сроках после

изоляции (от 7 до 90 суток)...............................................................88 - 92

5.2. Морфометрический анализ цитоархитектоники симметричного участка контралатерального полушария на разных сроках после

изоляции (от 7 до 90 суток).............................................................93 - 101

5.3. Ультраструктурные перестройки в гомотопическом участке контралатерального полушария..........................................................102 -105

ГЛАВА 6. Динамика уровней активности дыхательных ферментов в хронически изолированном участке (от 2-х до 90 суток) и гомотопическом участке контралатерального полушария

неокортекса крыс..............................................................................106 -114

6.1. Изменение уровней активности СДГ и НАДН-ДГ в нейронально изолированном участке и симметричном в контралатеральном

полушарии.....................................................................................................106 -114

ГЛАВА 7. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ....................115 - 122

ВЫВОДЫ........................................................................................123 -124

ЛИТЕРАТУРА..................................................................................125 - 140

ВВЕДЕНИЕ

Исследование механизмов деятельности коры головного мозга остается одним из важнейших направлений нейрофизиологии, поскольку именно кора, согласно представлениям И.П.Павлова, является высшим звеном системы, обеспечивающим аналитико-синтетическую деятельность головного мозга. Об этом наглядно свидетельствует огромное число экспериментальных и теоретических работ, посвященных изучению морфофункциональных аспектов корковой организации (Са]а1, 1891; Ьогетйе <1е N0, 1949; Анохин, 1968; Ливанов, 1972; Поляков, 1973; Коган, 1979; Соколов, 1981; Батуев, 1991; Симонов, 1993; Шевелев, 1994 и др.). Поскольку кора имеет не только сложное морфологическое строение, но и сложнейшую систему внутренних и внешних связей, объединяющих ее с другими отделами мозга, изучение механизмов деятельности этого высокоорганизованного образования крайне затруднено без разложения выполняемых им сложных функций на более простые составляющие. Одним из традиционных направлений исследования деятельности мозга являются методы, позволяющие функционально выключать, повреждать или локально воздействовать на определенные области и участки мозга, а также отдельные клетки, нервные элементы и даже их фрагменты (Хананашвили, 1961; Боголепов, 1973; Буреш, 1972, 1974; Косицын, 1976; Беленков, 1980; Бабминдра, 1982 и др.). В связи с развитием новых методических приемов стало возможным изучение функций отдельных участков мозга, нервных клеток и их локусов на переживающих срезах мозга, переживающих препаратах изолированной нервной системы ряда беспозвоночных животных, культуре ткани (Журавлева, Виноградова, 1984, 1994; Балабан, 1992 и др.). Однако искусственные условия существования таких препаратов приводят к значительной деформации морфологического субстрата и, поэтому, исследования, с использованием этих методических приемов, не совсем адекватно

отражают процессы, происходящие в интактном мозге.

Нейрональная изоляция участка коры от окружающего мозга позволяет исключить все подкорковые влияния и, таким образом, исследовать собственные функции коры в условиях, максимально приближенных к существованию интактного мозга (Хананашвили, 1971; Rutledge, 1978; Заркешев, 1980; Тараненко, 1988 и др.). Эта модель, которую нейрофизиологи начали использовать еще в 50-е годы, широко применяется для разного рода исследований и в настоящее время (Szentagothai, 1965; Обухова, 1976; Hoffman, 1995; Salin, 1995; Prince, 1993, 1997 и др.). За последние 50 лет, на полностью или частично изолированных участках коры мозга, было проведено множество электрофизиологических, морфологических, биохимических исследований (Kristiansen, Courais, 1949; Burns, 1950; Холодов, 1971; Коштоянц, 1971; Тишанинова, 1973; Шуранова, 1979; Буреш Я., 1981 и др.). Но полученные данные были не всегда сопоставимы, так как в работах использовались лабораторные животные разных видов и возрастов, различались методики изоляции, сроки переживания, изучаемые области неокортекса. В большинстве случаев исследования на изолированном участке ограничивалась одним, двумя сроками его переживания. (Rutledge, 1978; Серков, 1980; Tsen, 1991). Влияние изоляции участка на контралатеральное полушарие, в частности на симметричный фрагмент, практически не изучали. Более того, в некоторых работах его использовали в качестве контроля (Krnjevic, 1970), что, по нашему мнению, не совсем корректно, так как при изоляции нарушаются каллозальные связи, и, поэтому, гомотопический участок контралатерального полушария, в сущности, не может оставаться интактным. Такого рода исследования могут быть полезны для решения вопросов, связанных с проблемой асимметрии в головном мозгу (Симонов, 1993, 1998).

В результате этих фрагментарных исследований было невозможно представить себе целостную картину динамики морфологических изменений, происходящих как в

изолированном участке, так и в противоположном полушарии в течение длительного времени после операции изоляции. Таким образом, все вышеизложенное определило цель и задачи настоящей работы.

Целью данной работы являлось детальное изучение динамики структурных, ультраструктурных перестроек и энергетического метаболизма (по активности окислительных ферментов сукцинатдегидрогеназы (СДГ) и НАДН-дегидрогеназ (НАДН-ДГ)) нервных и глиальных клеток в нейронально изолированном и симметричном ему участках сенсомоторной области коры больших полушарий мозга крыс при длительных сроках переживания. При этом ставились следующие конкретные задачи работы:

1. Усовершенствовать метод, с помощью которого можно получать полностью нейронально изолированные участки коры мозга крысы стандартного размера, с минимальным повреждением пиальных сосудов, паренхимы и способных к длительному переживанию;

2. Провести качественный и количественный анализ структурных перестроек, происходящих во всех слоях нейронально изолированного участка неокортекса на разных сроках переживания (7, 14, 21, 30, 60, 90 суток) с помощью методов морфологического анализа (световой микроскопии, морфометрии);

3. Провести детальный морфометрический анализ структурных изменений, происходящих во всех слоях участка симметричного изолированному в контралатеральном полушарии коры мозга при тех же сроках переживания (7, 14, 21,30, 60, 90 суток);

4. Выяснить характер изменений ультраструктуры нервных элементов в изолированном участке и симметричном участке контралатерального полушария при длительном переживании (до 3-х месяцев) и сравнить с динамикой

цитоархитектоники в этих участках; 5. Исследовать динамику уровней активности окислительных ферментов -сукцинатдегидрогеназы (СДГ) и НАДН-дегидрогеназ (НАДН-ДГ), как показателей дегенеративно-регенеративных процессов в нейронально изолированном и симметричном участке контралатерального полушария и сопоставить их с цитоархитектоническими изменениями. Научная новизна работы состоит в том, что нами была получена возможность полной изоляции участка неокортекса у мелких животных (крысы), способного существовать длительное время без значительного изменения объема, за счет минимального повреждения кровоснабжения, ткани внутри изолированного участка и прилегающих областей головного мозга. Хроническое переживание такого участка стало возможным благодаря усовершенствованной нами методике нейрональной изоляции. Показано, что при длительном переживании в 3-м и 5-м слоях изолированного участка нарушается стратификация нервных клеток, ориентация пирамидных нейронов, тела нейронов становятся изоморфными по форме и размерам.

Выявлены колебания количества синапсов, как в изолированном, так и в симметричном ему участке в противоположном полушарии на разных сроках после операции.

Впервые показано, что в симметричном участке противоположного полушария увеличиваются размеры тел пирамидных нейронов, изменяется нейроглиальный индекс во всех слоях этого участка.

Впервые обнаружены изменения активности энергетических ферментов (СДГ и НАДН-ДГ) в изолированном и гомотопическом участке контралатерального полушария на разных сроках переживания (2,21, 60, 90 суток).

Научно-практическое значение. Полученный нейронально изолированный участок

>

неокортекса, переживающий длительное время в мозге, может быть удобным и адекватным объектом для различного рода исследований: при изучении влияния лекарственных веществ на отдельные структурные элементы; при изучении динамики адаптационных процессов, происходящих в мозге; при генетических исследованиях (исследование генома нервной клетки, лишенной афферентного притока и эфферентного оттока); при изучении процессов старения нейронов и их функциональной активности.

Результаты данной работы могут быть использованы в нейрохирургической практике при механических, ишемических повреждениях нервной ткани, при различных длительных патологических состояниях в головном мозгу.

ГЛАВА 1. Литературный обзор.

1.1. Структурная организация сенсомоторной области коры мозга.

Согласно представлениям И.П. Павлова, кора больших полушарий является высшим аналитико-синтетическим отделом головного мозга «органом условных рефлексов». Выполнение неокортексом воспринимающей, интегративной, эфекторной и других функций обеспечивается за счет его сложного морфологического строения и огромной системы внутренних и внешних нейрональных связей.

Представления о том, что мозговая ткань на подобие других тканей состоит из единиц - клеток, сформировалась и нашла широкую поддержку в нейробиологии еще в XIX веке, хотя сами клетки тогда еще никто не видел и не мог проследить за разветвлением их отростков. Многие известные нейроанатомы (Гольджи, Рамон-Кахал и др.) рассматривали нейрон как отдельный, но соприкасающийся с другими нейронами элемент. Физиологическое обоснование нейронной схемы строения нервной клетки с обязательными контактами между этими клетками было дано Ч. Шеррингтоном, который и предложил термин «синапс» для обозначения предполагаемых связей между отдельными нервными клетками.

Кора больших полушарий состоит из огромного числа (109) нервных клеток, представляющих по своему внешнему виду большое многообразие. Начиная с работ Гольджи (Herrick, 1934), по форме тела, организации дендритной системы, наличию или отсутствию длинного аксона морфологи выделяют два основных типа нервных клеток - пирамидные и звездчатые.

Согласно взглядам Полякова (1973), в ходе эволюции все многообразие клеток неокортекса, характерное для высших млекопитающих и человека, возникло за счет развития этих двух основных разновидностей. Начиная с работ Бродмана (Brodmann, 1909) и Vogt С. а. Vogt О. (1919), считается признанной схема шестислойного строения

коры (Филимонов, 1949; Саркисов, 1955, 1964). Однако ряд авторов (Lorente de No, 1949; Sholl,1956; Ramon Moliner, 1961; Colonnier,1966) отмечает искусственность в выделении слоев. Вероятно, наличие тангенциальной слоистости, как указывает Colonnier (1966) не означает, что мозговая кора функционально организована из горизонтальных единиц. Фритц и Гитциг внесли первые экспериментальные данные о функциональной неоднородности коры больших полушарий (Fritsch G., Hitzig Е., 1870). Гистологический метод, впервые примененный Нисслем, позволил увидеть клеточную горизонтальную упорядоченность по слоям. Метод Гольджи, интенсивно применяемый Кахалем (Cajal S., 1955), также дал возможность выявить клеточную неоднородность коры. Систематизируя, накопленные экспериментальные данные ученые ввели понятие архитектоники головного мозга. Архитектоника коры большого мозга изучает общий план и местные особенности ее строения, выражающиеся рядом признаков, и делит на основании этих признаков всю поверхность большого мозга на известные структурные единицы различной значимости: основные территории, области, подобласти, поля, подполя. Цитоархитектоника изучает отличительные признаки, касающиеся общего характера клеточного строения коры большого мозга. К этим признакам относятся величина и форма клеточных элементов, их распределение на слои (горизонтальная исчерченность), густота их расположения по всему поперечнику коры и в отдельных ее слоях, ширина коры и ее слоев, характер слоев, их деление на подслои, наличие тех или иных специальных клеточных форм в том или ином слое. Распределение клеток в вертикальном направлении - радиарность, распределение в форме колонок, диффузное распределение. (Саркисов, 1949; Светухина, 1962; Леонтович, 1978; Звегинцева Е.Г., 1982).

В настоящее время общепринятым является шестислойное строение коры, поскольку именно такое число слоев первоначально развивается в эмбриональном

периоде во всех корковых областях. Количество слоев в зрелой коре варьирует от 5 до 8 в силу более поздней репродукции отдельных слоев или же их расщепления (БЬоН, 1956; Саркисов, 1972; Поляков, 1973). Слой первый - зональный. Основные его элементы - горизонтальные клетки с короткими различно ориентированными аксонами и ветви дендритов, приходящих из ниже лежащих слоев. Слой 2 - наружный зернистый. Он содержит мелкие и сверхмелкие пирамидные клетки, многие из которых обладают относительно толстым восходящим дендритом (по отношению к телу клетки) и 1-2 тонкими нисходящими. Встречаются мелкие ординарные и грацильные клетки. У нейронов, как правило, короткие аксоны, распространяющиеся внутри слоя. Слой 3 - пирамидный. Этот слой состоит из нервных клеток пирамидной формы, размер которых увеличивается по направлению к 4 слою. У пирамидных нейронов наблюдается развитое ветвление четко ориентированных апикальных дендритов. В небольшом количестве здесь нахо�