|
Скачать 201.73 Kb.
|
Эколого-биологический центр «Крестовский остров» Сектор Общей биологии и предметных олимпиад Спецкурс «Общая физиология» ГБОУ лицей № 281, Адмиралтейский район Влияние гипоксии на двигательную кору больших полушарий головного мозга новорожденных крысят Работу выполнила: Виктория Каменева, Ученица 10 класса ГБОУ лицея № 281 Научные руководители работы: Учитель биологии лицея № 281, О. В. Отеллина; Ведущий научный сотрудник лаборатории онтогенеза Института физиологии им. И. П. Павлова РАН Д.б.н. Л. И. Хожай Санкт-Петербург 2012 Содержание 1. Актуальность проблемы …………………………………............ 3-4 2. Обзор данных литературы по затронутой проблеме…………... 4-14 2.1. Кора больших полушарий мозга и неокортекс………………. 4-6 2.2. Моторная кора и регуляция движений……………………….. 6-7 2.3. Пирамидная система…………………………………………… 7-9 2.4. Поражения нервной системы вследствие гипоксии…………. 10-13 2.5. Модели перинатальной гипоксии…………………………....... 13-14 3. Материал и методы исследования…………………………......... 14-15 3.1. Методика моделирования перинатальной гипоксии………… 14-15 3.2. Методы гистологических исследований……………………… 15 4. Результаты собственного исследования………………………... 16-18 5. Обсуждение полученных данных……………………………...... 19-20 6. Выводы……………………………………………………….......... 21 7. Список литературы…………………………………………….….. 21-22 1. Актуальность проблемы. ![]() Именно в перинатальный период мозг наиболее чувствителен к различным повреждающим факторам. Кислородная недостаточность приводит к характерным изменениям нервной системы при рождении у каждого второго ребенка и нарушает процессы адаптации в первые дни жизни у 50-75% детей. Гипоксия новорожденного влечет за собой длительно текущий патологический процесс, проявляющийся в клинике рядом психоневрологических заболеваний и расстройств. В то же время в литературе отсутствуют данные в отношении структурно-функциональных характеристик коры больших полушарий головного мозга в ответ на воздействие нормобарической гипоксии (т. е. недостаток кислорода при нормальном атмосферном давлении) в ранний постнатальный период. Анализ литературы по данному вопросу свидетельствует о необходимости проведения комплексных экспериментальных исследований на адекватных моделях, что может дать ключ к установлению патогенеза, разработке новых методов диагностики и профилактики данного социально значимого заболевания. Поэтому целью настоящей работы состояла в оценке влияния гипоксии в ранний послеродовый период (модель недоношенной беременности человека) на структурные перестройки моторной коры белых крыс линии Вистар. ^ больших полушарий головного мозга – продукт длительного эволюционного развития, в процессе которого сначала появляется древняя кора. Затем, с выходом животных из воды на сушу, начинает интенсивно развиваться полностью обособленная от подкорки часть коры, которая состоит из старой и новой коры. Становление этих структур в процессе приспособления к сложным и разнообразным условиям наземного существования связано с совершенствованием и взаимодействием различных воспринимающих и двигательных систем. В связи с неравномерностью роста отдельных структур новой коры её поверхность становится складчатой, покрываясь бороздами и извилинами. Совершенствование коры конечного мозга у млекопитающих неразрывно связано с эволюцией всех отделов центральной нервной системы. Этот процесс сопровождался интенсивным ростом прямых и обратных связей, соединяющих корковые и подкорковые структуры. На более высоких этапах эволюции функции подкорковых образований начинают контролироваться корковыми структурами. Разрастание новой коры приводит к вытеснению старой и древней на нижнюю и срединную поверхности мозга. Кора головного мозга осуществляет тончайшее равновесие между организмом и внешней средой, регулирует и направляет физиологические процессы, протекающие внутри организма, обеспечивает его сложнейшее функциональное единство, несет главную ответственность за формирование условнорефлекторных реакций и согласованность работы внутренних органов. Кора покрывает поверхность больших полушарий с ее многочисленными бороздами и извилинами, за счет которых площадь коры значительно увеличивается. Различают ассоциативные зоны коры, а также сенсорную и моторную кору – области, в которых сосредоточены нейроны, иннервирующие различные части тела. Новая кора (лат. neocortex) – филогенетически наиболее молодая корковая формация, новые области коры головного мозга, которые у низших млекопитающих только намечены, а у человека составляют основную часть коры. Новая кора располагается в верхнем слое полушарий мозга, имеет толщину 2-4 миллиметра и отвечает за высшие нервные функции – сенсорное восприятие, выполнение моторных команд, осознанное мышление и, у людей, речь. Кора состоит из нервных клеток, для которых характерно обилие межнейронных связей, их отростков и нейроглиальных клеток. Неокортекс содержит два основных типа нейронов: пирамидальные нейроны (~80 % нейронов неокортекса) и вставочные нейроны (~20 % нейронов неокортекса). Структура новой коры у человека насчитывает шесть горизонтальных слоев нейронов, отличающихся по типу и характеру связей. Вертикально, нейроны объединены в так называемые колонки неокортекса. В процессе внутриутробного развития корковая пластинка появляется человека сравнительно рано – на 2-м месяце. Раньше всего выделяются нижние слои коры (VI-VII), затем – более высоко расположенные (V, IV, III и II; см. рисунок 1). К 6 месяцам у эмбриона человека уже имеются все цитоархитектонические поля коры, свойственные взрослому. ![]() Рисунок 1. Схема цитоархитектонического строения новой коры головного мозга (Андреева, Обухов и др., 1985). На рисунке 1 представлены слои коры: молекулярный, I –зернистый слой; V – ганглионарный слой; VI-VII – полиморфный слой; II – наружный зернистый слой; III – пирамидный слой; IV – внутренний слой. В разделе А – окрашены только тела клеток, Б – окрашены отдельные клетки с отростками; В – окрашены волокна. Клетки одного слоя коры выполняют сходную функцию в обработке информации. I и IV слои являются местом ветвления ассоциативных волокон, т. е. получают информацию от других корковых структур. III и IV слои являются входными, афферентными для проекционных полей. V слой клеток выполняет эфферентную функцию, его аксоны несут информацию к нижележащим структурам мозга. VI слой также является выходным, но его аксоны кору не покидают, а являются ассоциативными. ^ По современным представлениям в регуляции движений тела принимает согласованное участие кора больших полушарий головного мозга и ряд ядер мозгового ствола. Большинство «произвольных» движений, инициируемых корой, выполняются путем активации двигательных «программ», заложенных в нижних областях мозга: спинном мозге, мозговом стволе, базальных ганглиях и мозжечке. Эти подкорковые центры, в свою очередь, посылают специфические регулирующие сигналы к мышцам. Впереди от центральной борозды расположена моторная кора, занимающая примерно 1/3 задней части лобных долей. Позади центральной борозды находится соматосенсорная кора, от которой к моторной коре передаются сигналы, инициирующих двигательную активность. В самой двигательной коре можно выделить три отдела, в каждом из которых имеется собственное топографическое представительство мышечных групп и специфических двигательных функций: первичная моторная кора, премоторная область, дополнительная моторная область. Основная функция дополнительной моторной коры заключается в подготовке движений – трансформации намерения в конкретную последовательность моторных программ. Известно, что возбуждение одиночного нейрона моторной коры обычно вызывает специфическое движение, а не сокращение определенной мышцы. Для этого нейрон возбуждает систему мышц, каждая из которых вносит собственный вклад в направление и силу мышечного движения. ^ Пирамидная система – одно из поздних приобретений эволюции. Низшие позвоночные пирамидальной системы не имеют, она появляется только у млекопитающих, и достигает наибольшего развития у обезьян и особенно у человека. Расположение пирамидальных нейронов в слоях неокортекса (II, III и V слои): II слой – наружный зернистый (lamina granulans externa). Толщина этого слоя – 0,10 мм. Он состоит из мелких пирамидных и звездчатых нейронов. III слой – пирамидный (lamina pyramidalis), толщиной около 1 мм, состоит из мелких и средних пирамидных клеток. Типичный пирамидный нейрон имеет форму треугольника, вершина которого направлена вверх. От вершины отходит апикальный дендрит, ветвящийся в вышележащих слоях. Аксон пирамидной клетки отходит от основания клетки и направляется вниз. V слой – ганглионарный (lamina ganglionaris) – слой больших пирамид. Самые крупные клетки коры расположены именно в этом слое (гигантские пирамиды Беца передней центральной извилины). Их апикальные дендриты достигают молекулярного слоя, а базальные дендриты распределяются в своем слое. Аксоны клеток V слоя покидают кору и являются ассоциативными, комиссуральными или проекционными волокнами. Толщина V слоя достигает 0,5 мм. Пирамидный путь сформирован нервными волокнами, которые исходят, в основном, от клеток Беца, и спускаются в спинной мозг, не прерываясь. Пирамидный путь проходит через внутреннюю капсулу, ствол мозга, отдавая на своем пути ответвления (коллатерали) к экстрапирамидной системе, а также к подкорковым ядрам (двигательными ядрами черепно-мозговых нервов). Волокна перекрещиваются на границе головного и спинного мозга (большая часть – в продолговатом мозге, меньшая – в спинном). Далее они проходят через спинной мозг (передние и боковые столбы спинного мозга). В каждом сегменте спинного мозга эти волокна образуют синаптические окончания, которые отвечают за определенный участок тела (шейный отдел спинного мозга – за иннервацию рук, грудной – за туловище, а поясничный отдел – за нижние конечности). Импульсы от коры головного мозга эти волокна передают либо непосредственно, либо через вставочные нейроны. ![]() Рисунок 2. Схематическое изображение пирамидного пути на различных уровнях головного и спинного мозга (Андреева, Обухов и др., 1985). (1 – пирамидные нейроны коры большого мозга; 2 – внутренняя капсула; 3 – средний мозг; 4 – мост; 5 – продолговатый мозг; 6 – перекрест пирамид; 7 – латеральный корково-спинномозговой (пирамидный) путь; 8, 10 – шейные сегменты спинного мозга; 9 – передний корково-спинномозговой (пирамидный) путь; 11 – белая спайка; 12 – грудной сегмент спинного мозга; 13 – поясничный сегмент спинного мозга; 14 – двигательные нейроны передних рогов спинного мозга). ^ Поражения нервной системы в эмбриональном и раннем послеродовом периодах составляют большую разнообразную группу патологических состояний, сопровождающихся низкой массой тела, несовершенными приспособительными реакциями нервной, дыхательной, кровеносной, пищеварительной и других систем организма. Лечение и реабилитация таких детей часто оказывается малоэффективными и к периоду полового созревания приводят к увеличению числа инвалидов. Очевидная медицинская и социальная значимость отмеченных явлений положила начало формированию новых направлений исследований, даже можно сказать новой отрасли науки, изучающей механизмы развития органов и их систем у эмбрионов, плодов и новорожденных на фоне воздействий неблагоприятных факторов среды – неонатологии. Исследования в этом направлении стали чрезвычайно актуальными, особенно с учетом ухудшения экологической обстановки (повышение радиационного фона, химические загрязнения воды и воздуха), проблем неполноценного питания и стрессов, что приводит к разнообразной и многочисленной патологии. Успехи реаниматологии и интенсивной терапии способствовали позитивным сдвигам показателей перинатальной смертности в Российской Федерации - снижению младенческой смертности к концу 90-х годов. Вместе с тем констатируется постоянное повышение частоты неврологических нарушений у детей разных возрастных групп (Володин Н.Н. и соавт., 2001,7). Актуальность изучения данной проблемы обусловлена не только достаточно высокой частотой неврологических нарушений у новорожденных, пострадавших в перинатальном периоде, но и тем, что при всех усилиях, направленных на лечение и реабилитацию этих детей, не удается избежать инвалидизации. Так, по данным зарубежных авторов, различные отклонения нервно-психического развития, обусловленные перинатальной патологией, диагностируются примерно у 27-44% детей в возрасте до 15 лет. Следует заметить, что частота неврологических осложнений могла бы быть значительно ниже при своевременной диагностике церебральных нарушений как в дородовом периоде, так и после рождения в период ранней адаптации к новой среде обитания. Современная неонатология уделяет существенное внимание периоду ранней новорожденности, т. е. периоду перехода от внутриутробного к внеутробному существованию, когда появляется легочное дыхание и начинает функционировать легочный круг кровообращения, изменяется тип питания, а также происходит приспособление к резко изменившимся условиям окружающей среды (температура, свет, звук, гравитация и т. п. – «сенсорная атака»). Суммарное воздействие этих факторов в значительной мере опосредуются гипоксически-ишемическими реакциями во всех органах и их системах, и, в первую очередь, на нервную систему. Острая гипоксия плода является одной из основных причин возникновения патологии головного мозга, определяемой клиницистами как гипоксически-ишемическая энцефалопатия («воспаление» мозга) или перинатальная энцефалопатия (ПЭП). Этот термин включает в себя большую группу поражений головного мозга, возникающих во время беременности и родов. ПЭП – собирательный диагноз, подразумевающий нарушение функции или структуры головного мозга различного происхождения, возникающее в перинатальный период. Клиническая картина ПЭП чрезвычайно пестрая и проявляется по-разному, в виде отклонений в обучении, расстройствах в двигательной и психо-эмоциональной сферах в последующем развитии ребенка. ПЭП диагностируется у 5% новорожденных детей, составляет более 60% всей неврологической патологии детского возраста и участвует в развитии таких заболеваний, как детский церебральный паралич, эпилепсия, различные дисфункции нервной системы. Отдаленные последствия перинатальной патологии обусловливают основные неврологические нарушения – задержку моторного, психического, речевого развития, расстройства процессов памяти, внимания, эмоций, сна, и занимают первое место среди всех заболеваний нервной системы в детском возрасте (Володин Н. Н. и соавт.,2001; Пальчик А. Б., Шабалов Н. П., 2009; Семченко В. В., Степанов С. С., Алексеева Г. В., 1999). Являясь типовым и неспецифическим патологическим процессом, гипоксия в той или иной степени сопровождает многие формы патологии мозга. При нарушении кровотока (ишемии) и недостатке кислорода (гипоксии) возникает сложный комплекс патологических изменений. В популяции нейронов возникают взаимосвязанные процессы, приводящие в итоге к дегенерации и гибели нейронов (Крыжановский Г. Н., 1997). Вследствие развивающихся глобальных нарушений обменных процессов, при гипоксических состояниях плода и новорожденного в патологический процесс вовлекается не только ЦНС ребенка, но и весь организм в целом. (Михайленко А. А., Покровский В. И., 1997). Исследования патогенеза, т. е. изучение развития болезни, изучение основ сопровождающих ее симптомов, разработка новых методов диагностики и лечения у новорожденного ребенка имеют существенные этические и методические ограничения. Исследование этой проблемы возможно только на специально разработанных моделях с обязательным учетом нейробиологических особенностей развивающегося мозга. Известно, в головном мозге новорожденных продолжаются размножение и перемещение клеток-предшественников, дающих начало нервным и глиальным элементам нервной системы. Эти процессы регулируются генотипом и индуцируются различными внутренними и внешними факторами. Различного рода стрессорные воздействия (в первую очередь гипоксия) на организм в это время могут неблагоприятно сказываться на развитии мозга и, как следствие, на функциях центральной нервной системы в более поздние сроки онтогенеза. Эти механизмы до сих пор остаются практически неизученными. Центральным вопросом экспериментального моделирования перинатальных гипоксически-ишемических повреждений является установление сходства степени развития головного мозга лабораторного животного и мозга объекта моделирования, т. е. мозга новорожденного (Лебедев С. В. и соавт., 2009). ^ Для моделирования перинатальной церебральной патологии чаще всего используют крыс и мышей, поскольку между грызунами и высшими млекопитающими имеется достаточно большое сходство в кровоснабжении мозга и биологии нервных клеток (см. обзор Лебедева С. В. и соавт., 2009). По ряду убедительных морфологических критериев считают (Clancy В., Darlington R. В., Finlay B. L., 2001 и др.), что 7-дневный постнатальный возраст крыс соответствует 25-28 неделям развития человека, т. е. по структурно-функциональным показателям их мозг может рассматриваться как мозг глубоко недоношенного ребенка. Поэтому введение в эксперимент 2-5-6-дневных крысят при соответствующих контролях даст основание их мозг считать сходным с мозгом недоношенных детей. Что касается экспериментальных исследований патогенеза энцефалопатий и их отдаленных последствий, что лежит в основе разработки новых способов диагностики, лечения и профилактики, то они, в основном, направлены на изучение определяемой в клинике патологии белого вещества мозга и выполнены на модели ишемии-гипоксии у новорожденных крыс и мышей. Эта модель с перевязкой сонных артерий и последующим дыханием воздушной смесью с пониженным содержанием кислорода, как показал анализ многочисленных публикаций (Folkerth R. D. 2005; Huang Z., Liu J., Cheung P. Y., Chen C. 2009; Kaur C., Ling E. A. 2009; Sullivan S. M. et all, 2010) позволяет, в основном, получать картину нарушенного кровотока и локальных инсультов. При этом остаются невыявленными многие эффекты гипоксии, что не позволяет в полной мере оценить тонкие функциональные и структурные изменения головного мозга, обусловленные действием данного патогенного фактора. Экспериментальные же работы по изучению влияния нормобарической гипоксии (т. е. низкое содержание кислорода в дыхательной смеси при нормальном атмосферном давлении) на новорожденных индивидуумов, что актуально для клиники, поскольку практически все дети при родах подвергаются воздействию гипоксии, нам не встретились. Изучение этого вопроса представляется обоснованным с позиций современной нейробиологии, поскольку дают возможность установить механизмы, а также динамику приспособительных и патологических процессов и их влияние на дальнейшее структурное и функциональное развитие головного мозга. ^ Работа выполнена на 2 пометах крысят линии Вистар, из которых 6 служили контролем, а 6 подвергались экспериментальному воздействию на 2-й день после рождения. Опыт проводился в барокамере СВК-150 объемом 14 л. В течение 5-7 мин. ее предварительно продували азотнокислородной смесью, содержащей 8% кислорода, а затем эту дыхательную смесь 1 час непрерывно подавали в камеру, обеспечивая тем самым поддержание в ней постоянство количества кислорода. Периодически смесь из камеры подвергалась анализу на газоаналититической установке CF-101 (Франция) и определялось содержание кислорода и углекислого газа. Для удаления избытка последнего в камере использовали химический поглотитель углекислого газа. Температура в камере поддерживалась на уровне комнатной с помощью наружной регулируемой электрической печки и внутреннего электротермометра. Скорость подачи в камеру газовой смеси регулировалась по показаниям волюметра. Смесь поступала из транспортного наружного баллона, где газ находился под повышенным давлением. Контроль давления – по манометру. Все экспериментальные процедуры проводились в соответствии с «Правилами проведения работ с использованием экспериментальных животных». ^ Микроскопически изучалась двигательная область коры больших полушарий головного мозга, которая участвует в построении и регуляции множества функций мозга, через 10 суток (конец раннего послеродового периода) после завершения эксперимента и на 30-е сутки (препубертатный, предшествующий половому созреванию период). Головной мозг фиксировали в жидкости Буэна. Материал по общепринятой методике заливали в парафин, готовили фронтальные срезы толщиной 5 мкм. Для решения поставленной задачи применен высокоинформативный классический нейрогистологический метод Ниссля. Морфологические исследования проводились при помощи светового микроскопа DME фирмы Leica (Германия), изображения были получены при помощи цифровой видеокамеры EC3 фирмы Leica (Германия). 4. Результаты. Полученные морфологические данные показали, что гипоксия в ранний послеродовый период развития вызывает ответные клеточные реакции в двигательной области коры больших полушарий головного мозга крысят. Через 10 суток (Рисунок 3) после воздействия гипоксии было отмечено истончение всех слоев неокортекса. В верхних слоях II-III наблюдалась гибель клеток (6-7 клеток на поле зрения). В слое V присутствовали единичные погибшие клетки. Плотность распределения клеток в слоях II, V и VI была меньше, чем в контроле. Размеры нейронов в отдельных слоях отличались: в слоях II и V были меньше, чем в контроле, а в слое III значительно меньше (в 2 раза), чем в контроле (23,5± 4.2 мкм² и 47,2±2,8 мкм²). На 30-е сутки (Рисунок 4) отмечено значительное истончение слоев II—III, IV и V. Ширина слоя VI соответствовала контрольному значению, однако плотность распределения клеток на единицу площади была значительно меньше, чем в контроле. Размер нейронов почти в 3 раза меньше, чем в контроле. В слое II у части нейронов наблюдалась вакуолизация цитоплазмы. В слоях II и V число и размер нейронов были заметно меньше, чем в контроле. В клетках отмечено нарушение ядерно-цитоплазматического соотношения. В слоях неокортекса выявлено изменение соотношения разных типов нейронов, особенно в слое V, где имеет место резкое сокращение числа больших пирамидных нейронов. ![]() Рисунок 3. Слои неокортекса II-III на 10 постнатальные сутки, погибающие гиперхромные нейроны после воздействия гипоксии; окраска по Нисслю, ув.: ок.х10; об.х20. ![]() Рисунок 4. Неокортекс крысы на 30 постнатальные сутки, слой V; а – контроль, б – после воздействия гипоксии; разные по размеру нейроны (стрелки) окраска по Нисслю, ув.: ок.х10; об.х40. 5. Обсуждение. В нашей работе мы отказались от наиболее часто используемой модели ишемии-гипоксии с перевязкой сонных артерий. На модели, которая предусматривает помещение крысят в камеру с низким содержанием кислорода. В настоящем исследовании было показано, что сама по себе гипоксия может оказывать достаточно выраженное повреждающие действие на структуру мозга. Оказалось также, что по ряду показателей повреждающие эффекты гипоксии могут быть гораздо более значительными, если ее действие приходится на самые первые дни жизни крысенка. Полученные результаты находятся в определенном противоречии с данными авторов, принимавших участие в разработке экспериментальной модели ишемии-гипоксии на крысятах. Согласно их данным, видимые нарушения мозга в условиях гипоксии-ишемии возникают лишь у крысят, достигших недельного возраста (Rice J. E., Vannucci R.C. & Brierley J. B.,1981; Vannucci R. C.,Vannucci S. J.,1997). В наших экспериментах на новорожденных установлена прямая причинно-следственная связь между воздействием гипоксии в ранний постнатальный период и структурными перестройками в двигательном поле коры больших полушарий головного мозга. Эти перестройки, как показали физиологические наблюдения лаборатории онтогенеза нервной системы, сопровождаются отклонениями в поведенческих реакциях и в дальнейшем формировании организма в целом (Отеллин В. А. и соавт., 2011). Однократная гипоксия на 2-е сутки жизни вызывает отставание такого интегративного показателя общего развития и роста как масса тела в период вскармливания. У таких животных выявлены существенные нарушения сенсорно-двигательного развития. Эти нарушения проявлялись задержкой развития рефлекторных реакций переворачивания на плоскости, отрицательного геотаксиса (невозможность ориентации тела по оси верх-низ на наклонной плоскости) и избегания края плоскости. Обнаружено также влияние воздействия гипоксии на реакцию удержания на натянутой бечевке. Есть основания предполагать, что выявленные в данном тесте у крысят нарушения моделируют симптом мышечной слабости, часто наблюдаемый и у детей, родившихся в условиях гипоксии. Мышечная гипотония, наблюдавшаяся в этих экспериментах, может быть обусловлена значительными изменениями формирующих нисходящие пути неокортикальных пирамидных клеток и их отростков, в которых отмечены нарушения миелинизации и дегенерация (Deng W. 2010.; Volpe J. J. et all., 2011). В нашей работе выявлены существенные изменения послойной организации коры. Уменьшено число и размеры пирамидных клеток двигательной зоны коры мозга, что по данным литературы (Hoffmann E. K., Lambertn I. H., and Pedersen S. F., 2009) свидетельствует о снижении их функциональной активности. На основании этого можно предположить, что такие отклонения могут лежать в основе нарушений как формирования пирамидного тракта – основного двигательного тракта, нисходящего до моторных центров ствола и спинного мозга и обеспечивающего корковый контроль произвольных мышечных сокращений, так и двусторонних внутрикорковых связей моторной коры со всеми сенсорными и ассоциативными областями и тесных взаимодействий между ними. Обнаруженные структурные перестройки могут являться основой отмеченных отклонений в процессах обучения и эмоциональных реакций. Оценивая в целом полученные нами результаты, можно полагать, что избранные условия экспериментов моделируют проявления распространенной в клинике патологии, возникающей при воздействии гипоксии на недоношенных новорожденных. 6. Выводы.
^
|