Начало >> Статьи >> Архивы >> Развивающийся мозг

Генетические предпосылки опережающего созревания нервных структур - Развивающийся мозг

Оглавление
Развивающийся мозг
Эволюция мозговых структур
Вписанность эволюции живого в пространственно-временной континуум мира
Эволюция жизни как эволюция систем
Мозг как биологический экран внешнего мира
Отражение константных параметров в эволюции мозга
Системогенез и его предпосылки
Теория функциональных систем П. К. Анохина, Барталанфи
Опережающее развитие нервных структур
Генетические предпосылки опережающего созревания нервных структур
Системное созревание восходящих активирующих влияний ретикулярной формации
Экологические факторы и гетерохронии в созревании восходящих активирующих влияний
Гетерохронное созревание болевых механизмов восходящих активирующих влияний ретикулярной формации
Системный принцип в созревании восходящих активирующих влияний
Химическая эволюция восходящих влияний ретикулярной формации
Гетерохронное созревание восходящих возбуждений сенсомоторной коры
Гетерохрония в созревании восходящих возбуждений сенсомоторной коры
Морфологические исследования кортикальных структур
Онтогенетическая эволюция вторичных компонентов вызванного потенциала
Эволюция вторичного ответа Форбса
Эволюция вторичного отрицательного компонента
Созревание проекционной зоны сенсомоторной коры
Анализ гетерохронного созревания компонентов первичного ответа
Филогенетическая эволюция восходящих систем спинного мозга
Эволюция химической специфичности синаптических организаций коркового нейрона
Биологические предпосылки нейрохимической организации нейрона
Действие ГАМК на поверхностные синаптические системы коры в процессе онтогенеза
Эволюция судорожной активности незрелой коры
Гетерохронный рост зрительных проекций как предпосылка системного созревания коры мозга
Особенности вызванных потенциалов зрительной коры и онтогенез
Онтогенетические исследования вызванных потенциалов зрительной коры
Созревание первого длиннолатентного отрицательного компонента дельта
Происхождение возбуждений, формирующих ВП в онтогенезе
Химическая специфичность компонентов вызванного ответа зрительной коры
Гетерохронное созревание подкорковых структур зрительной системы
Гетерохрония в созревании элементов сетчатки
Эпицентрическое и конвергентное созревание восходящих возбуждений зрительной коры
Филогенетические предпосылки гетерохронии восходящих афферентных систем зрительной коры
Принципы созревания восходящих возбуждений коры мозга
Заключение

С позиций современной генетики развития следующим образом можно себе представить такую раннюю закладку и опережающее созревание нервных структур. Сами формообразовательные процессы ранних стадий, например инвагинация верхней губы бластопора в процессе гаструляции и образовании крыши первичной кишки, могут найти объяснение в особых химических специфических состояниях поверхностной мембраны движущихся клеточных масс, определяемых специфическим набором липидов и белков, синтезирующихся на данной стадии.
Индукционные влияния хордомезодермы, возникающие в результате инвагинации, вызывают нейтрализацию клеток, лежащих над ней, заканчивающуюся образованием нервной пластинки. В свою очередь нервная пластинка индуцирует образование мезодермы. Процесс такой индукции осуществляется миграцией аминокислот, макро- и микромолекулярных комплексов на расстояния от 2000 до 10 000 нм, а также в ряде случаев миграцией микросомальных фракций. Этот переход веществ может происходить через межклеточные промежутки, цитоплазматические мостики между клетками (Саксен Л., Тойвонен С., 1963) через ядерные поры они достигают генома и взаимодействуют непосредственно с хроматином. Это взаимодействие избирательно активирует некоторые локусы генома или системы
генов, продукты синтезов которых и определяют начало превращения «леток эктодермы в клетки нервной пластинки. Далее продолжает нарастать объем регуляторных белков ядра, усиливается синтез различных РНК и начинается их выход в цитоплазму и т. д. Все эти процессы приводят к резкому отличию клеток нервной пластинки от окружающей эктодермы. Как упоминалось выше, в них резко нарастает содержание РНК (см. рис. 5, В). Появление нервной пластинки в свою очередь оказывает инициирующее и мощное влияние на последующую цепь морфогенетических процессов, путем перехода активирующих веществ, синтезированных в нервной пластинке, в хордомезодерму. Это включает новые генетические системы клеток хорды мезодермы и начинает дифференцироваться мезодерма. Дальнейшая дифференцировка и рост осевой мезодермы осуществляются под воздействием нервной трубки и развивающегося спинного мозга (Avery J., Holtzer Η., 1958). В свою очередь с момента и в ходе нарастания специфической только для нервной пластинки генной активности общая детерминация нервной пластинки становится все более устойчивой и независимой от мезодермы. До этого на стадии поздней гаструлы не взирая на усиленный синтез РНК и формирование нервной пластинки она еще остается зависимой от хордомезодерм. Далее развивается региональная дифференцировка нервной пластинки. Ее задние участки, взаимодействуя с хордой и мезодермой, образуют задние мозговые структуры будущего продолговатого и спинного мозга. И наоборот, прехордальная область дифференцируется в передние мозговые структуры. Экспериментальное полное удаление мезодермы всегда приводит к образованию передних пузырей (Takaya Н., 1951). Эти факты указывают на независимость от окружения и собственную внутреннюю регуляцию генетической активности и пролиферации зачатка, ведущего к образованию передних мозговых пузырей. Нейрофизиолога не может не поразить следующий удивительный факт: презумпция нервных
структур имеет место уже в оплодотворенном яйце (амфибий). Хотя этот факт регионального размещения перспективных областей на поверхности яйца в кортикальном слое цитоплазмы давно известен эмбриологам, тем не менее для нейрофизиолога он является весьма значительным. Как уже говорилось (см. рис. 5, А), около 1/3 поверхности яйца занято перспективными областями, из которых формируются мозговые структуры.
Как показали последние исследования, генетические механизмы, реализующие дробление яйца, определяются исключительно за счет цитоплазматических материнских факторов яйца, содержащихся в нем еще до оплодотворения. Следовательно, и возникновение бластомеров и проспективных областей яйца, формирующих нервные структуры, и закладка нервной пластинки определяются материнскими цитоплазматическими факторами наследственности. У амфибии собственный геном зародыша не участвует в процессе дробления, однако начало его активности и появление первых матричных РНК совпадает с появлением нервной пластинки. Таким образом, ранние процессы морфогенеза программируются цитоплазматическим «фактором» и, следовательно, все генные продукты, в том числе и огромное количество белка, необходимого для дробления и возникновения все новых и новых клеток, присутствуют в цитоплазме яйца. Опыты с межвидовой гибридизацией в пределах рода (бесхвостных амфибий) показали, что скорость дробления всегда шла по материнскому типу вплоть до гаструляции. Таким образом, образование нервной пластинки есть «первый шаг» собственного генома зародыша, активность которого определяет на этой стадии первый видимый фенотипический признак.
Этот факт демонстрирует еще одно исключительное свойство нервных структур, обеспечивающее их непрерывный процесс прогрессивной эволюции: специфическое обеспечение особой генной системой с особыми функциональными свойствами, обладающими высочайшей стабильностью закладки нервной пластинки как осевой структуры, являющейся признаком целого таксона. Эта генная система обладает избирательной высокой активностью и реактивностью, которые определяют опережающий синтез генных продуктов этой системы в безошибочный срок и в безошибочном объеме в каждом онтогенезе в бесчисленных поколениях индивидуумов. Несомненно и то, что эта генетическая система стала особым объектом направленного и стабилизирующего отбора и явилась крупным ароморфозом в эмбриогенезе полухордовых и хордовых.
Исследования особенностей транскрипции и трансляции в процессе дробления показали, что кортикальный слой цитоплазмы яйца содержит долгоживущие матрицы информационных и рибосомных РНК. По некоторым данным общее количество информационных РНК в яйце— 105—106 отдельных матриц (Дэвидсон Э., 1972). Можно думать, что запасы этих матриц уже регионально специфичны и оказываются в соответствующих бластомерах после первых делений. Их специфичность и определяет, очевидно, опережающее включение генной активности в клетках нервной пластинки.
Нервная пластинка, как отмечалось, есть внешнее проявление специфического результата первичной дифференциальной генной активности ядерного генома. Этот результат указывает на опережающий синтез, хотя он сам может начинаться на более ранней стадии, что являлось бы обычной для эмбрионального периода гетерохронией, но на молекулярном уровне. Эти возможные гетерохронии являются предпосылкой и компонентом своеобразной морфогенетической функциональной системы, результатом которой является возникновение зачатка нервной системы.
Действительно, опыты с актиномицином, блокирующим непосредственно транскрипцию ДНК, показывают неизменность популяций матричных РНК до стадии гаструлы. До этой стадии не изменяется и состав белков, синтез которых для всех 30 000 клеток зародыша осуществляется рибосомами, синтезированными еще в оогенезе задолго до оплодотворения. Однако с момента гаструляции появляются новые белки и РНК и их синтез начинается уже с поздней гаструлы и возрастает в двадцать раз к моменту гаструляции. В этом периоде синтезируются высокомолекулярные рибосомальные РНК. Это указывает на новые биосинтезы и начало дифференцировки, в которой участвует уже собственный геном зародыша. С этого момента возникает новый этап геномного контроля развития, который реализуется регуляторным аппаратом генома посредством матричных РНК. На стадии поздней гаструлы активны 5% генома, а у головастика — 17%.
Таким образом, система цитоплазматического контроля направляет деление сотен тысяч клеток, сохраняя определенный паттерн белкового синтеза и пространственных отношений. С определенной стадии включаются новые процессы ядерного контроля уже со стороны генома зародыша, без которого невозможна дальнейшая функциональная дифференцировка, для которой цитоплазматический контроль недостаточен. Ими являются транскрипция генов ядра, к которым и переходит руководящая роль в регуляции всего дальнейшего развития. Имеет место временное перекрытие этих двух форм контроля — цитоплазматического и ядерного в период от средней гаструлы до гаструлы.
Параллельно уменьшению цитоплазматической регуляции возникает, нарастает и, наконец, становится доминирующей и единственной ядерная регуляция развития. Можно предполагать, что эти молекулярные гетерохронии и обеспечивают опережающую дифференцировку нервной пластинки, как отражение избирательной активности определенных и специфических участков генома. Именно эти участки активны в клетках нервной пластинки, и нарастание их активности в онтогенезе включает другие локусы и приводит к дифференцировке нервных клеток, создавая их уникальный фенотип.
Этот новый этап развития характеризуется возникновением индукционных влияний со стороны нервной пластинки на окружающие части зародыша. Высокая активность генома клеток нервной пластинки этой стадии вызывает три феномена: исчезновение эквипотенциальности зачатка, появление региональных различий и начало цитоплазматической дифференцировки отдельных клеток. Наступает так называемая канализация развития, по К. Уоддингтону (1970). До начала специфической активации генома будущих клеток нервной пластинки на стадии поздней бластулы пересадка этого зачатка в брюшной эпидермис определяет его превращение в эпидермис.
Для развития млекопитающих как класса в отличие от амфибий характерна, наоборот, очень ранняя активация собственного генома зародыша уже на стадии двух бластомеров. Однако можно предполагать, что и в этом случае очень рано, если не в первую очередь, наиболее массированная генетическая активность начинается в зачатке будущих нервных структур. У зародышей человека на стадии 3—4 сомитов еще незакрывшаяся нервная трубка представляет собой значительную, если не основную, массу зародыша. Можно говорить, что органогенез зародыша человека начинается с органогенеза его мозга (см. рис. 5, Г).
Совершенно несомненным является, что ранняя и избирательная активация генетических систем, определяющих формирование нервной пластинки, происходит по типу кибернетических, системных отношений: регуляторная функция генома осуществляется пусковыми «афферентными» стимулами и обратной афферентацией.
Специфичность генетической активности мозга четко проявляется в процессе всего онтогенеза. В этом ее принципиальное отличие от генетической активности других соматических тканей. Экспрессия генома или объем транскрипции в мозге непрерывно нарастает в процессе эмбриогенеза и у новорожденной мыши составляет половину всего объема генетической информации, считывающейся в зародыше. Такой резкий обгон экспрессии генома нарастает и после рождения вплоть до взрослого состояния.

В мозге мыши ДНК транскрибируется более чем с 300 000 последовательностей, каждая длиной в 1000 нуклеотидов, причем 25—30% представлены уникальными последовательностями (Hahn W. E., Laird C. D., 1971). По данным этих авторов, в мозге транскрибируется 10% уникальных ДНК, а в почках—3%. Кроме того, объем транскрипции в почках устанавливается раз и навсегда с 14-го дня эмбриогенеза. Кроме того, на высокую активность генома указывают и особенности некоторых фракций гистонов мозга — блокаторов ДНК (Ашмарин А. П., 1970). Другие данные также подтверждают, что объем уникальных последовательностей ДНК в мозге мыши составляет 11%, в других органах (печень, почки, селезенка) — 4—5%. Такой же процент считывания уникальных последовательностей ДНК в этих же органах имеет место и у человека — 4—5%. Однако в мозге у человека считывается до 22% по одним данным (Crouse et al., 1973) и по нашим данным — до 20—25% (Ата-Мурадова Ф. А., Витвицкий В. Н., 1978).
Таким образом принципиальной закономерностью эмбриогенеза в целом является системная направленность развития. Механизм, реализующий этот процесс, — гетерохронии, которые на самых ранних стадиях представлены гетерохрониями процессов транскрипции и трансляции, определяющих клеточную дифференцировку и затем дифференцировку тканей и органов. Начало органогенеза характеризуется появлением фрагментной системной организации уже на макроуровне. Эти первичные эмбриональные «системные организации» в форме первичных контактов нервных элементов с периферическими зачатками являются исходным пунктом системогенеза любой будущей функции и, по нашему мнению, составляют специфическую и характерную закономерность эмбриогенеза, определенную на протяжении долгих лет эволюции стабилизирующим отбором.
Как уже говорилось, переднемозговые структуры формируются только в отсутствие мезодермы и хорды в прехордальной области. Эта граница — кончик хорды — оказывает решающее влияние на последующий морфогенез мозга. Она определяет область перегиба мозговых пузырей и является пунктом опережающей и наивысшей пролиферационной активности. Очевидно, возникает здесь пункт максимального градиента метаболической активности, оказывающий мощное морфологическое влияние на развитие передних мозговых пузырей и лицевого скелета. Резкое региональное разделение здесь нервной трубки имеет специфические особенности. Именно здесь возникает первая функциональная система эмбриона, система химического гомеостаза: хеморецепторных клеток ядра нерва, его мезэнцефалического корешка (Белова Т. И., 1972). 

И в этом пункте впервые появляются ускоренно дифференцирующиеся нейроны центрального мозга. Избирательное и раннее созревание клеточных элементов этой области постоянно обращало на себя внимание исследователей. Действительно, первичные волокна-ядра V пары прослеживаются уже на стадии 7—8 нед зародыша человека и связывают это ядро со средним мозгом (Шевченко Ю. Г., 1972). Следует отметить, что стволовое ядро V нерва закладывается на стадии незакрывшейся нервной трубки (Тильней, 1938), отсюда возникают первые восходящие в кору волоконные пути на стадии 9—10 нед зародыша человека и на 10-й день развития эмбриона кролика (Белова Т. И., 1972). Таким образом, и развитие передней части нервной трубки с самых ранних стадий реализуется как системная закономерность.
Именно этим и объясняется, что первичные восходящие волоконные пути к незрелой коре мозга начинаются из этих же областей ствола мозга. Таким образом, морфогенетические процессы сразу определяют место структуры в системе отношений, первичных и примитивных, но тем нс менее предотвращающих хаос случайных связей, и этим самым предвосхищают будущее се участие в функциональных системах. Эти первичные микросистемы организуют основу будущих, надстроенных над ними иерархических взаимодействий.
С этой точки зрения нейроны коры «с места» включаются в уже созревшую систему интегративных отношений стволового уровня, и это иллюстрирует начало в возникновении первичных иерархических отношений развивающегося мозга.
Системный принцип развития пронизывает все стадии эмбриогенеза начиная с первых дроблений яйца. Однако следует различать для каждого уровня развития, который берется для исследования, конкретное содержание системной организации как саморегулирующейся функциональной единицы с конечным результатом. В конструктивном смысле одни и те же принципы системной организации реализуются на различных структурных уровнях — от молекулярного до поведенческого (рис. 7).
С точки зрения системной организации эмбриогенеза следует особо отметить опережающую все другие органы раннюю закладку нервных структур как «пульта управления». Мы определили это как нейральный тип эмбриогенеза позвоночных и выделили следующие специфические особенности такого развития.

  1. На поверхности оплодотворенного яйца амфибий проспективные области, формирующие в дальнейшем нервную пластинку, занимают самую большую площадь (около 1/3). На стадии нейрулы нервная пластинка является первым зачатком органа эмбриона.

Рис. 7. Архитектура функциональной системы для различных уровней организации живых систем. Принципиальная общность всех уровней — регуляция по результату. Уровни различаются по числу и содержательности параметров. В случае Б и В результат регулирует непосредственно афферентный вход системы и для В цель вынесена за пределы частной реакции, так как объединяет сложную иерархию процессов.
А поведенческий (см. рис. 2); В — гомеостатический (по Анохину П. К., 1968); В — метаболическим уровень; системная организация процесса онтогенеза; пунктиром обозначен фенотип, не давший потомства.
Афф — афферентный синтез; ц — цель; ПД — программа действия; Рез — результат; Д — действие; АрД — акцептор результата действия; пР — параметры результата.

  1. Подпись:  Процессы считывания генетической информации тканеспецифического характера начинаются в первую очередь в нервных структурах, обладают самой высокой скоростью, разнообразием и сложностью по сравнению с транскрипцией в других тканях зародыша.
  2. Сложность генетической активности нервной ткани и число активных локусов генома непрерывно возрастает на всех стадиях развития, во взрослом состоянии, при обучении. И наоборот, транскрипция в других органах достигает конечной величины в эмбриональном периоде и сохраняется такой на протяжении всей жизни.

Эти три положения составляют принципиальное отличие генетического уровня развития нервных структур как специального аппарата отражения созданного в эволюции живого.



 
« Радионуклидные исследования отдельных органов   Развитие мозга ребенка »