Начало >> Статьи >> Архивы >> Развивающийся мозг

Опережающее развитие 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

ОПЕРЕЖАЮЩЕЕ РАЗВИТИЕ НЕРВНЫХ СТРУКТУР И ИХ ИНТЕГРИРУЮЩАЯ РОЛЬ В СИСТЕМОГЕНЕЗЕ ЭМБРИОНА
Ранняя закладка нервной системы позвоночных уже сама по себе является примером резкой гетерохронии развития по сравнению с другими органами и, в частности, с теми, которые только в будущем будут ею иннервироваться (см. рис. 5, В). Такой тип развития нервной системы характерен для всех позвоночных и нарушает филогенетическую последовательность ее возникновения в целом. Очевидно, биологический смысл такого опережающего развития заключается в том, что «пульт управления» с наиболее сложным устройством должен закладываться гораздо раньше и развиваться более длительный срок, чем периферические органы, несущие исполнительную функцию. Этим же, очевидно, можно объяснить и резкую гетерохронию между созреванием в пределах нервной системы отдельных структур, обусловливающих избирательность первичных контактов с периферическими органами в наиболее ответственных узлах будущих функциональных систем. Примером такого опережающего обеспечения может быть чрезвычайно раннее проникновение отростков нейробластов будущих мотонейронов в прилежащую мезенхиму сомита и почти одновременно с этим отростка чувствительной клетки зачаточного спинального ганглия (рис. 4, А). Таким образом закладывается маленькая система из минимального числа компонентов, но сразу как единое целое — моторный блок разных функциональных систем, деятельность которых отставлена в будущее. На следующей стадии, когда начинает дифференцироваться почка конечности, она оказывается полностью снабжена зачатками всех будущих нервов (рис. 4, Б).
Поразительной по своему биологическому смыслу иллюстрацией такой опережающей иннервации является преформация нервных стволов в зачатке языка, на самых ранних стадиях эмбриогенеза человеческого зародыша (рис. 4, Д). Такие отношения — резко опережающей иннервации хорошо прослеживаются при формировании зачатка сердца и, очевидно, являются общим принципом эмбриогенеза органов с универсальной исполнительной функцией. Таким образом, можно сформулировать чрезвычайно важное положение о том, что информационные связи в эмбриогенезе закладываются гораздо раньше тех реальных органов, которые они будут обслуживать только после рождения, и это опережающее развитие информационных связей как раз и лежит в основе системного характера процессов развития или, другими словами, в основе системогенезов.
Все эти факты опережения, предвосхищения на самых ранних стадиях эмбриогенеза всей будущей картины нервных связей указывают на то, что информационные связи между зачатками центральной нервной системы и периферических органов закладываются задолго до дифференцировки, а тем более активной функции самих органов.



Рис. 4. Формирование микросистемных отношении с первых стадий развития исполнительного двигательного органа.

А — сегментарный уровень, спинной мозг: уже на 3-й день инкубации эмбриона цыпленка появляются моторные и чувствительные корешки. Центральные связи между ними только намечаются (по Cajal, 1959); Б — резкое опережение в формировании зачатков периферических нервов конечности еще на стадии мезенхимальной почки. Зародыш амфибий: с — первичные эпидермальные волокна; s — sciatic nerve; р — peroneus, с — cruratis, t — anterior tibialis, pa — profundus (Taylor, 1913): В—резкое опережение в развитии эфферентных волокон глазодвигательного ядра, выходящих из нервной трубки (Cajal, 1960; эмбрион цыпленка, 3-й день инкубации); Г — принципиальная схема формирования системы: I — опережающее развитие эффекторного фрагмента; II — созревание афферентного звена и его сегментарных связей с мотонейронами; III — созревание нисходящего контроля из высших отделов продолговатого мозга и среднего; ПД — программа действия; Д — действие; Р — результат; АРД — акцептор результата действия па сегментарном уровне; АФФС — афферентный синтез; Д — опережающее развитие языка и его нервных волокон у эмбриона человека 12 нед (коллекция С. Б. Дзугаевой).


Рис. 5. Опережающее разните нервных структур в эмбриогенезе. Нейральный тип эволюции позвоночных.
А—схема зачатков на поверхности ооцита лягушки (нервный зачаток обозначен стрелкой) (Fogt, 1923); Б — число бластомеров, определяющих зачаток нервных структур, непрерывно растет в типе червей и в тине позвоночных (эти бластомеры заштрихованы). 1 — бластула плоского червя; 2 —бластула кольчатого червя; 3 —бластула асцидии (гипотетический предок позвоночных, по Иванову Π. П.. 1437); В — опережающий и избирательный синтез РНК на 10— 12-й стадии гаструлы в клетках будущей нервной пластинки и в самом нервной пластинке на стадии 13—15-й (стадии развития даны но Flickenger Rounds, 1058). Г — нейральный тип эмбриогенеза в ряду позвоночных. Опережающая закладка нервной пластинки у; 1 — круглоротых; 2—амфибии; 3 —рептилий; 4 —птиц (по Иванову П. Г. 1937); 5 —человека 23-дневный эмбрион на стадии двух сомитов, видна мощная нервная пластинка (Пэттен, 1959).
Однако выявленные нами на морфологических препаратах пространственно-структурные отношения между органом и его иннервацией являются но существу выражением на макроуровне более тонких системных отношений, выявляющихся на дальнейших стадиях развития. В самом деле, эти чрезвычайно рано закладывающиеся отношения между зачатком нервной трубки и прилегающими к ней сомитами (см. рис. 4, Б) и последующее развитие этой связи после прорастания аксона нейробласта в зачаток органа предопределяют специфический характер дальнейшей дифференцировки зачатка как компонента системы. Действительно, с этого момента весь дальнейший эмбриогенез зачатка происходит совместно с включенным в него мощным нервным сплетением, все кончики аксонов которого оказывают непрерывное активирующее, трофическое влияние на первичные мезенхимальные клетки. Само возникновение зачатка и его превращение в орган происходит под влиянием непрерывной секреции биологически активных веществ, специфических молекул, синтезирующихся как внутри колбы роста, так и на ее чрезвычайно активной поверхностной мембране. Именно эти отношения составляют содержание первичных информационных связей между центром и периферией. Оформление полноценных отношений между ними со структурно-фиксированными прямыми и обратными связями, как это представлено на рис. 4, Д, наступает после более позднего и растянутого во времени созревания центральных связей.
Как известно из механики развития формообразовательные процессы могут происходить и без участия нервной системы, например, при пересадке зачатка конечности головастика в лимфоидную полость другого головастика. Или, в другом случае, при удалении переднего конца нервной трубки на стадии нейрулы передняя лапка развивается, но гораздо меньших размеров. Независимость развития зачатка от нервной системы проявляется при пересадке зачатка конечности от маленького аксолотля крупному. Она дифференцируется только в маленькую конечность (Гекели Дж. и де Бэр Г., 1936). Тем не менее мощное трофическое воздействие плечевого нерва вызывает развитие маленькой новой конечности в так называемом поле конечности.
Все это заставляет по-новому взглянуть на значение и роль нервных структур в течении нормального эмбриогенеза позвоночных как целесообразно направленного процесса (рис. 5). Нервные структуры выступают как фундаментальный фактор развития, интегрирующий формообразовательные процессы

эмбриогенеза в общее целое через системную организацию процессов каждого этапа развития. С этой точки зрения они выступают как ведущий фактор эмбрионального развития, с активным регулирующим влиянием на ряд морфогенетических процессов.
Одним из механизмов этого влияния могут быть биологически активные вещества типа гормонов, медиаторов и др., которые активно секретируются через кончики тысяч аксонов, врастающих в зачатки органов на протяжении всего эмбриогенеза.
Действительно, как показали многочисленные эмбриогенетические эксперименты, нервная пластинка и нервная трубка, осуществляя свой естественный морфогенез, одновременно являются мощным индуктором развития и регулятором морфогенетических процессов: формирования некоторых хрящей лицевого скелета, развития конечности и т. д. (рис. 6).
В пределах центральной нервной системы количество растущих аксонов определяет морфогенез ядер ствола и нейронов спинного мозга: возрастание числа нисходящих волокон увеличивает число мотонейронов спинного мозга. В переключательных ядрах в аналогичных случаях индуцируется бурное размножение клеток и, наоборот, экспериментальное удаление, например, зачатка глаза, приводит к уменьшению соответствующего нервного центра, в данном случае tectum optici (см. рис. 6). В этом случае центры головного мозга ведут себя, так же как и периферическая нервная система, спинальные ганглии, число клеток в которых находится в прямой зависимости от количества периферических рецепторов. В этом случае при удалении больших поверхностей кожи или мышц или, наоборот, при подсадке добавочных элементов наблюдается соответственное уменьшение или увеличение числа нейронов спинального ганглия.
Совершенно очевидно, что на молекулярном уровне должна существовать весьма гибкая взаимная регуляция по типу прямой и обратной связи между нервными структурами и прилежащими к ним тканями. Действительно, изоляция нервной пластинки приводит к ее дифференцировке. Наоборот, в случае искусственной экзогаструляции, после которой становится невозможна закладка нервной пластинки, развитие эмбриона как целого прекращается. Однако в этом случае некоторое время еще продолжается тканевая дифференцировка по типу процессов в культуре in vitro. Таким образом, без нервных структур невозможна интеграция зародыша как целого.
Другими словами, нервные структуры с необходимостью «вписаны» в континуум эмбриональных процессов я определяют специфические черты эмбриогенеза нейтрального типа, характерного для позвоночных, как крупнейшей систематической единицы.
У некоторых беспозвоночных, имеющих так называемые мозаичные яйца, отдельные участки протоплазмы которых различаются по цвету, легко прослеживаются детерминанты этих участков в процессе дробления и последующего развития.

Рис. 6. Взаимная регуляция на уровне метаболических системных отношений между нервным зачатком и другими органами.
1 — регуляция формы и толщины нервной трубки окружающими сомитами (Holtfreter, Hamburger, 1955; Takaya, 1956); 2 — недоразвитие среднего мозга после удаления глаза в раннем эмбриогенезе амфибий (Durken, 1912); 3 — отсутствие развития лицевого скелета у амблистомы после удаления нервного гребня (заштриховано) (Mangold, 1928, по Гекели и Бэру, 1936); 4 — рост добавочной конечности после подведения плечевого нерва к участку рядом с нормальной конечностью (Guyenot, 1928); 5 —
принципиальная схема системного взаимодействия зачатков мозга и периферических органов.
Используя результаты этих классических исследований (Иванов Π. И., 1937), мы сравнили ранние стадии дробления мозаичных яиц у представителей восходящего эволюционного ряда от плоских червей к асцидиям и ланцетнику. В этом ряду совершенно отчетливо выявилась последовательное увеличение числа бластомеров, которые детерминируют нервные структуры от типа плоских червей к типу кольчатых, полухордовых асцидий и хордовых (см. рис. 5).
Типичная «шапка» бластомеров, из которых развивается нервная пластинка, впервые появляется у асцидий и размер ее возрастает от ланцетника к амфибиям.
Эти факты подчеркивают эволюционную особенность нервных структур, в онтогенезе охватывающую не только позвоночных, но и весь тип хордовых, — резкое опережение развития. Такой тип эмбриогенеза можно рассматривать как своеобразный ароморфоз онтогенетического развития, который определил прогрессивную эволюцию в пределах типа хордовых. Таким образом, эмбриогенез позвоночных характеризуется двумя закономерностями, определяющими его специфический нейральный характер: системную организацию процессов развития с ведущим значением нервной системы и резкое опережение в появлении ранних детерминант нервной системы в форме «шапки» бластомеров.
Третья закономерность, подтверждающая это положение, действует на уровне генной активности. Она заключается в повышенной и в известной мере опережающей транскрипции РНК в дорсальных клетках средней гаструлы, которые формируют нервную пластинку (см. рис. 5, в). В процессе превращения нервной пластинки в нервную трубку синтез РНК возрастает с 350 мкг до 430 мкг на 100 мкг ДНК (J. L. Saxen, S. Toivonen, 1958).
В исследованиях с радиографической меткой РНК было показано, что уже на стадии образования нервной пластинки, когда в ней только начинается превращение матричных клеток в первичные протонейробласты, отдельные ее части характеризуются заметной гетерохронией в закладке и в дальнейшем темпе развития (Levi — Mantalanchini).
Так, например, было установлено, что базальная часть нервной пластинки развивается быстрее, чем ее аларные части, еще позднее начинается развитие нервного гребешка. Более того, было показано, что процесс миграции первичных нейробластов. и первичной стратификации нервной трубки недифференцированными нейробластами носит не только гетерохронный характер, но экологически специфичен; у разных видов миграция происходит различно (Kallen L., 1971).
Этот факт указывает на своего рода «экологическое» отражение особенностей вида уже на такой ранней стадии эмбрионального развития, которое по классическим представлениям считалось всегда уровнем только градиентной интеграции эмбриона. Таким образом, видовая специфичность развития нервных структур уже на самых первых стадиях сразу вписывается в общий план развития позвоночных. Другими словами, зародыш уже на стадии нервной пластинки, отражая общие закономерности типа хордовых, одновременно развивается навстречу экологии, т. е. самый ранний нейрогенез имеет системогенетическую направленность и реализует генетическую специфичность вида в строении мозговых структур.
В классических экспериментах Джакобсона, Детвиллера, Гамбургера и др. было показано, что первичные ядерные скопления нейробластов в нервной пластинке оказываются очень рано детерминированными. Опыты на стадии нейрулы с поворотом отдельных участков нервной пластинки на 180° показали, что последовательность расположения развивающихся структур тоже меняется на 180°: средний мозг оказывается впереди промежуточного мозга с эпифизом. Таким образом, уже на стадии нервной пластинки оказываются детерминированы промежуточный мозг, эпифиз, гипоталамус, средний мозг, двухолмие и глаза. Следует особо отметить, что пространственная детерминация ядерных скоплений нейронов химически тесно связана с прилегающими тканями: отсутствие последних приводит к дегенерации подобных ядерных скоплений или модифицирует их в соответствии со своим пространственным положением (см. рис. 6). Этот факт свидетельствует о существовании связей «центра и периферии» на химическом, молекулярном уровнях, которые, образно выражаясь, оказываются «фатальными» для дальнейшего развития обоих компонентов. Все это свидетельствует о первичной интеграции будущих системных отношений между отдельными ядерными структурами нервной трубки и периферической тканью на метаболическом, молекулярном уровнях.
Таким образом, нормальный генетически запрограммированный континуум пространственно-временных процессов развития эмбриона, его константность определяют адекватные формообразовательные процессы и процессы дифференцировки отдельных клеток соответственно их положению. Все это вместе создает общий системный паттерн эмбриогенеза.
Как отмечает L. Kallcn (1971), практически все картины пролиферации и будущих путей для волоконных систем оказываются детерминированными уже на самых ранних стадиях только что образовавшейся нервной трубки.
Приведенные факты гетерохроний и региональной специфичности относятся к самым ранним стадиям дифференцировки нервной системы.
Позднее, когда начинается клеточная дифференцировка нейробластов уже на структурном уровне, отчетливо проступает системная «связанность» нервных структур и периферических органов. Как это было показано ранее и представлено на рис. 4, Б.
Системные отношения на этой ранней стадии развития зачатка конечности регулируют своеобразный морфогенетический процесс. После установления первичных связей мотонейронов с почкой конечности начинается массовая дегенерация тех мотонейронов, которые оказались «лишними», т. е. не нашли себе «точку приложения» на периферии. Следовательно, налицо регуляция числа мотонейронов передних рогов «состоянием» периферии, ее «насыщением» нервами.
В процессе роста конечности, по выражению Р. Waisse, «она как на буксире» тянет за собой вросший в нее нерв и пространственные отношения между ними уже не меняются.
Далее, в процессе морфогенеза реализуется собственно системный процесс. С момента прорастания нервного окончания в мезенхимальную почку в ней начинает индуцироваться новый уровень метаболизма, характерный для этой вновь возникшей системной интеграции, с активацией все новых и новых генных локусов, ведущих к дифференцировке хрящей и т. д.
Эти первичные системные отношения молекулярного и органного уровня в процессе развития переходят в функциональную общность, в генетическое соответствие между характером активности мотонейронов и конечности. Так, например, пересадка плечевого сегмента спинного мозга в область поясничного вызывает движение задней конечности в ритме передней. Таким образом, мотонейроны передней конечности навязывают ритм мышцам задней конечности (К. Straznicky, G. Szekely, 1967).
Трансплантация спинальных сегментов до этого возраста формирует адекватные отношения между чужим сегментом и конечностью. В таком новом положении, очевидно, происходит активация уже других локусов генома пересаженных нейронов: плечевые нейроны приобретают специфичность, свойственную системным отношениям между поясничными сегментами и задней конечностью.
По результатам радиографических исследований (Грачева Н. Д., 1968) есть все основания думать, что первичная спецификация нейрона возникает после последнего деления исходной матричной клетки. В этом случае блокирование синтеза ДНК, редуплицирующейся в процессе каждого деления и являющейся главным процессом «в жизни» протонейробласта, высвобождает генетические ресурсы клетки для процессов тканеспецифического синтеза. Другими словами, переводится стрелка, канализирующая развитие протонейробласта в новом направлении, превращающем его в нейробласт, а затем в нейрон. С этого момента начинается специфическая и избирательная активация локусов генома нейробласта, т. е. клетки переходят от процессов синтеза ДНК в процессам ее транскрипции с образованием специфических и РНК и синтеза специфических белков. Эта первая стадия специфического синтеза, по нашему мнению, определяет рост аксонального отростка нейрона и определяет первичную избирательность его синаптического контакта на периферии с другими нейробластами (Ата-Мурадова Ф. А., Зозулии С. В., 1980).
Очевидно, эта только первая ступень в последовательном процессе превращений матричной клетки в нейрон. Практически на этой стадии весь нейробласт еще состоит из круглого ядра и очень незначительного ободка цитоплазмы. Этот факт указывает на продолжающийся усиленный синтез специфических ядерных продуктов: РНК, белков. Наши исследования ядерных белков мозга (человека и животных методом дискэлектрофореза) показали, что уже в раннем эмбриогенезе имеет место резкая гетерохрония в созревании новых белковых фракций и их весьма гетерогенное распределение в разных структурах ствола и коры мозга. Ядерные белки несут информационную функцию — регуляторов генной активности ДНК, и наши результаты указывают на ее гетерогенный характер в разных областях мозга (Ата-Мурадова Ф. А., Витвицкий В. Н., 1978).
На ранних стадиях развития еще отсутствует специфическая функция клеток. Только после, того как они займут свое окончательное положение в том или ином отделе нервной трубки, в них начинается специфический синтез цитоплазматических белков.
Несомненно, что процесс спецификации нейрона индуцируется не только временным, но и пространственным фактором — специфическим локальным окружением клетки в конечном пункте миграции. Например, для будущих мотонейронов спинного мозга— прилегающими к плащевому слою сомитами.
Действительно, если трансплантация, например грудного сегмента в область плечевого, происходит до 20-й стадии (нервная пластинка), то под влиянием окружающих сомитов грудной сегмент приобретает свойства нормального плечевого сегмента и иннервирует будущую почку передней конечности с нормальной функцией.
Такого же типа генетическая детерминированность была обнаружена и для внутримозговых связей, системность организации которых была показана в многочисленных экспериментах (Гейз Р., 1972),
Разрушение части сетчатки на ранних стадиях эмбрионального развития, следствием которого, естественно, является уменьшение числа проекционных волокон, входящих в тектум, вызывало его недоразвитие. И наоборот, пересадка крупного глаза от вида крупных тритонов мелким увеличивало число ганглиозных клеток сетчатки, их аксонов и вызывало увеличение размеров соответствующей стороны тектума (см. рис. 6).



 
« Радионуклидные исследования отдельных органов   Развитие мозга ребенка »