Строение и функции развивающегося мозга


О. С. Кульбах





                СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ РАЗВИВАЮЩЕГОСЯ МОЗГА









Санкт-Петербург ФОЛИАНТ 2012

         Рецензенты:


          Макаров Ф. Н. — заведующий лабораторией нейроморфологии Института физиологии им. И. П. Павлова Российской Академии Наук, доктор медицинских наук, профессор

          Команцев В. Н. — заведующий отделением функциональной диагностики Института мозга человека Российской Академии Наук, доктор медицинских наук



      Кульбах О. С. Строение и функции развивающегося мозга: Учебное пособие. —СПб: ООО «Издательство ФОЛИАНТ», 2012.— 86 с.



ISBN 978-5-93929-233-7



В пособии представлены современные данные о закономерностях эмбрионального и постнатального развития мозга человека, а также сведения о возрастных особенностях мозгового обеспечения психических функций. Приведены базовые сведения о морфогенезе мозга и его нарушениях, структурно-функциональных основах становления двигательных систем мозга и возрастной динамике развития двигательных навыков в онтогенезе, рассматриваются вопросы развития перцепции, внимания и речевых функций.
Учебное пособие предназначено для студентов вузов, обучающихся психологическим и медицинским специальностям.



          Автор:


          Кульбах Ольга Станиславовна —
          д. м. н., профессор кафедры общей и прикладной психологии СПбГПМА








ISBN 978-5-93929-233-7

                                      ©О. С. Кульбах, 2012
              © ООО «Издательство ФОЛИАНТ», 2012

СОДЕРЖАНИЕ



Основные понятия биологии развития............................... 4

Главные этапы развития мозга человека........................... 11
        Нейруляция.............................................. 11
        Прозэнцефалическое развитие............................. 15
        Нейрональная пролиферация............................... 17
        Миграция................................................ 19
        Организация............................................. 21
        Миелинизация............................................ 27

Развитие спинальных, стволовых и подкорковых структур........... 30

Критические периоды развития мозга и врожденные пороки развития ЦНС 37

Генетические аспекты нейроонтогенеза............................ 40

Генез биоэлектрической активности мозга......................... 44

Развитие двигательных функций................................... 49

Развитие сенсорных функций, перцепции и внимания................ 64
        Система зрительного восприятия.......................... 67

Развитие речевых функций........................................ 80
        Становление речи........................................ 81

Список литературы............................................... 85

            ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ БИОЛОГИИ РАЗВИТИЯ





Развитие организма и всех составляющих его систем можно подразделить на три периода.
   Период эволюции, для которого характерны прогрессивные преобразования структур и возрастание их функционального потенциала.
   Период стабилизации, в течение которого биологическая система находится в состоянии относительной уравновешенности процессов образования и разрушения структур и оптимального функционирования.
   Период инволюции, который характеризуется преобладанием регрессивных процессов и снижением функционального потенциала организма в целом и образующих его систем.
   Основными составляющими периода эволюции являются процессы роста, морфогенеза и созревания. Рост означает увеличение биомассы, а следовательно, размеров организма и его составляющих. Морфогенез, в дословном переводе — формообразование, означает появление новых структур и изменение их формы в ходе развития. Морфогенез протекает как многоуровневый процесс, т.е. на молекулярном, субклеточном, клеточном, тканевом, органном и организменном уровне, в ходе которого химическая энергия превращается в механическую, которая представляет собой движущую силу морфогенеза. В ходе созревания структуры приобретают свои дефинитивные свойства и качества.
   Все эти процессы подчинены единым онтогенетическим механизмам , к которым относятся:
   1.    Пролиферация — увеличение численности клеток путем их митотического деления.
   2.   Миграция — перемещение клеток.
   3.   Сортировка — разделение клеток на группы.
   4.    Апоптоз — разрушение клеток, детерминированное внутренними генетическими факторами.

4

   5.    Детерминация и дифференцировка — процессы, в ходе которых клетки определяют и реализуют определенный путь развития.
   6.    Контактные взаимодействия — влияния соседних клеток и тканей друг на друга.
   7.    Дистантные взаимодействия — влияния клеток и тканей, реализуемые на расстоянии.
   Пролиферация. В процессе развития деление клеток носит избирательный , клональный и закономерный характер. Избирательность деления означает, что в разных местах развивающегося организма размножение клеток происходит с разной интенсивностью и в разное время. Закономерный характер — это генетически предопределенное количество митозов. Клон — это совокупность клеток, которые являются потомками одной родоначальной клетки. Например, показано, что значительные по объему области мозга образуются из строго определенного и ограниченного числа клеток эмбриона. Пролиферация обеспечивает увеличение числа клеток, процессы роста и морфогенеза, обновление тканей в ходе жизнедеятельности, восстановление повреждений.
   Миграция. Перемещение клеток, их расселение активно происходит в период внутриутробного развития организма, обеспечивая постоянную пространственную организацию и реорганизацию формирующихся структур. Пласты мигрирующих клеток устремляются к местам окончательной дислокации, где им предстоит пройти специализацию и выполнить предначертанную функцию в процессе жизнедеятельности организма. Основой миграции клеток является взаимодействие со средой, в которой они перемещаются. Эта среда имеет строго упорядоченную внутреннюю структуру, включающую компоненты, направляющие миграцию, например волокна, вдоль которых перемещаются клетки.
   Сортировка. Клетки сортируются по принципу структурнофункционального сходства, образуя скопления из однородных клеток. В процессе сортировки эти однородные клетки как бы прилипают друг к другу. Процесс избирательного слипания клеток называется клеточной адгезией, а наличие особых молекул клеточной адгезии на цитоплазматической мембране является необходимым условием сортировки.

5

   Апоптоз. Апоптоз (от греч. apoptosis — листопад) — это активный генетически контролируемый процесс клеточной гибели, внутренняя программа которого запускается внешними факторами. Эта программа получила образное название «внутренние часы смерти». Ее контролируют так называемые «летальные» или «киллерные» гены, которые запускают процесс образования ряда веществ, обусловливающих разрушение клетки. В процессе внутриутробного развития образуется избыточное количество клеток, которые своевременно уничтожаются механизмом апоптоза. В различных отделах центральной нервной системы развивающегося зародыша и плода таким способом погибает до 40-85% нейронов. Механизм апоптоза лежит в основе изменения формы эмбриональных зачатков, образования просвета в трубчатых органах, инволюции временных структур и т. д.
   Детерминация и дифференцировка клеток. Детерминация и дифференцировка клеток происходят в процессе гистогенеза — образования тканей. Детерминация (от лат. determinatio — определение) представляет собой процесс, определяющий направление развития. Стволовые и полустволовые клетки потенциально способны к реализации различных вариантов развития. В ходе детерминации происходит многоступенчатое ограничение потенций клеток. При этом определяется набор генов, активность которых и обеспечит те или иные свойства клеток определенных тканей. Дифференцировка — это процесс реализации выбранного направления развития, т. е. закрепленных детерминацией потенций. В процессе дифференцировки клетки становятся специализированными, приобретая определенные морфологические, химические и функциональные особенности, свойственные зрелым элементам данной ткани. В процессе дифференцировки клетки проходят ряд стадий: стволовые клетки — родоначальные клетки (полустволовые) — клетки-предшественники — юные клетки — зрелые клетки. Стволовые, полустволовые клетки и клетки-предшественники нередко называют бластами. Стволовые клетки — наименее дифференцированные клетки данной ткани, являющиеся источником развития других ее клеток. В ходе развития нервной ткани такие клетки называются медул-лобластами. Родоначальные клетки возникают непосредственно вследствие дифференцировки стволовых (в нервной системе — это пронейробласты и проглиобласты), активно размножаясь, они постепенно превращаются в клетки-предшественники (постмитотические нейробласты и глиобласты). Дальнейшая специ

6

ализация приводит к их превращению в юные, а затем зрелые клетки (нейроны и глиоциты). Совокупность клеток, составляющих определенную линию дифференцировки — от стволовых до зрелых элементов, называется диффероном. Соответственно нервная ткань включает нейральный и глиальный диффероны.
   Контактные взаимодействия клеток. Взаиморасположение и взаимосвязь клеток в составе формирующегося организма во многом определяет их дальнейшую судьбу. Прямое взаимодействие зачатков развивающегося зародыша, один из которых определяет дальнейшее развитие другого, получило название эмбриональной индукции. Так, первичным эмбриональным индуктором является хордомезодермальный зачаток, который предопределяет нейральный путь развития расположенных над ним клеток эктодермы. Эффект индуцирующего воздействия определяется не только природой индуктора, но и способностью ткани воспринимать его действия, отвечать на него.
   Дистантные взаимодействия клеток. Дистантные взаимодействия обеспечивают гуморальные факторы, которые включают разнообразные метаболиты, гормоны, цитокины и кейлоны. Цитокины — универсальный класс внутритканевых и межтканевых регуляторных веществ. Цитокины представляют собой гликопептиды, не являются тканеспецифическими и влияют на процессы пролиферации, дифференцировки и воспаления. К ним относятся факторы роста, интерлейкины, интерферон и др. Кейлоны — тканеспецифические факторы, вырабатываемые зрелыми клетками данной ткани и угнетающие деление ее стволовых и полустволовых клеток. Благодаря продукции кейлонов осуществляется поддержание относительного постоянства числа клеток в зрелой ткани.
   Морфогенез, рост и созревание относятся к ациклическим, т. е. в физиологических условиях необратимым процессам, которые протекают в определенных пространственно-временных рамках, подчиняясь главному принципу онтогенеза — интегрированности , целостности. Как только в результате дробления из одноклеточного зародыша образуется многоклеточный, каждая клетка становится составной частью новой биологической системы и ее поведение определяется запросами этой системы. Каждая стадия развития организма представляет собой новое состояние целостности, интеграции. На любой стадии развития зародыш — не сумма клеток, а интегрированное целое. В основе

7

такой интеграции лежат межклеточные взаимодействия, гуморальная, а затем и нервная регуляция.
   Пренатальный онтогенез продолжается 280 суток, т. е. 28 недель или 10 лунных месяцев. Он состоит из трех периодов: начального (1-я неделя развития), эмбрионального (со 2-й по 8-ю неделю) и фетального (с 9-й недели до рождения). Начальный и эмбриональный периоды включают несколько стадий.
   1.    Оплодотворение — слияние гамет и образование одноклеточного зародыша. Оплодотворенная яйцеклетка называется «зигота». Она имеет диплоидный набор хромосом.
   2.    Дробление — деление зиготы с образованием клеток-бластомеров, из которых формируется многоклеточный однослойный зародыш — бластула.
   3.    Гаструляция — превращение однослойного зародыша в многослойный. Слоями называются зародышевые листки, которые являются зачатками различных тканей. В раннюю фазу гаст-руляции образуется двухслойный зародыш, в составе которого имеются наружный (эктодерма) и внутренний (энтодерма) листки. В позднюю фазу гаструляции появляется средний зародышевый листок — мезодерма или хордомезодерма у хордовых животных.
   4.    Гистогенез и органогенез — формирование тканей, органов и их систем. Эта стадия начинается с процесса нейруляции, т.е. образования нервной трубки — будущей нервной системы.
   В процессе внутриутробного развития принято выделять критические периоды, когда организм особенно чувствителен к повреждающему действию средовых факторов. Критические периоды различных органов и областей тела не совпадают. При действии повреждающих факторов страдает тот орган, который в данный момент характеризуется большей чувствительностью, чем другие. Основными критическими периодами внутриутробного развития считаются имплантация и плацентация. Имплантация — внедрение зародыша в слизистую оболочку матки, происходит на 7-8-е сутки и совпадает с ранней фазой гаструляции. Плацентация — формирование плаценты, продолжается с 3-й по 6-ю неделю (по другим данным, включая 7-ю и 8-ю недели) и совпадает с процессами нейруляции и начальными этапами органогенеза других систем. У каждой системы и у каждого органа свой критический период развития. Для нервной системы пери

8

одом наиболее высокой чувствительности являются 3, 4, 5-я и начало 6-й недели пренатального развития.
   В случае нарушения нормального хода развития зародыша подключаются механизмы эмбриональной регуляции. Они направлены на восстановление нормального развития, пусть даже иным способом. Достижение нормального конечного результата развития разными путями называется эквифинальностью. Необратимые нарушения развития проявляются врожденными пороками.
   Врожденными пороками развития называют такие структурные нарушения, которые возникают до рождения, выявляются сразу или через некоторое время после рождения и вызывают нарушение функции органа. Врожденные пороки развития являются причиной 20% смертей в неонатальном периоде.
   Классификация пороков развития
   1. По причине возникновения
   J Наследственные — это пороки, вызванные изменением генов или хромосом в гаметах родителей, в результате зигота с момента возникновения несет генную или хромосомную (геномную) мутацию. Такая мутация проявляется в процессе онтогенеза последовательно, путем нарушения биохимических, субклеточных, клеточных, тканевых, органных и, наконец, организменных процессов. Время проявления нарушений зависит от времени вступления гена в активное состояние.
   J Экзогенные — это пороки развития, которые возникают под воздействием тератогенных факторов (от лат. terata (мн. ч.) — уродства) биологической, физической или химической природы. Это могут быть вирусы, радиация, вибрация, лекарственные препараты, промышленные яды, пищевые добавки, алкоголь, никотин и др. Экзогенные факторы также вызывают нарушения на биохимическом, субклеточном, клеточном, тканевом, органном и организменном уровне, а потому фенотипическое проявление их воздействия сходно с наследственными пороками и называется фенокопией.
   J Мультифакториальные — это пороки развития, возникающие в результате сочетанного действия экзогенных и генетических факторов.
   2. По времени проявления
   J Гаметопатии.

9

   К Бластопатии. Гаметопатии и бластопатии приводят к грубым нарушениям начальных стадий развития и внутриутробной гибели зародыша.
   А Эмбриопатии — нарушения, возникающие со 2-й по 8-ю неделю внутриутробного периода, вызывают врожденные пороки развития, причем структурные изменения тем более грубые, чем раньше действует тератоген.
   А Фетопатии — нарушения, возникающие после 10-й недели. Они характеризуются не грубыми морфологическими изменениями, а отклонениями общего типа в виде снижения массы, задержки физического и интеллектуального развития, различных функциональных нарушений.
   3. В зависимости от последовательности возникновения
   А Первичные пороки обусловлены непосредственным действием тератогенного фактора.
   А Вторичные пороки являются следствием первичных.
   4. По распространенности в организме
   К Изолированные (одиночные) — порок развития одного органа.
   А Системные — нарушение развития затрагивает несколько органов в пределах одной системы.
   А Множественные — пороки развития органов нескольких систем. Комплекс пороков, вызванных одной ошибкой морфогенеза, называется аномаладом.
   5. По проявлениям
   А Агенезия, аплазия — отсутствие органа или части тела.
   А Гипоплазия — недоразвитие органа или части тела.
   К Гиперплазия — избыточное развитие.
   А Дисплазия — нарушенное развитие.
   А Увеличение числа.
   А Атрезия — полное заращение просвета полого органа. Сужение просвета называется стенозом.
   Врожденные пороки развития могут проявляться и в других формах.
   Все описанные периоды, процессы, механизмы и нарушения развития закономерно касаются и развивающейся нервной системы.

            ГЛАВНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ МОЗГА ЧЕЛОВЕКА





Согласно современным представлениям, в развитии ЦНС может быть выделено несколько этапов. В названии каждого этапа отражено основное онтогенетическое событие, которое происходит в этот период.
   Этапы развития мозга:
   1. Нейруляция — 3-4-я недели внутриутробного развития.
   2. Прозэнцефалическое развитие — 5-6-я недели внутриутробного развития.
   3. Нейрональная пролиферация — 2-4-й месяцы внутриутробного развития.
   4. Миграция — 3-5-й месяцы внутриутробного развития.
   5. Организация — начиная с 6-го месяца внутриутробного развития и годы постнатальной жизни.
   6. Миелинизация — начиная с 6-го месяца внутриутробного развития и годы постнатальной жизни.

    НЕЙРУЛЯЦИЯ

Основным событием первого этапа является выделение и обособление зачатка ЦНС. Зачаток нервной системы образуется из дорсальной эктодермы под влиянием нейроиндуцирующих стимулов, поступающих от хордомезодермы, поэтому этот этап также называют дорсальной индукцией.
   Стадии нейруляции
   1.    Образование нервной пластинки. Нервная пластинка появляется на 16-е сутки в виде утолщения срединно-дорсальной области эктодермы, покрывающей хордомезодермальный зачаток (рис. 1, а). Сигналы, поступающие в эмбриональную эктодерму от подлежащего зачатка хордомезодермы, отменяют дифференцировку эктодермальных клеток в эпидермис и предписывают им нейральный путь развития. В результате узкие цилиндрические нейроэпителиальные клетки нервной пластинки отличают

11