Микроэлементы в нейрофизиологичских механизмах формирования межполушарной асимметрии

Высокая биологическая активность микроэлементов связана с их участием в синтезе витаминов и гормонов и их роли в качестве структурных единиц в молекулах ферментных систем (В.А. Дельва, 1965; Л.Р. Ноздрюхина, 1977; M.S. Black et al., 1981). Головной мозг, в частности кора больших полушарий, по содержанию микроэлементов занимает одно из первых мест среди других органов и тканей. Большинство микроэлементов (медь, алюминий, кремний, железо и др.), содержащихся в мозговой ткани, связаны с белками (K.S. Rajan, 1976), таким образом, микроэлементы участвуют во всем спектре метаболических процессов, что в полной мере относится и к метаболизму головного мозга (М. Диксон, Э. Уэбб, 1982). Белки, содержащие медь, преимущественно сосредоточены в коре головного мозга. Распределение микроэлементов в различных цитоархитектонических полях коры головного мозга человека неравномерно: выявлен более высокий уровень содержания микроэлементов в проекционных зонах различных анализаторов, что отражает значительную биохимическую активность этих высоко специализированных нервных образований (G.M. Gumming, 1948). При исследовании действия некоторых микроэлементов на функции высших отделов центральной нервной системы показано изменение основных процессов коркового возбуждения и торможения при введении в организм животных ионов кадмия, кобальта, железа, цинка и меди (В.С. Райцес, 1981). Существуют связанные с развитием концентрационные паттерны микроэлементов в коре и таламусе крыс, например у старых крыс более низкие концентрации алюминия, чем у молодых животных. Нarold Н. Sanstead (1986) провел широкое исследование влияния микроэлементов на деятельность мозга. R. Palm(1990) с соавторами выявил взаимосвязь между паттернами, определяющими хронологический возраст, и концентрацией Cu и Zn в различных отделах мозга.

N. Nakagawa(1998) обнаружил в гиппокампе мышей снижение концентрации Zn, Mn и Rb и повышение концентрации Cu при старении, что свидетельствует об участии именно этих микроэлементов в процессе старения мозга. В серии исследований, проведенных A. Takedа (1994–1999) с соавторами, выявлено, что изотопы Mn и Zn мозга проходят в кору мозга через гематоэнцефалический барьер, а роль ионов Mn в функции обонятельной системы и миндалины динамически связана с управляющими процессами в ЦНС. Этот же автор, исследуя изменение концентрации Mn в процессе старения крыс, показал, что в молодом возрасте требуется высокое содержание Mn и оно является критичным для нормального развития мозга.

Итак, рассмотренные нами микроэлементы оказывают принципиально важное влияние на развитие и функцию мозга.Однако все приведенные выше исследования были выполненыбез анализа типа и выраженности асимметричной организации мозга. Исследование многоуровневой организации межполушарной асимметрии включало еще и анализ распределения микроэлементов в коре больших полушарий у животных с различным типом ФМА (правшей, левшей и амбидекстров).

У 30 крыс-самцов линии Вистар в возрасте 10 месяцев после тестирования в Т-образном лабиринте и измерения УПП, проводилась декапитация под наркозом. После экстирпации полушарий выделяли кору головного мозга. Затем с помощью эмиссионного спектрального анализа на спектрохимической системе GBC (Австралия) определяли концентрацию микроэлементов Cd, Co, Cu, Fe, Mn, Mo, P, S, и Zn в коре каждого полушария в отдельности.

Для анализа полученных результатов животные были разделены на 3 группы, различающиеся по моторной асимметрии: группу правшей, левшей и амбидекстров. При статистическом анализе было проведено сравнение концентрации микроэлементов в полушариях головного мозга у животных с разным типом ФМА и сравнение концентрации МЭ между полушариями внутри каждой из групп. Было показано, что в группе левшей достоверно выше концентрация кадмия, кобальта и меди в левом полушарии, чем в правом. Вероятно, при более интенсивном метаболизме субдоминантного полушария, чем доминантного, в нем значительно выше концентрация и активность специфических металлоферментов.

На рис. 4 графически представлено это различие, оцененное по критерию Стьюдента.

Рис. 4.Сравнение содержания микроэлементов (кадмия, кобальта и меди) в группах крыс левшей в правом (d) и левом (s) полушарии. На оси ординат отложены значения статистики Стьюдента. Пунктиром показан 5-процентный уровень значимости.

Межполушарное различие по кадмию и кобальту особенно важно, так как металлоферменты, активируемые этими ионами, принимают участие в формировании процессов возбуждения и торможения в ЦНС. Так, кадмий повышает критический уровень деполяризации мембран нервных клеток, а кобальт, входя в состав кобамидных ферментов, участвует в реакциях, протекающих с образованием свободных радикалов, что меняет электрогенные свойства мембран. Цианокобаламин (В 12) участвует в синтезе метильных групп и образовании холина.

Детальный анализ межполушарных различий в распределении микроэлементов был выполнен при помощи критерия Колмогорова-Смирнова, сравнивающего распределение МЭ в отдельных полушариях внутри групп и между ними.

В группе крыс правшей достоверно отличаются распределение молибдена и серы в полушариях. В правом полушарии распределение молибдена имеет крутой фронт и сосредоточено при более низких концентрациях, чем в левом - в нем распределение более пологое и концентрация молибдена выше. Можно предположить, что энергетический обмен, контролируемый флавопротеидными ферментами с молибденом в качестве активной группы, асимметричен в полушариях правшей.

В группе левшей показано достоверное межполушарное различие в распределении кадмия, марганца, серы. Вероятно, процессы окисления и восстановления, катализируемые марганцем, и процессы белкового синтеза протекают с разной интенсивностью в доминантном и субдоминантном полушариях левшей.

По критерию Колмогорова-Смирнова выявлено также различие в распределении микроэлементов в полушариях головного мозга у животных правшей и левшей. Достоверно отличаются эти группы по распределению кадмия, марганца, молибдена и серы – в левом полушарии (рис.5).

Рис. 5. Сравнение эмпирических функций распределения для содержания кадмия (А), марганца (Б) в левых полушариях правшей (1) и левшей (2). По оси абсцисс - концентрация, мкг/мл, по оси ординат - число случаев.

Таким образом, статистический анализ подтверждает положение о существовании единой системы межполушарной асимметрии, в которой низший (элементоорганический) и высший – нейрофизиологический и связанный с ним поведенческий уровень представляют собой единую иерархическую структуру.