Созревание нервной системы в эмбриогенезе

Основные этапы развития мозга в эмбриогенезе были описаны еще в прошлом веке, однако до сих пор сравнительно мало известно о процессах, которые обеспечивают формирование отдельных структур мозга и их связей друг с другом.

Эмбриогенез (внутриутробное развитие) человека закономерно связан с процессами его предшествующей эволюции. Связь между ними настолько ощутима, что существует даже понятие филоэмбриогенез, подчеркивающее единство процессов эволюционного и индивидуального развития.

Онтогенетическое развитие нервной системы (греч. «onthos» - особь, сущее), то есть развитие индивидуальное, протекающее с момента оплодотворения яйцеклетки и до смерти данного индивида, в основных чертах отражает филогенез нервной системы данного вида.

Образовавшаяся после оплодотворения зигота начинает делиться и образует морулу, представляющую собой скопление клеток, способных к дифференциации в разных направлениях. Эти клетки в последующем делятся неравномерно и образуют бластулу, состоящую из трофобласта и эмбриобласта.

Из клеток наружной части эмбриобласта формируется зародышевый, или эмбриональный диск, который вскоре делится на два листка (слоя) - энтодерму (внутренний листок) и эктодерму (наружный листок). Через некоторое время между ними образуется мезодерма (средний листок). Из эктодермы в последующем образуются нервная ткань, хорда и кожа. Из клеток энтодермы сформируются дыхательная и пищеварительная трубки, а из мезодермы будут образовываться мышцы, соединительная ткань, клетки крови, мочеполовая система и части большинства внутренних органов.

Зародышевый диск по мере роста увеличивается в длину и превращается в эмбриональную пластинку (полоску). Одновременно с этим увеличивается и толщина эмбриона.

На следующей стадии эмбрионального развития происходит сворачивание эмбриональной пластинки в зародышевую трубку. При этом энтодерма и мезодерма вворачиваются внутрь эктодермы, и образуется гаструла. На поверхности эмбриона остаётся нервная ткань в виде продольной нервной пластинки и та часть эктодермы, из которой в последующем образуется кожа.

В первичной нервной пластинке клетки-предшественницы нервной ткани изначально располагаются в один слой. Каждый сегмент этой пластинки отвечает за образование специфических структур нервной системы, хотя на очень ранних стадиях эмбриогенеза предназначение участка для формирования определенных частей мозга может меняться. Если в это время удалить некоторые участки нервной пластинки, оставшиеся ткани нервной пластинки заменят утраченные и в результате разовьётся полноценный мозг. На более поздних стадиях развития замещения не происходит, и мозг формируется не полностью.

Нервная пластинка быстро растёт, на 3-й неделе развития её края начинают утолщаться и приподниматься над первоначальной зародышевой пластинкой. На 19-й день левый и правый края сближаются и срастаются по средней линии, образуя полую нервную трубку, располагающуюся под поверхностью эктодермы, но отдельно от нее. Процесс замыкания нервной трубки начинается на уровне 5-го сегмента, распространяясь как в головном, так и каудальном направлении. К 25-ому дню он заканчивается. Каудальный конец нервной трубки временно смыкается с задней кишкой, образуя нейроэнтеральный канал. Клетки нервной трубки (медуллобласты) в последующем дифференцируются в нейроны головного и спинного мозга, а также в нейроглиальные клетки (олигодендроциты, астроциты и эпендимные клетки).

Во время сворачивания нервной трубки некоторые клетки нервной пластинки остаются за её пределами, и из них формируется нервный гребень. Он лежит между нервной трубкой и кожей, и в дальнейшем из клеток нервного гребня развиваются нейроны периферической нервной системы, шванновские клетки, клетки мозгового вещества надпочечников и мягкой мозговой оболочки.

Вскоре после формирования нервной трубки, тот её конец, из которого впоследствии образуется голова, закрывается. Затем передняя часть нервной трубки начинает раздуваться, и образуются три вздутия - так называемые первичные мозговые пузыри. Одновременно с формированием этих пузырей происходит формирование в сагиттальной плоскости двух изгибов будущего головного мозга. Головной, или теменной изгиб формируется в области среднего пузыря.

Шейный изгиб отделяет зачаток головного мозга от остальной части нервной трубки, из которой в последующем сформируется спинной мозг.

Из первичных мозговых пузырей формируются три основных отдела головного мозга: передний (prosencephalon - передний мозг), средний (mesencephalon - средний мозг) и задний (rhombencephalon - задний, или ромбовидный мозг). Этот этап развития мозга называется стадией трёх мозговых пузырей. После образования трёх первичных пузырей одновременно с замыканием заднего конца нервной трубки на боковых поверхностях переднего пузыря появляются зрительные пузырьки, из которых сформируются сетчатка глаза и зрительные нервы.

Следующим этапом развития мозга является параллельное дальнейшее формирование изгибов мозговой трубки и образование из первичных пузырей пяти вторичных мозговых пузырей (стадия пяти мозговых пузырей). Первый и второй вторичные мозговые пузыри образуются за счёт деления на две части переднего первичного пузыря. Из этих пузырей в последующем формируются, соответственно, конечный мозг (полушария мозга) и промежуточный мозг. Третий вторичный мозговой пузырь образуется из неделящегося среднего первичного пузыря. Четвёртый и пятый мозговые пузыри образуются в результате деления третьего (заднего) первичного пузыря на верхнюю и нижнюю части. Из них в последующем образуется собственно задний мозг (мозжечок и мост) и продолговатый мозг.

Всего в процессе онтогенеза мозговая трубка изгибается три раза в сагиттальной плоскости. Сначала в области среднего мозгового пузыря, рядом с образующимся перешейком мозга, отделяющим передний и средний мозг, формируется выпуклый в дорсальную сторону головной, или теменной, изгиб. Затем на границе с зачатком спинного мозга образуется шейный изгиб, также выпуклый дорсально. Третий, мостовой изгиб формируется в области заднего первичного пузыря, его выпуклая сторона обращена вперед (вентрально). Именно этот изгиб делит задний мозг на 4 и 5 вторичные пузыри.

Таким образом, после деления первичных мозговых пузырей и формирования мозговых изгибов в зачатке мозга человека дифференцируется 5 отделов, из которых в дальнейшем образуются: 1. Конечный мозг (telencephalon), 2. Промежуточный мозг (diencephalon), 3. Средний мозг (mesencephalon), 4. Задний мозг (metencephalon) и 5. Продолговатый мозг (myelencephalon seu medula oblongata).

По мере роста нервной трубки происходит утолщение её стенок и усложнение рельефа поверхности мозговых пузырей. Это приводит к неравномерному сужению полости нервной трубки. В результате просвет спинного мозга превращается в узкий центральный канал спинного мозга, а полости мозговых пузырей приобретают форму различных по величине и положению щелей, называемых желудочками головного мозга. Все желудочки мозга последовательно соединяются между собой и с центральным каналом спинного мозга. Они заполнены спинномозговой жидкостью, которая образуется внутрижелудочковыми сосудистыми сплетениями и эпендимными клетками. Через отверстия в нижнем мозговом парусе спинномозговая жидкость оттекает из системы желудочков мозга в подпаутинное пространство.

По мере своего роста полушария большого мозга сначала увеличиваются в области лобной доли, затем теменной и, наконец, височной доли. Благодаря этому создаётся впечатление, будто кора мозга (плащ) вращается вокруг таламуса сначала спереди назад, затем вниз и, наконец, загибается вперёд к лобной доле. В результате к моменту рождения плащ мозга покрывает не только таламусы, но и дорсальную поверхность среднего мозга и мозжечка.

2.2. Созревание основных блоков головного

мозга в постнатальном онтогенезе

К ведущим показателям морфологического базиса, необходимого для функциональной активности мозга новорожденного ребенка, N.Herschkowitz относит:

1) количество и локализацию нейронов в головном мозге;

2) степень дифференциации этих нейронов: структуру и метаболизм;

3) способность нейронов спонтанно или вследствие стимуляции генерировать потенциалы действия;

4) количество синапсов между нейронами и их «мишенями»;

5) дифференциацию синапсов;

6) организацию общей сети чувствительности, информационных процессов и эффекторных ответов.

После рождения масса мозга увеличивается в основном за счет роста тел нейронов, происходит дальнейшее формирование ядер головного мозга. Их форма меняется мало, однако размер и состав их, а также топография относительно друг друга претерпевают достаточно заметные изменения. Плотность нервных клеток у плодов и новорожденных больше, они лежат ближе друг к другу.

Структура и функции нейронов отдела мозга развиты у новорожденных неодинаково. Относительно высоко они дифференцированы в спинном мозге, части ядер продолговатого мозга (в ретикулярной формации, ядрах тройничного, лицевого, блуждающего, подъязычного нервов, вестибулярных ядрах) и среднего мозга (красные ядра, черное вещество), некоторых ядрах гипоталамуса и лимбической системы. Далеки от окончательного развития нейронные механизмы филогенетически новых областей коры больших полушарий (в том числе сенсомоторной и зрительной), стриопаллидарной системы, большинства ядер зрительных бугров, многих ядер гипоталамуса, мозжечка.

Новорожденный ребенок, так же как и детеныши других млекопитающих, легче переживает относительно длительную гипоксию, чем взрослые. Это объясняется изменением ряда ферментных систем, обеспечивающих переход метаболизма мозга от анаэробного к аэробному. Кровоснабжение мозга достаточно интенсивное. Это объясняется богатством капиллярной сети, которая после рождения продолжает увеличиваться. Обильное кровоснабжение мозга обеспечивает потребность быстро растущей нервной ткани в кислороде. На серое вещество мозга приходится 3/4 -4/5 всего объема кровоснабжения.

В продолговатом мозге у новорожденного уменьшается количество клеток, о чем можно судить по сокращению количества нейронов на единицу площади. Одновременно у остающихся нейронов увеличивается масса и степень дифференцировки. У полуторагодовалого ребенка клетки продолговатого мозга организованы в четко определяемые ядра и имеют почти все признаки дифференцировки. У 7-летнего ребенка нейроны продолговатого мозга неотличимы от нейронов взрослого даже по тонким морфологическим признакам.

Мозжечок у новорожденного заметно вытянут в длину, лежит в черепной коробке выше, чем у взрослого. Борозды относительно глубокие, слабо обрисовано дерево жизни. С возрастом борозды ребенка становятся глубже, их формирование идет параллельно или вслед за дифференцировкой клеток Пуркинье. Сразу после рождения ребенка виден наружный зернистый слой и процессы миграции клеток-зерен, которые в дальнейшем становятся грушевидными клетками коры мозжечка. До 3-х месячного возраста в коре мозжечка сохраняется зародышевый слой. В возрасте от 3-х месяцев до года происходит активная дифференцировка мозжечка, выражающаяся, прежде всего, нарастанием массы и объема перикарионов грушевидных клеток, увеличением диаметра волокон в белом веществе мозжечка, интенсивном росте молекулярного слоя коры. С дальнейшим совершенствованием движений ребенка, в более поздние сроки, происходит дифференцировка мозжечка как центрального органа равновесия и координации движений.

Необходимо отметить, что у человека наибольшему развитию и дифференциации в процессе онтогенеза подвергается конечный мозг. Кора большого мозга формируется особенно долго и интенсивно, темпы её развития заметно снижаются только с началом второго года жизни (через 21 месяц с момента овуляции).

Возрастное развитие нейронов коры больших полушарий происходит неравномерно не только по различным отделам, но и вглубь. Так, например, гигантские пирамидные клетки (V слой передней центральной извилины, где располагаются нейроны моторной системы), дифференцируются раньше других слоев этой же зоны.

К моменту рождения большинство нейронов глубоких слоев коры достигает уже значительной степени зрелости, по форме тела и развитию отростков приближаясь к структуре этих слоев у взрослого. Значительная часть нейронов поверхностных слоев коры находится на более ранних этапах формирования.

Нервные клетки в коре у плодов и новорожденных лежат сравнительно близко друг от друга, причем часть из них располагается и в белом веществе. По мере роста ребенка концентрация клеток и единице площади снижается, несмотря на то, что в серое вещество мигрируют клетки из белого вещества.

Мозг новорожденного незрелый, причем кора полушарий большого мозга является наименее зрелым отделом всей нервной системы. Основные функции регулирования различных физиологических процессов выполняют промежуточный и средний мозг.

В неприспособленности ЦНС новорожденного заложены основы гибкой, дифференцированной адаптации к условиям среды, обучения. По-видимому, это прямо связано с самым большим у человека по продолжительности в животном мире периодом детства (для примера - детеныш высших обезьян в 1,5 - 2 года уже вполне способен к самостоятельному существованию и не нуждается в родительском уходе).

К моменту рождения ребенка в результате дифференциации нервных клеток коры образуются шесть ее слоев Окончательная дифференцировка отдельных слоев клеток продолжается в постнатальном онтогенезе в течение 1-го и 2-го годов жизни ребенка. В этот период резко увеличивается масса и поверхность коры полушарий большого мозга. К 2-летнему возрасту заканчивают свое формирование пирамидные клетки коры.

Таким образом, установлено, что именно первые 2-3 года жизни являются наиболее ответственными этапами морфологического и функционального становления мозга ребенка.

В последующие годы темп развития корковых структур замедляется, но к 4 - 7 годам клетки большинства областей становятся близкими по строению клеткам коры взрослого человека. Полностью развитие клеточных структур коры большого мозга заканчивается только к 10-12 годам. Морфологическое созревание отдельных областей коры, связанных с деятельностью различных анализаторов, идет неодновременно. Раньше других приближаются к строению мозга взрослого корковые концы обонятельного анализатора, представленного древней, старой и межуточной корой. В новой коре, прежде всего, развиваются корковые концы двигательного и кожного анализаторов; лимбическая область, связанная с интерорецепторами; инсулярная область, имеющая отношение к обонятельной и речедвигательной функциям. Затем дифференцирую корковые концы слухового и зрительного анализаторов и верхняя теменная область, связанная с кожным анализатором. В последнюю очередь достигают полной зрелости структуры лобной и нижней теменной областей и височно-теменно-затылочной области. Особенности структурного развития отдельных корковых отделов анализаторов определяют до некоторой степени последовательность появления условно-рефлекторных реакций ребенка.

Миелинизания черепных нервов осуществляется в течение первых 3 -4 месяцев и заканчивается к 1 году или к 1 году 3 месяцам постнатальной жизни. Миелинизания спинальных нервов завершается несколько позднее - к 2 - 3 годам.

Установлено, что нервные проводники тех функциональных систем, которые обеспечивают выполнение жизненно важных функций, например акт сосания, миелинизируются быстрее.

Масса головного мозга новорожденного имеет относительно большую величину и в среднем составляет 1/8 массы тела, т.е. около 400 г, причем у мальчиков она несколько больше, чем у девочек. У новорожденного хорошо выражены длинные борозды, крупные извилины, но глубина и высота их невелики. Мелких борозд и извилин относительно мало, они появляются постепенно в течение первых лет жизни. Третичные борозды, отличающиеся у человека вариабельностью и непостоянством, формируются после рождения. К 9-месячному возрасту, первоначальная масса мозга удваивается и к концу 1-го года жизни составляет 1/11-1/12 массы тела. К 3 годам масса головного мозга по сравнению с массой его при рождении утраивается, к 5 годам составляет 1/13 -1/14 массы тела. К 20 годам первоначальная масса мозга увеличивается в 4 - 5 раз и составляет у взрослого человека всего 1/40 массы тела.

Рост и развитие головного мозга продолжается примерно до двадцати лет, при этом его масса у разных людей может варьировать от 1100 до 2000 г. В возрасте с 20 до 60 лет масса мозга и его общее строение почти не изменяются. После 60 лет в головном мозге появляются дегенеративные изменения, что, в частности, проявляется в уменьшении его массы.

Наряду с ростом головного мозга меняются и пропорции черепа: боковые желудочки увеличиваются в ширину, мозолистое тело сначала тонкое и короткое, в течение первых 5 лет становится толще и длиннее, достигая к 20 годам окончательных размеров.

Параллельно морфологическому развитию нервной системы происходят ее функциональное созревание и соответствующие биохимические изменения.

Так, в спинном мозге, стволе и гипоталамусе у новорожденных обнаруживают ацетилхолин, g -аминомасляную кислоту, серотонин, норадреналин, дофамин, однако содержание медиаторов низкое и составляет 10 - 50% от содержания его у взрослых. В постсинаптических мембранах нейронов уже к моменту рождения появляются специфические для перечисленных медиаторов рецепторы.

На созревание структур ЦНС влияют гормоны щитовидной железы. Стимулирующее влияние на ход созревания и функционального становления ЦНС оказывают афферентные потоки импульсов, поступающие в структуры мозга при действии внешних раздражителей.

Электрофизиологические характеристики нейронов имеют ряд особенностей. В частности, у нейронов новорожденных несколько ниже ПП - около 50 мВ (у взрослых 60-80 мВ). Поверхность тела нейронов и дендритов, покрытая синапсами, во много раз меньше, чем у взрослых. Возбуждающие постсинаптические потенциалы (ВПСП) имеют большую длительность, чем у взрослых, более продолжительной является синаптическая задержка, нейроны оказываются менее возбудимыми. Не столь эффективны процессы постсинаптического торможения нейронов вследствие малой амплитуды тормозных постсинаптических потенциалов (ТПСП), а также меньшего числа тормозных синапсов и нейронах.

О функциональном созревании коры головного мозга свидетельствует усложнение у новорожденных компонентного состава вызванных потенциалов (ВП) различных анализаторов, в том числе зрительного. Строгая локализованность ВП на световой раздражитель свидетельствует о том, что зрительная функция обеспечивается только одной проекционной корой. Межцентральные связи в этот период не функционируют. Незрелостью самой коры, незаконченной миелинизацией нервных волокон объясняется тот факт, что зрение новорожденных позволяет выделять только небольшие детали и контуры.

На 2-3 месяце жизни усложняется компонентный состав ВП затылочной области. В центральной области начинают регистрироваться специфические компоненты зрительных ответов, что свидетельствует о возникновении межструктурных связей. С появлением системной организации связана познавательная деятельность ребенка. С 6-го месяца в событийно связанных потенциалах появляются компоненты, свидетельствующие о включении в познавательную деятельность височных и лобных долей.

Вследствие морфологической и функциональной незрелости структур ЦНС, недостаточности элементарных механизмов возбуждения и торможения в раннем онтогенезе оказываются несовершенными многие проявления двигательной активности.

Миелинизация нервных волокон ЦНС улучшает их электрофизиологические показатели. Она завершается в возрасте 8 - 9 лет, так как уменьшается проницаемость клеточных мембран, совершенствуются ионные каналы, увеличивается ПП и поэтому возрастает ПД, повышается возбудимость нейронов.

Вопросы для самоконтроля и повторения

1. Перечислите виды нервной системы, сложившиеся эволюционно.

2. Как эволюционно развивалась нервная система?

3. Как называются три и пять мозговых пузырей на ранних этапах развития головного мозга.

4. Какие отделы головного мозга образуются из переднего мозгового пузыря?

5. Какие отделы головного мозга образуются из заднего мозгового пузыря?

ФИЗИОЛОГИЯ НЕРВНОЙ КЛЕТКИ