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?