Строение головного мозга

Источник:
Клиническая фармакология по Гудману и Гилману том 1.
Редактор: профессор А.Г. Гилман Изд.: Практика, 2006 год.

Организация мозга

Мозг представляет собой сложное объединение взаимодействующих нейронных контуров.

Функциональные отделы мозга

Кора больших полушарий

Самые крупные отделы головного мозга — два его полушария. Разделение коры больших полуша-рий на отдельные зоны возможно по нескольким принципам: 1) по функции — чувствительные (соматосенсорные, зрительные, слуховые, обонятельные), двигательные и ассоциативные, 2) по расположению — лобные, височные, теменные и затылочные, 3) по особенностям клеточного строения (величине, форме и расположению нейронов), позволяющим выделить различные цитоархитектонические поля. В пределах отдельного цитоархитектонического поля кора имеет более или менее одинаковое клеточное строение. Простейшим функциональным элементом коры считаются колонки, объединяющие около ста расположенных друг под другом нейронов. Функции той или иной зоны коры определяет взаимодействие на ее колонках различных сигналов: поступающих из других областей коры (корково-корковые связи) или от других структур мозга (корково-подкорковые связи) (Mountcastle, 1997). Колонки могут временно объединяться в более крупные системы обработки информации. При болезни Альцгеймера происходит разрушение связей как внутри колонок, так и между ними (Morrison and Hof, 1997; гл. 22).

За счет объединения колонок формируются распределенные нейронные системы, в которых направления потоков информации быстро меняются по мере их обработки (Mountcastle, 1997; Tononi and Edelman, 1998). Ассоциативные области коры получают и обрабатывают информацию из ее чувствительных зон, обеспечивая высшие психические функции — мышление, память, сознание. Кроме того, кора осуществляет высшее управление вегетативной нервной системой (например, регуляцией сердечно-сосудистой и пищеварительной систем), объединяя ее в единое целое и обеспечивая ее взаимодействие с соматическими функциями.

Лимбическая система

Лимбическая система — устаревшее название группы структур, расположенных с внутренней стороны больших полушарий, вокруг ствола мозга. Это гиппокамп, миндалевидное тело, прозрачная перегородка, обонятельная луковица и обонятельный бугорок, базальные ядра и некоторые ядра промежуточного мозга. Все эти структуры причастны к регуляции эмоциональных и мотивационных процессов. Современная нейрофизиология избегает термина лимбическая система. Во-первых, перечисленные структуры не функционируют как отдельная система и не являются такой системой анатомически. Во-вторых, некоторые из этих структур имеют самостоятельную и вполне определенную специализацию. Так, базальные ядра (хвостатое ядро, скорлупа, бледный шар) — главные звенья экстрапирамидной системы, которая дополняет функции пирамидной, ответственной за произвольные движения. При поражении базальных ядер страдает способность начинать произвольные движения, появляются тремор и ригидность (болезнь Паркинсона) или насильственные движения (болезнь Гентин-гтона) — гл. 22. Гиппокамп — ключевая структура в формировании вторичной памяти: его обширное двустороннее разрушение приводит к утрате этой функции. Память нарушается также при болезни Альцгеймера — в результате дегенерации нейронов гиппокампа и лобной коры (Squire, 1998).

Промежуточный мозг

В самом центре мозга, под большими полушариями, расположен таламус. Нейроны таламуса сгруппированы в ядра — как парные, симметричные, так и одиночные, расположенные по средней линии. Ядра таламуса выполняют релейную функцию: они передают к коре сигналы, приходящие по чувствительным путям, а также обеспечивают обмен информацией между таламусом, гипоталамусом, базальными ядрами и ассоциативными зонами коры. Вместе с базальными ядрами таламус участвует в регуляции жизненно важных функций. Разрушение у экспериментальных животных базальных ядер — полосатого тела либо некоторых оканчивающихся в нем путей — приводит к афагии, адипсии и нарушениям восприятия (Jones, 1998).

Гипоталамус — высший подкорковый центр вегетативной нервной системы. В его функции входит регуляция температуры тела, водно-электролитного баланса, обмена веществ, АД, половых функций, суточных ритмов, выработки гормонов гипофиза, сна и бодрствования, эмоциональных состояний. Работы последних лет позволили уточнить функции отдельных ядер гипоталамуса и связи их с другими структурами мозга (Swanson, 1999).

Ствол головного мозга

Этот отдел включает средний мозг, варолиев мост и продолговатый мозг. Через него проходят пути, связывающие большие полушария, таламус и гипоталамус со спинным мозгом. В стволе расположены ядра черепных нервов, а также все восходящие и нисходящие пути спинного мозга. Всю сердцевину ствола занимает диффузное скопление нейронов — ретикулярная формация, которая играют важную, но далеко еще не полностью понятную роль в интегративных функциях мозга. В стволе сгруппировано большинство нейронов, синтезирующих и выделяющих моноамины. Здесь находятся центры важнейших рефлексов (например, глотательного и рвотного), сердечно-сосудистый и дыхательный центры, первичные рецептивные зоны висцеральной чувствительности. Ретикулярная формация ствола мозга является частью так называемой восходящей активирующей ретикулярной системы, отвечающей за цикл сон—бодрствование и уровень общей активации мозга.

В ретикулярной формации расположены нейроны, управляющие движениями глаз. Эфферентные проекции ретикулярной формации названы «неспецифическими», поскольку они направлены к очень широкому кругу структур — по сравнению, например, с проекциями релейных ядер таламуса. Вместе с тем ретикулярные нейроны, вырабатывающие один и тот же медиатор, иннервируют хотя и широко распределенные, но функционально связанные структуры (Foote and Aston-Jones, 1995; Usher etal., 1999).

Мозжечок

Мозжечок расположен над варолиевым мостом, позади больших полушарий. Он имеет достаточно сложную, слоистую структуру. Эфферентные пути от коры мозжечка идут к его ядрам, а те, в свою очередь, посылают волокна к моторной коре (с переключением в таламусе) и ядрам ствола. Мозжечок контролирует позу и равновесие, поддерживает тонус мышц, противодействующих силе тяжести, координирует систему обратных связей при произвольных движениях. Кроме того, мозжечок участвует в регуляции функции внутренних органов, например в изменении ЧСС при перемене позы, направленном на поддержание должного сердечного выброса. Оказалось также, что мозжечок играет важную роль в памяти и научении (Middleton and Strick, 1998).

Спинной мозг

Спинной мозг начинается от продолговатого мозга и заканчивается на уровне поясничного отдела позвоночника. Нейроны и проводящие пути спинного мозга распределяют информацию от рецепторов кожи, мышц, суставов и внутренних органов: часть ее передается непосредственно на мотонейроны, часть — к вставочным нейронам, которые имеют двустороннюю связь с вышележащими отделами мозга. В спинном мозге выделяют шейный, грудной, поясничный и крестцовый отделы — таким же образом подразделяют спинномозговые нервы и отделы позвоночника. Восходящие и нисходящие пути спинного мозга расположены по его периметру, в белом веществе. Нейроны сконцентрированы в сером веществе, имеющем на поперечном срезе форму бабочки; здесь замыкаются собственные связи спинного мозга. В задних рогах серого вещества расположены чувствительные нейроны, в передних — двигательные, в боковых — симпатические преганглионарные (гл. 6). Вегетативные рефлексы (например, реакция сосудов кожи на изменение окружающей температуры) могут замыкаться в пределах отдельных сегментов спинного мозга; при его повреждении такие рефлексы сохраняются.

Нейронная организация мозга

Нейроны головного мозга либо образуют слоистые структуры (такие, как обонятельная луковица, кора больших полушарий, гиппокамп, мозжечок), либо группируются в ядра. Нейроны, принадлежащие к одной или к разным структурам мозга, объединяются в нейронные контуры.От того, как организованы такие контуры, зависит распределение потоков информации и способ ее обработки.

Нейронные контуры

Все разнообразие нейронных контуров сводится к трем основным вариантам (Shepherd, 1998).

Иерархические контуры действуют в сенсорных и моторных системах мозга. Информация в таких контурах передается от одного уровня к другому. В сенсорных системах поток информации восходящий; сигналы от рецепторных клеток (сетчатки, внутреннего уха, обонятельного эпителия, рецепторов языка, кожи) передаются к чувствительным нейронам первого порядка, затем второго порядка и в итоге поступают к первичным сенсорным зонам коры. В моторных системах этот поток нисходящий; команды от моторной коры направляются к мотонейронам спинного мозга. Иерархические контуры обеспечивают точно адресованный поток информации — но они весьма уязвимы, поскольку при повреждении ее любого звена из строя выйдет вся система.

Локальные контуры образованы нейронами с короткими отростками. Функции таких контуров весьма ограничены: они регулируют поток информации только в пределах своего иерархического уровня. Некоторые нейроны локальных контуров могут вовсе не генерировать потенциалы действия, без которых невозможна передача сигнала на большие расстояния (как, например, в протяженных иерархических контурах). Фармакологическими методами выявлены медиаторы многих нейронов, входящих в состав локальных контуров (см. ниже).

Дивергентные контуры. В таких контурах импульсы от группы нейронов, сосредоточенных в каком-либо отделе ЦНС, широко дивергируют к другим. Подобные контуры можно найти, например, в гипоталамусе, варолиевом мосту и продолговатом мозге. Дивергентные контуры можно представить себе как локальные контуры с очень обширной областью влияния, но не как иерархические контуры с их строгой последовательностью объединения нейронов. Например, адренергические нейроны голубоватого места ствола мозга посылают волокна к мозжечку, спинному мозгу, таламусу и ко многим областям коры; функция всех этих структур при разрушении адренергических волокон почти не страдает. Многие данные свидетельствуют о том, что дивергентные контуры обеспечивают временное функциональное объединение удаленных друг от друга отделов мозга (Foote and Aston-Jones, 1995; Aston-Jones etal., 1999). Некоторые медиаторы нейронов дивергентных контуров хорошо известны, другие еще предстоит выявить.

Нейроны

Рисунок 12.1. Синапс и точки приложения фармакологических средств.

Нейроны классифицируют по функции (чувствительные, двигательные, вставочные), локализации, медиаторному составу. Главные критерии гистологической классификации — форма нейрона, а также вид и количество его отростков. Нейроны имеют один эфферентный отросток — аксон. Афферентными отростками служат многочисленные дендриты, которые могут исключительно сложным образом ветвиться. Нейроны, как активные секреторные клетки, содержат большое ядро, обильный шероховатый и гладкий эндоплазматический ретикулум и его специализированную часть — аппарат Гольджи. где секреторные продукты упаковываются в органеллы для доставки к нервным окончаниям (рис. 12.1). Нейроны пронизаны многочисленными микротрубочками диаметром примерно 24 нм. которые поддерживают вытянутую форму отростков и обеспечивают двусторонний транспорт макромолекул и органелл.

Структура, через которую один нейрон передает информацию другому, называется синапсом. Функция центральных синапсов, в принципе, та же, что и у нервно-мышечных синапсов или синапсов вегетативной нервной системы. Морфологически центральные синапсы отличаются скоплениями в так называемых активных зонах специализированных белков, которые играют роль в высвобождении, метаболизме и действии медиаторов (Liu and Edwards, 1997; Geppert and Sudhof, 1998). Специализированные участки пресинаптической и постсинаптической мембран, обеспечивающие выделение медиатора и реакцию на него, были названы стаптолеяшой (Bodian, 1972). Пресинаптические окончания центральных синапсов, как и периферических синапсов, содержат скопления крошечных (500—1500 ангстрем) синаптических пузырьков. Мембранные белки синаптических пузырьков играют роль в захвате медиатора, в слиянии пузырьков с пресинаптической мембраной, в потенциалзависимом и кальций зависимом высвобождении медиатора (гл. 6) и в восстановлении пузырьков после их дегрануляции (Augustine et al., 1999).

Описание к рис. 12.1. Синапс и точки приложения фармакологических средств. В центре изображено тело нейрона, на котором аксон другого нейрона образует контакт: аксосоматический синапс (относительно размера нейрона сильно увеличен). К аксону пресинаптического нейрона подходит аксон еще одного нейрона и образует на нем аксо-аксональный синапс. Точки приложения средств, влияющих на синаптическую передачу, могут быть следующими: 1) микротрубочки, обеспечивающие двусторонний транспорт молекул между телом и отростками нейрона, 2) электровозбудимая мембрана, 3) системы захвата и хранения медиатора синаптическими пузырьками, 4) системы захвата медиатора нервными окончаниями или глиальными клетками, 5) системы, отвечающие за высвобождение медиатора, 6) постсинаптические рецепторы, цитоплазматические органеллы и белки, которые обеспечивают либо немедленный ответ постсинаптического нейрона, либо длительное изменение его состояния, 7) пресинаптические рецепторы близлежащих нервных окончаний, 8) пресинаптические рецепторы основного нервного окончания. По краям рисунка — схемы основных типов синапсов ЦНС. Bodian, 1972; Cooper et al., 1996.

Синапсы

Существуют разнообразные виды центральных синапсов (рис. 12.1). Больше всего аксодендритических и аксосо-матических синапсов (в первом случае аксон образует контакт с дендритом, во втором — с телом нервной клетки). Такие синапсы характерны для иерархических нейронных контуров. Реже встречаются сомато-соматические синапсы (между телами нейронов) или дендро-дендритические (между дендритами двух нейронов). В локальных контурах есть синапсы, образованные обширными ветвлениями аксона — телодендриями. В спинном мозге довольно часто встречаются последовательные аксо-аксональные синапсы: короткий аксон вставочного нейрона контактирует с длинным аксоном другого нейрона в месте переключения последнего —до того, как тот образует синапс наследующем нейроне. Часто в окончаниях аксонов имеются участки, в которых накапливаются синаптические пузырьки, нонет типичной синаптолеммы: возможно, выделения медиатора в таких участках не происходит.

Общие принципы синаптической передачи в ЦНС те же, что и в периферической нервной системе (гл. 6), однако механизмы этой передачи в центральных синапсах гораздо разнообразнее и сложнее (Nicoll et al.. 1990; Tzounopoulos ct al., 1998).

Другие клетки ЦНС

Нейроны — не единственные клетки ЦНС. По подсчетам, различных вспомогательных элементов нервной ткани в десять раз больше, чем нейронов (Cherniak, 1990). Прежде всего это глия, а также клетки сосудов мозга, сосудистых сплетений, вырабатывающих СМЖ. и мозговых оболочек, окружающих мозг и образующих полость для СМЖ. Основной тип глиальных клеток — макроглия. К нему относятся астроциты, располагающиеся между нейронами и капиллярами, часто окружая отдельные синаптические комплексы. Астроциты выполняют трофические функции (в том числе поставляя нейронам энергетические субстраты) и удаляют из внеклеточного пространства избыток медиатора (Magistrettiet al., 1995). Другие клетки макроглии — олигодендроциты, образующие миелиновую оболочку. Мембрана олигодендроцитов многократно обертывает участки нервного волокна и обеспечивает его изоляцию, необходимую для более быстрого проведения импульсов. Наименее изучены клетки микроглии. Полагают, что они имеют мезодермальное происхождение, развиваются из моноцитов и относятся к макрофагам (Aloisi, 1999; Gonzdlez-Scarano and Baltuch, 1999). Постоянно в головном мозге присутствует лишь небольшое количество микроглии, но в случае воспаления, вызванного инфекцией или травмой, в мозг поступают дополнительные клетки микроглии. Мозг реагирует на воспаление иначе, чем другие ткани (Anderssonetal., 1992; Raberetal., 1998;Schnelletal., 1999),что, возможно, и объясняет его уникальную восстановительную способность (см. ниже).

Рисунок 12.1. Синапс и точки приложения фармакологических средств. В центре изображено тело нейрона, на котором аксон другого нейрона образует контакт: аксосоматический синапс (относительно размера нейрона сильно увеличен). К аксону пресинаптического нейрона подходит аксон еще одного нейрона и образует на нем аксо-аксональный синапс. Точки приложения средств, влияющих на синаптическую передачу, могут быть следующими: 1) микротрубочки, обеспечивающие двусторонний транспорт молекул между телом и отростками нейрона, 2) электровозбудимая мембрана, 3) системы захвата и хранения медиатора синаптическими пузырьками, 4) системы захвата медиатора нервными окончаниями или глиальными клетками, 5) системы, отвечающие за высвобождение медиатора, 6) постсинаптические рецепторы, цитоплазматические органеллы и белки, которые обеспечивают либо немедленный ответ постсинаптического нейрона, либо длительное изменение его состояния, 7) пресинаптические рецепторы близлежащих нервных окончаний, 8) пресинаптические рецепторы основного нервного окончания. По краям рисунка — схемы основных типов синапсов ЦНС. Bodian, 1972; Cooper et al., 1996.

Гематоэнцефалический барьер

Концентрация лекарственного средства в мозге всегда ниже, чем в крови, если только препарат не введен непосредственно в ЦНС (гл. 1). Это обусловлено наличием так называемого гематоэнцефалического барьера. Гематоэнцефалический барьер не имеет точной анатомической локализации. Это своего рода защитная граница, препятствующая диффузии веществ из крови в мозг (Park and Cho, 1991; Rubin and Staddon, 1999). В головном мозге есть структуры, где гематоэнцефалический барьер выражен слабо: это гипоталамус, а также небольшие образования, расположенные на дне 3-го и 4-го желудочков. — самое заднее поле (area postrema), шишковидное тело, субфорникальный орган, субкомиссуральный орган. Пока не ясно, есть ли соответствующий барьер между кровью и структурами периферической нервной системы. Помимо барьера, препятствующего диффузии макромолекул, существуют избирательные барьеры для мелких молекул — медиаторов, их предшественников и метаболитов, а также некоторых лекарственных средств. Переход таких молекул через гематоэнцефалический барьер зависит от двух условий: 1) проницаемости для них сосудистой стенки (она зависит от молекулярной массы, заряда и липофильности молекул данного вещества), 2) наличия или отсутствия системы активного транспорта. Диффузионный барьер сдерживает проникновение веществ как из мозга в кровь, так и из крови в мозг; активный транспорт некоторых веществ также идет в обоих направлениях. Метаболиты медиаторов выводятся в СМЖ через транспортную систему сосудистых сплетений (Cserr and Bundgaard, 1984; Strange, 1993). Вещества, не проходящие через гематоэнцефалический барьер, могут быть доставлены в мозг путем прямого введения в СМЖ. При определенных условиях гематоэнцефалический барьер можно временно устранить, например для того, чтобы доставить в ткань мозга противоопухолевые средства (Emerich etal., 1998; Granholm et al., 1998; LeMay etal., 1998). Целость гематоэнцефалического барьера нарушается при ишемических и воспалительных поражениях мозга — тогда на мозг начинают действовать те вещества, для которых он обычно недоступен.

Восстановительные процессы и пластичность ЦНС

Нейроны — окончательно дифференцированные клетки, и повреждение мозга не вызывает пролиферативного ответа (впрочем, недавно получены данные о том, что в отдельных случаях возможно замещение погибших нейронов за счет дифференциации стволовых клеток нервной ткани; см. Gage, 2000). Таким образом, восстановление функций поврежденного мозга осуществляется за счет других механизмов. Исключительная структурная и функциональная пластичность нейронов сохраняется втечение всей жизни (Yang et al., 1994; Jones et al., 2000) и лежит в основе не только компенсаторно-восстановительных процессов, но и памяти и научения (Kandel and O’Dell, 1992). Развивающийся и взрослый мозг имеют общие молекулярные механизмы пластичности, связанные с действием нейротрофических факторов (Bothwell, 1995; Casaccia-Bonnefil et al., 1998; Chao et al., 1998).