Введение

Базальные ядра (БЯ, базальные ганглии, nuclei basalis) играют важную роль в регуляции моторных функций. Дисфункция БЯ, которая может возникать вследствие болезней или травм, приводит к разнообразным нарушениям двигательных навыков. Еще в первой половине ХХ века была установлена взаимосвязь патологических изменений БЯ с возникновением непроизвольных движений (гиперкинезов), включая хорею, баллизм, атетоз, дистонию, и трудности при выполнении произвольных движений при паркинсонизме [1, 2].

Неостриатум (дорсальный стриатум), крупнейшая подкорковая структура мозга млекопитающих, является частью БЯ. Неостриатум включает в себя хвостатое ядро (ХЯ, nucleus caudatus) и скорлупу (Ск, putamen). Помимо связей с корой и таламусом неостриатум образует многочисленные реципрокные связи с дофаминергическими нейронами черной субстанции и, таким образом, участвует в осуществлении целенаправленного поведения, а также обучении моторным навыкам. Обнаружено, что неостриатум взрослых млекопитающих неоднороден как в химическом, так и цитоархитектоническом отношении. Эта гетерогенность была продемонстрирована с помощью различных иммуногистохимических и цитохимических маркеров и у плодов человека [3]. Однако недостаточно изучено, как эта неоднородность возникает в процессе развития [4].

Морфометрический анализ во время внутриутробного развития имеет решающее значение для оценки нормального роста мозга [5], что представляет интерес для своевременной диагностики различных патологий, а также биологии развития в целом [6]. До недавнего времени морфометрический анализ неостриатума был доступен только при применении классических гистологических методов. Из-за кропотливости такой обработки эти исследования остаются крайне немногочисленными. Сегодня развитие неостриатума можно изучать с использованием как прижизненной, так и посмертной магнитно-резонансной томографии [5]. С определенными ограничениями возможны и визуализация, и измерение размеров неостриатума плода человека при помощи трансвагинальной 3D-нейросонографии [7]. Тем не менее до сих пор развитие неостриатума морфометрически изучено недостаточно, а результаты, полученные разными способами, нуждаются в сопоставлении.

Целью данного исследования являлся морфометрический анализ неостриатума, включая ХЯ и Ск, во время нормального плодного развития мозга человека с целью уточнения динамики роста этих структур.

Материалы и методы

Исследование выполнено на аутопсийном материале головного мозга восьми плодов человека с 12-й по 30-ю неделю гестационного развития (гр) из коллекции лаборатории развития нервной системы НИИ морфологии человека имени академика А.П. Авцына РНЦХ им. акад. Б.В. Петровского [8]. Работа одобрена локальным этическим комитетом НИИ морфологии человека (№ 33(9) от 07.02.2022). Возраст эмбрионов и плодов оценивали на основании анамнеза (дата последней менструации, протоколы ультразвукового исследования), а затем определяли по весу/росту и теменно-копчиковой длине (ТКД) в соответствии с таблицами определения возраста для фетального периода [9]. Критерием включения было отсутствие клинических или посмертных признаков патологии головного мозга.

В зависимости от возраста плодов получали тотальные препараты головы целиком или одного из полушарий головного мозга. Образцы обрабатывали рутинными гистологическими методами и делали полные серии фронтальных срезов толщиной 10 мкм (до 20 недель гр) или 20 мкм (после 20 недель гр). Каждый 10-й (для плодов до 20 недель гр) или 25-й срез (после 20-й недели) окрашивали по одной из традиционных гистологических методик (по Нисслю, гематоксилином и эозином, по Маллори).

Для объемного анализа структур были отобраны срезы, содержащие ХЯ и Ск, расположенные через равные промежутки.

Для каждого образца мозга сделаны сканы выбранных срезов при одинаковом увеличении (1:1). Препараты оцифровывали на сканере Canon Pixma MG 25405 (Canon, Япония) с разрешением 600 dpi. На сканах срезов обводили границы ХЯ и Ск в одном из полушарий (рис. 1) и проводили измерение выделенной площади при помощи программы ImageJ (v.1.54f, NIH, США).

Объемы были рассчитаны, исходя из толщины срезов, числа срезов, содержащих ХЯ и Ск, и площади, занимаемой этими структурами на срезе, по формуле:

V = åSn × m × d,

где V – объем структуры,

åSn – сумма площадей измеренных срезов,

m – число, указывающее, с каким интервалом были взяты срезы (например, каждый 25-й),

d – толщина срезов.

Результаты

Объем ХЯ и Ск плодов человека на сроке от 11 до 30 недель гр представлен в таблице.

На сроке 11–12 недель гр на гистологических срезах даже при небольшом увеличении можно выявить головку ХЯ в области вентрального прогиба возвышений латеральных желудочков (ганглиозных бугорков) в виде достаточно плотного скопления нейробластов (однако более разреженных, чем в ганглиозных бугорках). Ск отделена от ХЯ внутренней капсулой и четко выделяется на гистологических срезах (рис. 1 A).

На 12–13-й неделе гр головка ХЯ увеличивается в размерах, в то время как его хвост еще недостаточно выражен. В Ск появляются признаки разделения на островки (с более плотной группировкой нейробластов) и окружающий их матрикс. Объем ХЯ вырастает в 3 раза, а скорлупы в 4 раза по сравнению с 11–12 неделями гр.

На 14–17-й неделе процессы роста и развития ХЯ и Ск продолжаются: в ХЯ становится возможным выделить хвостовую часть, в Ск разделение на островки и матрикс становится еще более выраженным. Объем ХЯ возрастает в 5 раз, а Ск в 4 раза по сравнению с 12–13-й неделей гр. К 20-й неделе объем ХЯ возрастает еще примерно в 7 раз, а Ск в 2,5 раза. Таким образом, на сроке с 10-й по 20-ю неделю гр объем ХЯ вырастает более чем в 100 раз, Ск – примерно в 36, а общий объем неостриатума в 66 раз.

С 21-й по 30-ю неделю гр нейроны неостриатума, смешанные с многочисленными нейробластами, остаются по-прежнему незрелыми и имеют относительно крупное клеточное ядро и небольшое количество цитоплазмы. Тельца Ниссля едва заметны. Объем Хя возрастает с 20-й по 30-ю неделю гр еще в 4 раза, а Ск в 5 раз.

Обсуждение

Процессы клеточной миграции начинаются в области неостриатума человека на 14-й стадии развития по Карнеги (ТКД 5–7 мм, 7-я неделя гр) [7]. К сожалению, развитие этой области у человека еще недостаточно хорошо изучено по сравнению с грызунами.

Детальный анализ временного градиента происхождения клеток неостриатума крысы был проведен в 1990-х годах. Однако прямое сравнение развития этой области у грызунов и человека невозможно: у крыс ХЯ и Ск образуют единый комплекс (так называемый каудатопутамен), в то время как у человека эти структуры разделены. Впрочем, считается, что основные паттерны их развития можно сопоставить. ХЯ и прекомиссуральную часть Ск у человека можно соотнести с дорсолатеральной частью комплекса ХЯ и Ск крысы, а посткоммисуральную часть Ск человека с вентролатеральной частью комплекса у грызунов. У крыс вентролатеральная часть развивается несколько раньше, чем дорсолатеральная, но с некоторым пересечением во времени. У человека зачаток Ск образуется из латерального возвышения желудочков (латерального ганглиозного бугорка) на сроке между 18-й (конец 9-й недели гр) и 21-й стадиями по Карнеги, а развитие ХЯ несколько запаздывает и происходит на сроке между 19-й (начало 10-й недели гр) и 23-й стадиями [10, 11]. Сейчас эта концепция дополняется с учетом данных геноархитектоники [2]. Тем не менее к концу эмбрионального периода у человека ХЯ и Ск уже хорошо выявляются [7].

В нашей работе эмбриональный период развития не изучался. Однако и на самых ранних этапах плодного развития, на 11–12-й неделе гр, ХЯ и Ск уже хорошо идентифицировались, при этом Ск была лучше выражена на срезах.

При примененном нами способе сканирования на цифровых изображениях выходит получить разрешение, при котором в 1 мм содержится 23,6 пикселя, тогда как на МРТ-сканах разрешение обычно не превышает 1 пиксель на 1 мм. При помощи МРТ головку ХЯ и Ск удается выявить в виде плохо очерченной области со значительно сниженной интенсивностью сигнала с 14–15-й недели гр. На сроке 15–22 недель головка ХЯ увеличивается в размерах. На МРТ-сканах она хорошо выявляется на уровне межжелудочкового отверстия, в то время как хвост ХЯ сливается с внутренней капсулой [5]. На гистологических препаратах хвост ХЯ можно выявить даже при прямом сканировании, как это было сделано в нашей работе.

T. Takakuwa et al. [5] установили, что объем ХЯ и Ск на сроке от 10 до 20 недель гр линейно увеличивается. Полученные нами на гистологическом материале данные очень хорошо согласуются с данными этой группы авторов, несмотря на то что они использовали МРТ-сканирование. По всей видимости, такое совпадение результатов может быть связано с высокой плотностью расположения нейробластов в неостриатуме, что нивелирует артефакты, связанные с обезвоживанием и, как следствие, неравномерным сжатием образцов мозга во время гистологической проводки. С другой стороны, данные, полученные при помощи неинвазивных методов, могут быть недостаточно полными из-за низкого разрешения и отсутствия цитоархитектонического контроля. Ранее нами уже было показано, что морфометрические измерения на гистологических препаратах коллекции хорошо согласуются с данными литературы [12]. В новом исследовании результаты хорошо совпадали как с данными, полученными другими авторами с использованием гистологических методов [13], так и с помощью МРТ. Однако число работ по изучению пренатального развития неостриатума (и, соответственно, число исследованных образцов) крайне невелико, и требуется как дальнейшее морфометрическое изучение его роста, так и сопоставление классических гистологических и неинвазивных методов визуализации на более обширном материале для учета влияния артефактов фиксации и проводки. Перспективна в этом плане верификация результатов, полученных разными методами на одном и том же плоде. Особенно важными эти исследования становятся в свете определения пределов изменчивости (пластичности) неостриатума.

Одним из способов нивелировать влияние артефактов гистологической проводки является исследование не абсолютных, а относительных величин. В нашем исследовании показано, что объем ХЯ с 11-й по 20-ю неделю возрастает более чем в 100 раз, а с 20-й по 30-ю неделю гр дополнительно в 4 раза, то есть суммарно с 10-й по 30-ю неделю в 400 раз. Объем Ск возрастает на соответствующих сроках в 36 и 5 раз (суммарно в 180 раз). По данным литературы, к рождению суммарный объем неостриатума может достигать 1500 мм3 [14]. Таким образом с 30-й по 40-ю неделю темпы роста неостриатума несколько снижаются, при этом неостриатум увеличивается только в 1,5 раза.

У взрослых людей средние варианты (определенные гистологически) объема ХЯ достигают 3089–3920 мм3, а Ск 3280–3827 мм3. Крайние варианты объема ХЯ могут различаться у взрослых людей более чем в 2 раза, а Ск в 3,7 раз [15]. Интересно, что и у взрослых людей данные по объему ХЯ и Ск хорошо согласуются с данными МРТ [16]. Кроме индивидуальной изменчивости ХЯ и Ск выявлены различия этих структур в правом и левом полушарии у одного индивидуума [14–17]. В ряде работ показаны половые и возрастные отличия [14, 16, 17].

Хотя в нашем исследовании было использовано малое количество образцов для каждого срока, что не позволяет учитывать индивидуальную и половую изменчивость, а также межполушарную асимметрию, увеличение объема неостриатума в пренатальном развитии очевидно перекрывает как эти различия, так и разницу объема, вызванную использованием при измерении разных методов. По всей видимости, объем структур неостриатума может быть использован в качестве дополнительного критерия гестационной зрелости при определении возраста плода. Кроме этого, проведение морфометрического анализа внутриутробного развития мозга плода человека важно для оценки нормального роста. В последнее время появились данные о вовлечении структур неостриатума в патогенез аутизма и шизофрении [18]. Считается, что объем хвостатого ядра увеличивается при расстройствах аутистического спектра и связан с ограниченным и повторяющимся поведением. Тем не менее динамика объема хвостатого ядра при таком поведении у маленьких детей остается неизученной.

Заключение

Быстрые темпы нейрогенеза неостриатума во время пренатального развития человека указывают на первостепенную важность формирования моторных функций. Накопление данных о нормальном развитии хвостатого ядра и скорлупы может способствовать ранней диагностике двигательных расстройств. Это также внесет вклад в развитие новой тенденции в науках, связанных с пренатальным развитием человека, по переносу результатов исследований ex vivo на исследования in vivo с использованием неинвазивных технологий. Для преодоления разрыва между данными, полученными разными методами, мы создаем Атлас развития мозга человека. С частью образцов, описанных в нашем исследовании, можно ознакомиться на специальном сайте проекта https://brainmorphology.science/ru/. Дополнительное значение эти данные приобретают в связи с развитием новой области медицины – внутриутробной хирургии плода.