День в истории: первооткрыватель олигодендроцитов и гомункулуса

На сегодняшнем дудле все любители нейронаук могли увидеть картинку с мозгом и портретом лысого человека. Сегодня исполнилось со дня рождения Уайлдера Грейвса Пенфилда, которого чаще всего помнят за открытие гомункулусов – моторного и соматосенсорного, «виртуальных человечков» в нашем мозге, иллюстрирующих распределение зон, ответственных за движение тела и сенсорное восприятие. Кто-то поет ему дифирамбы, кто-то, наоборот, считает, что концепция гомункулусов сильно затормозила развитие нейронаук. Однако на самом деле, масштаб этого человека гораздо, гораздо больше, чем просто картирование двух отделов нашего мозга. Но обо всем по порядку.

Credit: Google.com


Наш герой родился 26 января 1891 года в городке Спокан, штат Вашингтон, в 150 километрах от американо-канадской границы. Его отцом был Чарльз Сэмюэл Пенфилд, весьма успешный врач.

Отец Пенфилда. Credit: университет МакГилла


Впрочем, учился Пенфилд-младший в Принстоне, и, если бы обучающий госпиталь Принстон-Плейнсборо действительно существовал бы, вероятно, довелось бы Пенфилду поработать в той же больнице, что и доктор Хаус. А так во время обучения юный медик разрывался между гранитом науки и спортом – из него получился классный игрок в американский футбол. Более того, сразу же после окончания университета, Пенфилда немедленно наняли в университет – не преподавателем, а футбольным тренером.

Уайлдер Пенфилд, игрок университетской футбольной команды


Впрочем, через два года наука взяла своё и в 1915 году футболист получил стипендию для дальнейшего обучения в Оксфорде, где он попал не просто в Мертоновский колледж, а к самому сэру Чарльзу Шеррингтону, автору термина «синапс». Отучившись у Шеррингтона, он поработал «в низах», медбратом в одном военном госпитале под Парижем (напомним, тогда еще шла Первая мировая),  затем женился и  вернулся в США и начал учиться уже в Университете Джонса Хопкинса, где и получил приставку MD к своему имени и фамилии в 1918 году.

Учитель Пенфилда, Чарльз Шеррингтон


Весной 1924 года он отправляется на пять месяцев поработать к величайшему гистологу и мастеру окраски тканей (а еще – спортсмену, художнику, и прочая, и прочая), Сантьяго Рамон-и-Кахалю. А точнее, обучившись различным способам окраски нервных клеток, Пенфилд начал работать с учеником и соратником Кахаля, Пио дель Рио-Гортегой, человеком, который потом подробно сформулирует концепцию микроглии. Кстати, важно, что он сделает это в 1932 году  в главе Microglia, написанной для книги, ставшей в последствии знаковой – Cytology and Cellular Pathology of the Nervous System. Как вы думаете, кто станет редактором этой книги? Правильно, Уайлдер Пенфилд. А пока пять месяцев работы приведут к двум статьям: в 1924 году  в журнале Brain выйдет статья самого Пенфилда, в которой он впервые в истории подтвердит существование олигодендроцитов, «третьего элемента» Кахаля – незвездчатых ненейрональных клеток, образующих миелиновую оболочку нейронов (испанцы дружно считают первооткрывателем олигодендроцитов самого дель Рио-Гортегу за статью 1921 года).

Олигодендроциты в белом веществе мозга кошки


На двух десятках страниц – много иллюстраций, впервые показывающих этот тип клеток.  А в 1927 году выйдет cовместная статья Пенфилда и дель Рио-Гортеги, в которой они рассматривают, как нервная ткань реагирует на повреждения и образует шрамы.

Пио дель Рио Гортега


Впрочем, дальше Пенфилд всё же сделал выбор в сторону нейрохирургии. В том же 1924 году Пенфилд проходил стажировку у замечательного нейрохирурга Отфрида Фёрстера, только что вернувшегося из СССР, где до последних дней был личным врачом Владимира Ленина (подробнее о Фёрстере мы уже писали). Именно Фёрстер «заразил» Пенфилда исследованием эпилепсии (в 1930 году у них даже выйдет общая статья.

Оттфрид Фёрстер


Впрочем, для того, чтобы оперировать пациентов, нужно было еще получить соответствующее американское образование. И здесь Пенфилд тоже учился у лучшего – дверь в американскую нейрохирургию ему открыл Харви Кушинг, считающийся одним из отцов современной нейрохирургии.

Cвою самую знаменитую работу Пенфилд сделал как раз на материале операций по поводу эпилепсии. К этому времени (1928 год) он переехал в Канаду, где получил должность в Университете МакГилла и Госпитале Королевы Виктории, став первым канадским нейрохирургом. В 1934 году Пенфилд получил канадское гражданство.

Харви Кушинг


 Но вернемся к нашим гомункулусам. Первого декабря 1937 года в журнале Brain вышла статья его и Эдвина Болдри, в которой на материале 163 пациентов, которых Пенфилд оперировал по поводу эпилепсии (под местной анестезией, так что пациенты находились в сознании и могли общаться с врачом).  Пенфилд стимулировал электрическим током разные точки в мозге и следил за реакцией. Затем Болдри провел, как сейчас говорят, обработку данных и построил соотношение участков мозга и зон, которые отвечают за движение и чувствительность участков тела.

Иллюстрация из статьи Пенфилда и Болдри. Зоны чувствительности языка


В самом конце статьи и были нарисованы знаменитые гомункулусы, одни из самых удачных метафор в области нейронаук: человечки, части тела которых пропорциональны площадям коры, ответственность за чувствительность и движения этих частей. Большое лицо, кисти рук, язык, маленькие руки и ноги… Нужно подчеркнуть, что Пенфилд хорошо понимал условность этого подхода, и то, что зоны мозга не имеют четких границ, и то, что у разных людей может быть смещение зон… Сейчас эта концепция немного устарела, однако совсем в музей ее сдавать рановато. В конце концов, именно ей мы обязаны, например, возникновением интерфейсов «мозг-компьютер» с обратной связью, когда сигнал от датчика на протезе руки идет в электрод, вживленный в «гомункулуса» и человек чувствует механическими пальцами.

Гомункулусы из статьи Пенфилда и Болдри (вверху) и их скульптуры из Музея естственной истории в Лондоне (внизу)


Так что в декабре прошлого года отмечалось 80 лет со дня появления в науке гомункулусов (хотя если быть точным, они появились не 1 декабря, а чуть-чуть раньше — до статьи, 4 июня канадцы доложились на конференции в Атланте).

Нужно сказать, что Пенфилд в своей работе не ограничился только соматосенсорной и моторной корой. Его исследования внесли важный вклад в изучение роли теменной и височных долей головного мозга. Электрическая стимуляция этих зон на материале 520 пациентов смогла вызвать у 40 из них визуальные, зрительные, слуховые и обонятельные галлюцинации, а также синдром «выхода из тела», тоже впервые научно описанный Пенфилдом. Был учёный и пионером в нейронаучном исследовании феномена дежа вю. При этом всю жизнь он занимался и обычной нейрохирургией и неврологией, лечил пациентов: именно Пенфилда приглашали к получившему травму мозга нобелевскому лауреату Льву Ландау, и его рекомендации позволили постепенно возвращать нашего физика к интеллектуальной деятельности. Если бы он не умер в результате тромбоэмболии артерии после операции, то кто знает…

Лев Ландау


Мало кто знает, но Пенфилда в 1953 году дважды номинировали на Нобелевскую премию  по физиологии или медицине (может быть, номинировали и позже, но база данных нобелевского комитета открыта только до 1967 года). Увы, тогда не срослось: в том году премия досталась Хансу Адольфу Кребсу, за открытие соответствующего цикла. А жаль, ведь нобелевской премии «за экспериментальную неврологию» нет до сих пор. Пенфилд оставил свое имя и в научной фантастике: в знаменитом произведении Филиппа Дика «Мечтают ли андроиды об электроовцах» персонажи пользуются Органом Настроения Пенфилда – прибором, которым можно вызывать эмоции по желанию.

Почтовая марка Канады, выпущенная к 100-летию Пенфилда


Текст:  Алексей Паевский

Penfield, W. (1924). Oligodendroglia and its relation to classical neuroglia. Brain 47:430-452.

Del Rio-Hortega P, Penfield W (1927) Cerebral cicatrix: the reaction of neuroglia and microglia to brain wounds. Johns Hopkins Hops Bull 41:278–303

Foerster, O. & Penfield, W. (1930). The structural basis of traumatic epilepsy and results of radical operation. Brain 53: 8-119.

Penfield, W. & Boldrey, E. (1937). Somatic motor and sensory representation in the cerebral cortex of man as studied by electrical stimulation. Brain 60: 389-443.

Читайте материалы нашего сайта в FacebookВКонтактеЯндекс-Дзен и канале в Telegram, а также следите за новыми картинками дня в Instagram.

 

Нейронауки для всех. Детали: стриатум

Когда в очередной научной новости рассказывается о поведении человека, мотивации к деятельности или о том, как лучше обучаться, то почти всегда упоминается система вознаграждения. Об анатомической структуре мозга, которая как раз за это отвечает, и пойдёт речь.

Эта структура называется стриатум (corpus striatum) или полосатое тело. Она расположена в самом переднем отделе головного мозга. Стриатум – часть базальных ганглиев (причём считается самым большим из 5 клеточных компонентов базальных ганглиев), главная функция которых – сознательный контроль и управление движениями, а так же обучение этому.

Исторически считалось, что главная функция всего комплекса базальных ганглиев – воплощение движений. Например, замечали, что у пациентов с болезнью Паркинсона совместно с нарушением двигательной активности были и изменения в ганглиях. Довольно легко связать эти два наблюдения в одно целое. Затем в процессе накопления научных знаний стало известно, что базальные ганглии могут контролировать и движения глаз, и даже влиять на поведение. Их нарушения могут проводить к заболеваниям, в которых проявляется либо гипокинез (снижение двигательной активности), либо гиперкинез (чрезмерные, иногда «лишние» движения).

Анатомическое строение

Своё второе название на русском языке («полосатое тело») стриатум получил из-за того, что на его срезах видны чередующиеся светлые и тёмные полосы. На латыни это слово («striatum») точно так же означает «полосатый».

Обычно стриатум разделяют на две части – дорсальную (расположенную сверху), которая представлена хвостатым ядром (caudate nucleus), чечевицеобразным ядром (lentiform nucleus или lenticular nucleus) и скорлупой, и вентральную, которая содержит прилежащее ядро (nucleus accumbens).

Хвостатое и чечевицеобразное ядро. Илл: Wikimedia Commons


Структуры, называющиеся ядрами, представляют собой определённые участки в мозге, которые можно разделить или, наоборот, объединить с другими находящимися рядом нейронами по функции или по связанности. Нервные клетки одного ядра обычно выполняют одинаковую работу и связаны с одними и теми же целевыми участками. В мозге позвоночных находятся сотни ядер, которые очень разнятся по размерам и форме. Внутри них также выделяют «подъядра» (subnuclei) из-за того, что даже в таком малом образовании, как ядро, может происходить более аккуратное и тонкое разделение функций нейронов.

Дорсальная часть стриатума важна для процесса принятия решений и для выбора того, как реагировать на какое-либо событие, для выбора действий.

Прилежащее ядро связано с системами вознаграждения, подкрепления, и в зависимости от правильности его работы может происходить переход от простого выполнения действий, приносящих удовольствие, к постоянным нацеленным желаниям производить эти самые действия (аддикция).

Стриатум постоянно получает нервные импульсы от многих отделов коры головного мозга: моторных, сенсорных (за некоторым исключением), ассоциативных, лимбических и паралимбических. И каждая из этих областей проецируется на строго определённую зону в нём. В состав полосатого тела входят разнообразные клетки, но большинство (приблизительно 90%) – это средние по размеру шиловидные ГАМК-эргические проекционные нейроны. Такие нейроны собирают и анализируют информацию, которую получает стриатум, и передают её нейронам различных базальных ганглиев.

Делит стриатум на две части у человека и макаки тонкая полоска белого вещества, по сравнению с крысами и мышами, у которых хвостатое ядро и скорлупа не разделены. Это белое вещество образует внутреннюю капсулу, однако, между хвостатым ядром и скорлупой остаётся множество связей. По размеру мозг человека в 13-18 раз больше мозга макаки резус, но размер стриатума больше всего лишь в 6 раз. Кстати, в одном из исследованийучёные выяснили, что объём стриатума у людей с болезнью Паркинсона, как ни странно, больше (7.5 см3), чем  у здоровых людей (6.3.см3).

Функции

Функций у стриатума великое множество. Это планирование и контроль движений, различные когнитивные процессы, которые нужны для выполнения различных действий. Стриатум вовлечён в процесс обучения, и для этого очень важны его взаимодействия с дофамин-содержащими нейронами в среднем мозге.

Стриатум на МРТ. Илл: Wikimedia Commons



Роль в принятии решений стриатум делит с префронтальной корой головного мозга. Они очень тесно взаимосвязаны друг с другом и зачастую могут даже взаимно активироваться. Поэтому некоторые учёные даже предлагают глубокую стимуляцию чего-то одного для того, чтобы опосредованно влиять на другое.

Полосатое тело важно в работе системы вознаграждения, и, более того, учёные показали, что можно получать удовольствие не только от прошлых и происходящих событий или действий, но и даже от простого ожидания самих событий.

Патология

Но как ведёт себя стриатум в патологии? Что вообще может в нём произойти?

Наиболее опасно прекращение выработки дофамина, который как раз нужен для корректных движений. За время старости число дофаминовых рецепторов уменьшается, да и вообще в целом снижается  концентрация этого нейромедиатора.

Интересно, что не только физические изменения в стриатуме могут вести к отклонениям в его функционировании, но и играют роль генетические факторы. Например, слишком высокая экспрессия генов рецепторов дофамина D3 в стриатуме нарушает мотивацию и мотивационное поведение у мышей, но не затрагивает другие проявления их поведения.

Именно при проблемах с прилежащем ядром начинается аддикция – поведение, когда у людей есть навязчивая потребность в какой-то определённой деятельности. Это может выражаться в том, что человек привыкает к лекарственным средствам и ощущает постоянную потребность в них, либо это может быть, например, желание выполнять однообразные действия.

Генетически обусловленные факторы также влияют на атрофию стриатума и на функционирование всех базальных ганглиев в целом. При хорее Гентингтона в гене HTT, который кодирует белок хангтинтин, присутствуют повторы из трёх нуклеотидов CAG, и если число таких повторов больше 36, то изменяется пространственная структура белка. А у человека развивается хорея. В таком случае белок хангтинтин начинает образовывать агрегаты с другими белками, поэтому препятствует нормальному клеточному транспорту в нейронах и может вести к их гибели.


Текст: Надежда Потапова

Предыдущие материалы о нейроанатомии (серия «Детали»): таламусгипоталамусклетки Пуркинье.

Читайте материалы нашего сайта в FacebookВКонтакте и канале в Telegram, а также следите за новыми картинками дня в Instagram.