Статья: Видовые особенности нейрон-глиальных популяций головного мозга бесхвостых амфибий

Видовые особенности нейрон-глиальных популяций головного мозга бесхвостых амфибий

Л.Н. Афанаскина, Н.Н. Медведева

Красноярский государственный медицинский университет им. проф. В.Ф. Войно-Ясенецкого

Species-Specific Features of Neuron-Glial Populations in the Brain of Tailless Amphibians

Liubov' N. Afanaskina and Nadezhda N. Medvedeva

V.F. Voyno-Yasenetsky Krasnoyarsk State Medical University

The midbrain roof and cerebellum cortex are the main integrative centers in amphibians. They serve to analyze and process nerve impulses, form the organism's response, regulate and coordinate movements, connect amphibians with their environments. The present study addresses the relationship between the species of the tailless amphibians inhabiting the southern part of the Krasnoyarsk region (Bufo bufo Linnaeus, Rana arvalis Nilsson, Pelophylax ridibundus Pallas, and Rana amurensis Boulenger) and the morphological parameters of the populations of neurons and glia in layer VI of the midbrain roof and layers of the cerebellum cortex. The species-specific structure of amphibians' brain regions has been found to be evident not only at the organ level (size and shape), but also at the level of the organization of neuron and glial cell populations. Distinctive species-specific differences can be found in the parameters of cell area (the area of the body, the area of the nucleus and the area of the cytoplasm) and the distribution density of neurons and gliocytes. The development of specific morphological features at the cellular level of the arrangement of the midbrain and cerebellum layers in different species of tailless amphibians is associated with long-term phylogenetic transformations of their nervous system and adaptation of amphibians to the terrestrial-aquatic habitat.

Keywords: amphibians, the midbrain, neurons, cell populations, morphometry.

Видовые особенности нейрон-глиальных популяций головного мозга бесхвостых амфибий

Л.Н. Афанаскина, Н.Н. Медведева

Красноярский государственный медицинский университет им. проф. В.Ф. Войно-Ясенецкого

Крыша среднего мозга и кора мозжечка являются у амфибий ведущими интегративными центрами. Они обеспечивают анализ и обработку нервных импульсов, формирование ответной реакции организма, регуляцию и координацию движений, связь земноводных с условиями среды. В работе рассмотрена связь между видовой принадлежностью бесхвостых земноводных южной части Красноярского края (Bufo bufo Linnaeus, Rana arvalis Nilsson, Pelophylax ridibundus Pallas, Rana amurensis Boulenger) и морфологическими параметрами популяций нейронов и глии VI слоя крыши среднего мозга и слоев коры мозжечка. Установлено, что видовые особенности строения отделов головного мозга амфибий проявляются не только на органном уровне (размеры и форма), но и на уровне организации клеточных популяций нейронов и глии. Отличительные видовые особенности отмечены в параметрах площади клеток (площадь тела - Вт, площадь ядра - Вя и площадь цитоплазмы - Вц) и плотности распределения нейронов и глиоцитов. Появление у разных видов бесхвостых земноводных специфическихморфологических особенностей на клеточномуровне организации слоев среднего мозга и мозжечка, вероятно, связано с длительными филогенетическими преобразованиями их нервной системы и адаптацией амфибий к наземно-водной среде обитания.

Ключевые слова: земноводные, средний мозг, нейроны, клеточные популяции, морфометрия.

Введение

Амфибии как переходная форма живых организмов от водных к наземным позвоночным животным занимают незначительную экологическую нишу. Они сочетают признаки предковых форм и характеризуются появлением новых прогрессивных черт организации на уровне всех систем, в том числе и нервной (Орлянская, 2004). Нервная система как одна из ведущих регуляторных систем обуславливает взаимосвязь организма с окружающей средой и его адекватную ответную реакцию на воздействие различных факторов (Кание- ва, 2005).

В современных сравнительно- нейрогистологических исследованиях земноводные используются достаточно редко. Имеющиеся литературные данные по цитоархитектонике и протеиноархитектонике структур головного мозга представителей разного уровня организации класса амфибии в норме единичны и касаются отдельных представителей (Антонова, 1969; Леш- ко, 1968; Карамян, 1970; Фанарджян, 1995, 2000). На сегодняшний день практически отсутствуют комплексные количественные морфологические исследования, позволяющие оценить гетерогенность популяций нейронов среднего мозга и мозжечка в ходе их преобразований в филогенезе позвоночных. При этом изучение преобразований головного мозга у представителей класса земноводных имеет ключевое значение для понимания процессов формирования центральной нервной системы наземных позвоночных, что обуславливает актуальность исследования.

Исследование типичных (модельных) представителей разных позвоночных животных для характеристики отдельных систематических групп не всегда в полной мере отражает все многообразие их признаков и уровня организации. Данными палеонтологии, сравнительной анатомии и нейроморфологии подтверждена значительная неравномерность хода эволюции, ее мозаичность при формировании и преобразовании разных структур и признаков ЦНС, неравномерное, иногда параллельное, независимое развитие даже в близкородственных группах. Поэтому при изучении эволюции нервной системы позвоночных животных перспективным является исследование возможно большего количества представителей современных видов (Андреева, Обухов, 1999).

Ранние исследования нервной системы земноводных посвящены изучению структурной организации их головного мозга, перестройкам его отделов и слоев в ходе филогенеза позвоночных, формированию коры, дифференцировке клеточных структур и внутримозжечковых ядер, совершенствованию выполняемых функций (Сепп, 1949; Comparative neurology of the optic tectum, 1984; Ulinski, 1990; Butler, Hodos, 2005; Striedter, 2005). Исследования последних лет в области нейроморфологии центральной нервной системы земноводных связаны с изучением отличительных особенностей организации, нейрогенеза и пролиферативных зон взрослых амфибий (Обухов, Пущина, 2013; Обухов и др., 2015; Пущина и др., 2016; Chetverukhin, Polenov, 1993; Font et al., 2001). Практически единичны морфологические исследования ведущих отделов головного мозга (коры мозжечка, крыши среднего мозга) бесхвостых земноводных (Орлянская и др., 2006, 2008; Самосудова и др., 2007, 2011). Отдельное внимание уделено характеристике строения коры мозжечка и крыши среднего мозга некоторых видов бесхвостых амфибий c точки зрения их двигательной активности и эволюционных преобразований позвоночных животных (Ор- лянская, Самсонова, 2006; Крупкина, Орлян- ская, 2008).

Целью нашего исследования стало выявление особенностей морфологических характеристик клеточных популяций нейронов и глиоцитов головного мозга бесхвостых амфибий, обитающих на территории южной части Красноярского края, в зависимости от их видовой принадлежности.

Материалы и методы

Красноярский край занимает значительную территорию с различными климатическими зонами, но видовой состав батрахофауны очень бедный. Он представлен четырьмя видами бесхвостых амфибий, относящихся к семействам: Bufonidae - Жабы (Bufo bufo Linnaeus - серая (обыкновенная) жаба) и Ranidae - Лягушки (Rana arvalis Nilsson - остромордая лягушка, Pelophylax ridibundus Pallas - озерная лягушка, Rana amurensis Boulenger - сибирская лягушка) (Чупров, 2013; Баранов, Городилова, 2015). Исследования проведены на амфибиях, отловленных в мае-июне 2008-2010 гг. из следующих биотопов Красноярского края: B. bufo - пойма р. Канзыба, Курагинский район (n = 7, m = 48,6 ± 0,9 г); R. arvalis - пруд Егоровка, Абанский район (n = 10, m = 18,8 ± 1,9 г); P. ridibundus - пойма р. Берешь, Шарыповский район (n = 7, m = 38,4 ± 4,2 г); R. amurensis - оз. Кунгул, Иланский район (n = 8, m = 21,6 ± 0,9 г). Всего отловлено 32 амфибии.

Забор материала для исследования проводили в соответствии с соблюдением требований приказа Министерства здравоохранения и социального развития РФ от 23.08.2010 № 708н г. Москва «Об утверждении правил лабораторной практики». После извлечения из черепной коробки головной мозг был фиксирован согласно стандартной гистологической методике, затем на санном микротоме «Slide 2002» осуществляли изготовление серийных гистологических срезов толщиной 5-7 мкм (Орлянская и др., 2006). Срезы головного мозга окрашивали тиони- ном по Нисслю в модификации И.В. Викторова на выявление рибонуклеопротеидных комплексов (Викторов, 1969). Исследуемые структуры: VI слой крыши среднего мозга и слои коры мозжечка (молекулярный слой, слой грушевидных нейронов и зернистый слой) - высшие интегрирующие центры, обеспечивающие регуляцию и координацию движений амфибий. Крыша среднего мозга земноводных содержит поверхностную и центральную зоны, образованные приходящими афферентными волокнами и отростками клеток, и перивентрикуляр- ную зону, сформированную телами клеток. Бесхвостые земноводные имеют развитую зрительную систему, в крыше их среднего мозга описано 9 слоев (Андреева, Обухов, 1999). Эфферентным слоем крыши среднего мозга амфибий является VI слой, лежащий в перивентрикулярной зоне, нейроны которого аналогичны IV слою мозга этого отдела у костных рыб (Орлянская, Самсонова, 2006). У взрослых животных кора мозжечка в виде гладкого валика представлена тремя морфологически различающимися слоями: молекулярным, обращенным к крыше мозга, содержащим звездчатые нейроны и практически лишенным миелинизированных волокон; слоем грушевидных нейронов с крупными телами клеток Пуркинье; зернистым слоем с более светлым подслоем от входящего в него афферентного пучка, содержащим множество зернистых клеток (Андреева, Обухов, 1999).

Для проведения морфометрии срезы головного мозга фотографировали на микроскопе Olympus BX45 с насадкой для фото-, видеодокументации Olympus DP25 и пакетом компьютерного программного обеспечения CelKD (объектив »40). Для морфогистологического анализа использовали программы «NIS-Elements D» и «JMicroVision 1.2.7» (Жуков, Медведева, 2015). Изучены характеристики клеток: площадь тела - St, площадь ядра - Sя, площадь цитоплазмы - Sц и их производное - ЯЦК (ядерно-цитоплазматический коэффициент, отношение Sя / S^. В изучаемых слоях головного мозга амфибий проанализированы плотность нервных и глиальных клеток на единицу фиксированной площади (1 мм²). Глио-нейрональный индекс (ГНИ) рассчитывали как соотношение числа глиальных клеток к числу нервных клеток (№л / Nkr). Полученные данные обрабатывали, применяя непараметрический критерий Ньюмана-Кейлса в программе EXCEL STAT (Гланц, 1999). Статистически значимыми принимали значения при р < 0,05. Статистические данные представлены в виде Ме [25; 75], где 25 - первый квартиль, 75 - третий квартиль.

Результаты и обсуждение

Крыша среднего мозга - высший оптический центр. Уровень его развития и дифференцировка у амфибий связаны с эколого-функциональным значением органа зрения (Андреева, Обухов, 1999). В среднем мозге бесхвостых земноводных выделяют примитивное четверохолмие с большим анатомическим развитием у семейства Bufonidae. Прогрессивная морфофункциональная организация мозжечка обусловливает более совершенную моторику конечностей при перемещении амфибий на суше (ползание у представителей семейства Bufonidae). Также лучше развит средний мозг как высший центр их оптической системы.

Нервная ткань гетерогенна, что выражается в присутствии различных по морфологическим и функциональным свойствам крупных клеточных популяций нейронов и нейроглии, каждая из которых содержит клетки, различающиеся по форме и функциям. Среди изученных видов бесхвостых амфибий самые крупноклеточные популяции нейронов VI слоя крыши среднего мозга и слоев коры мозжечка встречаются у P. ridibundus (табл. 1). Площадь тела их клеток превышает аналогичные параметры нейронов других видов на 30 - 40 %. При этом наблюдается относительно высокая гетерогенность клеточных популяций в слоях головного мозга у данного вида, что свидетельствует о подключении адаптивных механизмов на клеточном уровне у амфибий, осваивающих новые территории обитания.

Наименьшая площадь тел нейронов во всех изученных слоях головного мозга наблюдается у R. arvalis. Их клеточные популяции имеют наименьшую гетерогенность, что свидетельствует об оптимальном функционировании без подключения компенсаторных механизмов. Можно предположить, что в среде обитания остромордой лягушки, фонового вида на территории южной части Красноярского края, отсутствуют жесткие факторы естественного отбора и повышенное антропогенное влияние. Параметры Sт клеток и диапазон разброса вариант данного показателя у B. bufo и R. amurensis имеют промежуточные значения среди изучаемых видов амфибий, что отражает их видоспецифичность (табл. 1).

У изученных видов бесхвостых амфибий нейроны VI слоя крыши среднего мозга, звездчатые нейроны молекулярного слоя и зернистые клетки зернистого слоя коры мозжечка имеют более высокие значения показателей Sя над Sц, что отражают величины структурного ЯЦК (значения 1,0 - 1,7). Эфферентные клетки Пуркинье слоя грушевидных нейронов коры мозжечка имеют значительный объем цитоплазмы, превышающий площадь ядра до 70 %. Значения структурного ЯЦК этих нейронов составили 0,8 - 0,9 (табл. 1).

Плотность нейронов изучаемых слоев мозга амфибий имела видоспецифические особенности. Наибольшие показатели плотности нервных клеток VI слоя крыши среднего мозга, звездчатых нейронов молекулярного слоя и зернистых клеток зернистого слоя коры мозжечка характерны для B. bufo, а наименьшие - для R. arvalis (табл. 1, рис. 1, 2). В слое грушевидных нейронов коры мозжечка плотность клеток Пуркинье была максимальна у R. amurensis, а минимальна - у B. bufo.

Важной отличительной морфологической особенностью нервной ткани является существенная гетерогенность ее клеточного состава. Нейроны, выполняющие специфические функции в центральной нервной системе, составляют небольшую часть, а глиальные клетки значительно преобладают над нервными и занимают весь объем между сосудами и нейронами (Васильев, Берестов, 2011).

Таблица 1. Морфологические показатели нейрон-глиальных популяций VI слоя крыши среднего мозга и коры мозжечка бесхвостых амфибий

Table 1. Morphological parameters of neuron-glial populations of layer VI in the midbrain roof and the cerebellum cortex of tailless amphibians