Введение

Внешний слой мозга млекопитающих.

Кора головного мозга, также известная как мозговая мантия, является внешним слоем нервной ткани головного мозга у людей и других млекопитающих. Она является крупнейшим центром нейронной интеграции в центральной нервной системе. Кора разделена на левую и правую части продольной щелью, которая отделяет два полушария мозга, соединенных под корой мозолистым телом. У большинства млекопитающих, за исключением мелких млекопитающих с небольшим мозгом, кора головного мозга имеет складчатую структуру, что обеспечивает большую площадь поверхности в ограниченном объеме черепа. Помимо минимизации объема мозга и черепа, кортикальные складки имеют решающее значение для мозговых цепей и их функциональной организации. Складка или гребень на коре называется гирусом (множественное число – гирусы), а борозда – сулькусом (множественное число – сулькусы). Эти поверхностные извилинности формируются в период внутриутробного развития и продолжают созревать после рождения в процессе гирификации. В человеческом мозге большая часть коры головного мозга не видна снаружи, а скрыта в сульках. Основные сульки и гирусы определяют разделение головного мозга на доли: лобную, теменную, затылочную и височную. К другим долям относятся лимбическая доля и островковая кора, часто называемая островковой долей. В коре головного мозга человека содержится от 14 до 16 миллиардов нейронов и она составляет 40% массы мозга. 90% коры головного мозга представлено шестислойным неокортексом, а остальные 10% – трех- или четырехслойным аллокортексом. Неокортекс подразделяется на различные области коры, известные во множественном числе как кортексы, и включает моторную кору и зрительную кору. Около двух третей кортикальной поверхности скрыто в сульках, а островковая кора полностью скрыта. Кора наиболее толстая на вершине гируса и наиболее тонкая на дне сулькуса.

Складки

Кора головного мозга свернута таким образом, что позволяет большой площади нейронной ткани поместиться в пределах нейрокраниума. При развертывании у человека кора каждого полушария имеет общую площадь поверхности около [вставить значение из оригинала]. Складки направлены внутрь от поверхности мозга и также присутствуют на медиальной поверхности каждого полушария в продольной щели. У большинства млекопитающих кора головного мозга извилиста, с выступами, известными как извилины (gyri), и бороздами, известными как борозды (sulci). У некоторых мелких млекопитающих, включая некоторых мелких грызунов, поверхность мозга гладкая, без извилин. Лимбическая доля – это край коры на медиальной стороне каждого полушария, который также часто включают в ее состав. Также выделяют три доли мозга: парацентральную долю, верхнюю теменную долю и нижнюю теменную долю.

Толщина

У видов млекопитающих более крупные мозги (в абсолютном выражении, а не только по отношению к размеру тела) обычно имеют более толстую кору. Магнитно-резонансная томография мозга (МРТ) позволяет измерить толщину коры головного мозга человека и соотнести её с другими показателями. Толщина различных областей коры варьируется, но в целом сенсорная кора тоньше моторной. Одно исследование выявило некоторую положительную связь между толщиной коры и интеллектом. Другое исследование показало, что соматосенсорная кора у пациентов, страдающих мигренью, толще, однако неясно, является ли это следствием приступов мигрени, их причиной, или же оба явления имеют общую причину. Последующее исследование, проведенное на большей группе пациентов, не выявило изменений в толщине коры головного мозга у больных мигренью. Генетическое нарушение развития коры головного мозга, при котором уменьшение извилин в определенных областях приводит к микрогирии – состоянию, характеризующемуся четырьмя слоями вместо шести – в некоторых случаях связано с дислексией.

Слои неокортекса

Неокортекс состоит из шести слоев, пронумерованных от I до VI, от наружного слоя I – расположенного вблизи pia mater (оболочки мозга), до внутреннего слоя VI – расположенного вблизи подлежащего белого вещества. Каждый кортикальный слой характеризуется определенным распределением различных нейронов и их связей с другими кортикальными и подкорковыми областями. Существуют прямые связи между различными областями коры и косвенные связи через таламус. Одним из наиболее четких примеров кортикальной организации является линия Геннари в первичной зрительной коре. Это полоса более светлой ткани, которую можно увидеть невооруженным глазом в бороздке калькарине затылочной доли. Линия Геннари состоит из аксонов, доставляющих зрительную информацию из таламуса в IV слой зрительной коры. Окрашивание поперечных срезов коры для визуализации расположения тел нейронов и внутрикорковых аксонных трактов позволило нейроанатомам в начале XX века составить детальное описание ламинарной структуры коры у различных видов. Работа Корбиняна Бродмана (1909) установила, что неокортекс млекопитающих последовательно разделен на шесть слоев.

I слой

Слой I — это молекулярный слой коры головного мозга, содержащий немногочисленные рассеянные нейроны, включая ГАМКергические нейроны, напоминающие розовый шиповник. Слой I состоит главным образом из расширений апикальных дендритных пучков пирамидальных нейронов и горизонтально ориентированных аксонов, а также глиальных клеток. В процессе развития в этом слое присутствуют клетки Кахаля-Рециуса и клетки гранулярного слоя подпиаль. Кроме того, здесь можно обнаружить некоторые звездчатые клетки с шипами. Входы в апикальные пучки, как считается, имеют решающее значение для механизмов обратной связи в коре головного мозга, участвующих в ассоциативном обучении и внимании. Ранее полагали, что вход в слой I поступает из самой коры, однако сейчас известно, что слой I по всей коре головного мозга получает значительный вклад от матричных или M-типа таламусных клеток (в отличие от клеток ядерного или C-типа, которые направляются в слой IV).

Второй слой

Второй слой, внешний гранулярный слой, содержит мелкие пирамидальные нейроны и многочисленные звездчатые нейроны.

Слой III

Слой III, внешний пирамидальный слой, содержит преимущественно пирамидальные нейроны малого и среднего размера, а также непирамидальные нейроны с вертикально ориентированными внутрикорковыми аксонами; слои I–III являются основной мишенью для интергемисферных кортикокортикальных афферентов, а слой III – главным источником кортикокортикальных эфферентов.

Слой IV

Слой IV, внутренний гранулярный слой, содержит различные типы звездчатых и пирамидальных клеток и является основной мишенью таламокортикальных афферентов от нейронов типа C (ядерного типа) таламуса. То есть нейроны слоя VI из одного кортикального столбика связываются с нейронами таламуса, которые обеспечивают вход в тот же кортикальный столбик. Эти связи носят как возбуждающий, так и тормозной характер. Нейроны посылают возбуждающие волокна к нейронам в таламусе, а также отправляют коллатерали в таламореткулярное ядро, которые ингибируют эти же нейроны таламуса или соседние с ними. Одна из теорий заключается в том, что поскольку тормозной выход уменьшается под воздействием холинергического влияния на кору головного мозга, это обеспечивает ствол мозга регулируемым "контролем усиления для ретрансляции лемнискальных сигналов". Предполагается, что миниколонки являются основными функциональными единицами коры. В 1957 году Вернон Маунткасл показал, что функциональные свойства коры резко меняются между латерально соседними точками, однако они непрерывны в направлении, перпендикулярном поверхности. Последующие исследования предоставили доказательства наличия функционально различных кортикальных колонн в зрительной коре (Хубель и Визель, 1959), слуховой коре и ассоциативной коре. Кортикальные области, в которых отсутствует слой IV, называются агранулярными. Кортикальные области, имеющие только рудиментарный слой IV, называются дисгранулярными. Обработка информации в каждом слое определяется различной временной динамикой: в слоях II/III наблюдаются медленные колебания с частотой 2 Гц, а в слое V – быстрые колебания с частотой 10–15 Гц.

Нейронная трубка

Кора головного мозга развивается из наиболее переднего отдела, области переднего мозга, нервной трубки. Нейронная пластинка складывается и смыкается, формируя нервную трубку. Из полости внутри нервной трубки развивается желудочковая система, а из нейроэпителиальных клеток ее стенок – нейроны и глия нервной системы. Наиболее передний (передний, или краниальный) отдел нейронной пластинки, просенцефалон, который заметен еще до начала нейруляции, дает начало полушариям головного мозга и впоследствии коре.

Развитие кортикальных нейронов

Кортикальные нейроны формируются в субвентрикулярной зоне, рядом с желудочками. Изначально эта зона содержит нейральные стволовые клетки, которые трансформируются в радиальные глиальные клетки – клетки-предшественники, которые делятся с образованием глиальных клеток и нейронов.

Радиальная глиа

Кора головного мозга состоит из гетерогенной популяции клеток, дающих начало различным типам клеток. Большинство этих клеток происходит от миграции радиальной глии, формирующей различные типы клеток неокортекса, и этот период связан с увеличением нейрогенеза. Аналогично, процесс нейрогенеза регулирует ламинацию, формируя различные слои коры. В ходе этого процесса происходит усиление ограничения клеточной судьбы: ранние прогениторные клетки дают начало любому типу клеток в коре, а более поздние прогениторы – только нейронам поверхностных слоев. Эта дифференциальная клеточная судьба создает топографию «изнутри наружу» в коре, с молодыми нейронами в поверхностных слоях и более зрелыми – в глубоких. Кроме того, ламинарные нейроны останавливаются в фазе S или G2, что обеспечивает четкое разграничение между различными слоями коры. Ламинарная дифференцировка не завершается до рождения, поскольку в процессе развития ламинарные нейроны остаются чувствительными к внешним сигналам и факторам окружающей среды. Хотя большинство клеток, составляющих кору, происходят локально из радиальной глии, существует подгруппа нейронов, мигрирующих из других областей. Радиальная глия дает начало пирамидальным нейронам, использующим глутамат в качестве нейротрансмиттера, однако эти мигрирующие клетки вносят вклад в формирование звездчатых нейронов, использующих ГАМК в качестве основного нейротрансмиттера. Эти ГАМКергические нейроны генерируются прогениторными клетками в медиальной ганглионарной эминенции (MGE), которые мигрируют тангенциально к коре через субвентрикулярную зону. Эта миграция ГАМКергических нейронов особенно важна, поскольку рецепторы ГАМК в период развития оказывают возбуждающее действие. Это возбуждение обусловлено в основном потоком ионов хлора через ГАМК-рецептор, однако у взрослых концентрация хлора изменяется, вызывая приток хлора внутрь клетки и гиперполяризацию постсинаптических нейронов. Глиальные волокна, образующиеся в результате первых делений прогениторных клеток, ориентированы радиально, охватывая толщу коры от желудочковой зоны до наружной, пиальной поверхности, и служат каркасом для миграции нейронов наружу из желудочковой зоны. При рождении на теле коркового нейрона присутствует очень мало дендритов, а аксон неразвит. В течение первого года жизни количество дендритов резко увеличивается, позволяя установить до ста тысяч синаптических связей с другими нейронами. Аксон может развиваться и удлиняться, отходя далеко от тела клетки.

Асимметричное деление

Первое деление клеток-предшественников симметрично, что удваивает общее количество клеток-предшественников в каждом митотическом цикле. Затем некоторые клетки-предшественники начинают делиться асимметрично, образуя одну постмитотическую клетку, которая мигрирует вдоль радиальных глиальных волокон, покидая желудочковую зону, и одну клетку-предшественника, которая продолжает делиться до конца развития, когда дифференцируется в глиальную или эпендимальную клетку. По мере удлинения G1-фазы митоза, что рассматривается как селективное удлинение клеточного цикла, новорожденные нейроны мигрируют в более поверхностные слои коры. Мигрирующие дочерние клетки становятся пирамидальными клетками коры головного мозга. Процесс развития происходит в определенной последовательности во времени и регулируется сотнями генов и эпигенетическими регуляторными механизмами.

Организация слоев

Слоистая структура зрелой коры головного мозга формируется в процессе развития. Первые сгенерированные пирамидальные нейроны, вместе с нейронами Кахаля-Рециуса, продуцирующими релинин, мигрируют из желудочковой и субвентрикулярной зон из препласты. Далее, группа нейронов, мигрирующих в середину препласты, разделяет этот временный слой на поверхностную краевую зону, которая станет первым слоем зрелого неокортекса, и подпластинку, формируя средний слой, называемый корковой пластинкой. Эти клетки формируют глубокие слои зрелой коры – пятый и шестой слои. Позднее рожденные нейроны мигрируют радиально в корковую пластинку, минуя нейроны глубоких слоев, и становятся верхними слоями (со второго по четвертый). Таким образом, слои коры формируются в порядке "изнутри наружу". Единственным исключением из этой последовательности нейрогенеза является первый слой приматов, в котором, в отличие от грызунов, нейрогенез продолжается на протяжении всего периода кортикогенеза.

Кортикальная структура

Карта функциональных корковых областей, включающая первичную двигательную и зрительную кору, происходит из "протокарты", которая регулируется молекулярными сигналами, такими как фактор роста фибробластов FGF8 на ранних стадиях эмбрионального развития. Эти сигналы регулируют размер, форму и положение кортикальных областей на поверхности кортикального примиордия, частично посредством регуляции градиентов экспрессии факторов транскрипции, в процессе, называемом кортикальным паттернингом. Примерами таких факторов транскрипции являются гены EMX2 и PAX6. Вместе оба фактора транскрипции формируют противоположный градиент экспрессии: Pax6 высоко экспрессируется в рострально-латеральном полюсе, а Emx2 – в каудомедиальном полюсе. Установление этого градиента важно для нормального развития. Например, мутации в Pax6 могут приводить к расширению уровней экспрессии Emx2 за пределы его нормальной области экспрессии, что в конечном итоге приведет к увеличению областей, обычно происходящих из каудомедиальной коры, таких как зрительная кора. И наоборот, мутации в Emx2 могут вызывать расширение домена экспрессии Pax6 и, как следствие, увеличение лобных и моторных корковых областей. Поэтому исследователи полагают, что подобные градиенты и сигнальные центры, расположенные рядом с корой, могут способствовать региональной экспрессии этих факторов транскрипции. В период коркового нейрогенеза и формирования слоев многие высшие млекопитающие начинают процесс гирификации, который создает характерные складки коры головного мозга. Гирификация регулируется ДНК-ассоциированным белком Trnp1, а также сигнализацией FGF и SHH.

Эволюция

Из всех областей мозга, кора головного мозга демонстрирует наибольшую эволюционную вариабельность и развилась наиболее недавно. Согласно этой теории, новые области коры формируются путем добавления новых радиальных единиц, что происходит на уровне стволовых клеток. Гипотеза протокарты утверждает, что клеточная и молекулярная идентичность и характеристики нейронов в каждой коревой области задаются корковыми стволовыми клетками, известными как радиальные глиальные клетки, в примордиальной карте. Эта карта контролируется секретируемыми сигнальными белками и последующими факторами транскрипции.

Связи

Кора головного мозга связана с различными подкорковыми структурами, такими как таламус и базальные ганглии, передавая им информацию по эфферентным связям и получая от них информацию по афферентным связям. Большая часть сенсорной информации поступает в кору головного мозга через таламус. Однако обонятельная информация проходит через обонятельную луковицу непосредственно в обонятельную кору (пириформную кору). Большинство связей осуществляется между различными областями коры, а не от подкорковых структур; Брайтенберг и Шуз (1998) утверждают, что в первичных сенсорных областях, на корковом уровне, где заканчиваются входящие волокна, до 20% синапсов формируется экстракортикальными афферентами, но в других областях и слоях этот процент, вероятно, значительно ниже.

Кортикальные области

В ранней работе Корбиняна Бродмана вся кора головного мозга была разделена на 52 различные области. Эти области, известные как области Бродмана, основаны на их цитоархитектоническом строении, но также связаны с различными функциями. Например, область Бродмана 17 является первичной зрительной корой. В более широком смысле кору обычно описывают как состоящую из трех основных частей: сенсорной, моторной и ассоциативной.

Сенсорные зоны

Сенсорные области — это области коры, которые получают и обрабатывают информацию от органов чувств. Части коры, получающие сенсорные входные сигналы от таламуса, называются первичными сенсорными областями. Зрение, слух и осязание обеспечиваются первичной зрительной корой, первичной слуховой корой и первичной соматосенсорной корой соответственно. В общем случае, оба полушария получают информацию от противоположной (контралатеральной) стороны тела. Например, правая первичная соматосенсорная кора получает информацию от левых конечностей, а правая зрительная кора — от левого зрительного поля. Организация сенсорных карт в коре отражает организацию соответствующего сенсорного органа, что известно как топографическая карта. Соседние точки в первичной зрительной коре, например, соответствуют соседним точкам в сетчатке. Эта топографическая карта называется ретинотопической картой. Аналогичным образом, в первичной слуховой коре существует тонотопическая карта, а в первичной соматосенсорной коре — соматотопическая карта. Последняя топографическая карта тела, проецирующаяся на заднюю центральную извилину, была изображена в виде деформированного человеческого представления, соматосенсорного гомункулуса, где размер различных частей тела отражает относительную плотность их иннервации. Области с высокой сенсорной иннервацией, такие как кончики пальцев и губы, требуют большей площади коры для обработки более тонких ощущений.

Области ассоциации

Области ассоциации – это части коры головного мозга, не относящиеся к первичным областям. Они обеспечивают формирование осмысленного восприятия мира, эффективное взаимодействие и поддерживают абстрактное мышление и язык. Теменная, височная и затылочная доли – все расположены в задней части коры – интегрируют сенсорную информацию и информацию, хранящуюся в памяти. Фронтальная доля, или префронтальный ассоциативный комплекс, участвует в планировании действий и движений, а также в абстрактном мышлении. В целом, области ассоциации организованы в виде распределённых сетей. Каждая сеть соединяет области, разнесённые на значительные расстояния в коре. Различные сети расположены рядом друг с другом, образуя сложную систему взаимосвязанных сетей. Конкретная организация ассоциативных сетей остаётся предметом дискуссий, существуют данные о взаимодействии, иерархических связях и конкуренции между сетями. У человека ассоциативные сети особенно важны для речевой функции. Ранее считалось, что языковые способности локализованы в области Брока – в областях нижней лобной извилины левого полушария, BA44 и BA45, отвечающих за экспрессию речи, и в области Вернике, BA22, отвечающей за восприятие речи. Однако, процессы экспрессии и восприятия речи происходят не только в структурах вокруг боковой борозды, но и в лобной доле, базальных ганглиях, мозжечке и мосту.

Клиническое значение

Нейродегенеративные заболевания, такие как болезнь Альцгеймера, проявляются в виде атрофии серого вещества коры головного мозга, являясь одним из маркеров. Другие заболевания центральной нервной системы включают неврологические расстройства, такие как эпилепсия, двигательные нарушения и различные типы афазии (нарушения речи, проявляющиеся в трудностях выражения или понимания). Повреждение мозга, вызванное заболеванием или травмой, может затрагивать определенную долю, например, при поражении лобной доли, что приводит к нарушению соответствующих функций. Гематоэнцефалический барьер, защищающий мозг от инфекций, может быть нарушен, позволяя патогенам проникать внутрь. Развивающийся плод восприимчив к различным факторам окружающей среды, способным вызвать врожденные дефекты и проблемы в последующем развитии. Например, употребление алкоголя матерью может привести к фетальному алкогольному синдрому. К факторам, вызывающим нарушения нейроразвития, также относятся токсины, такие как наркотические вещества, и воздействие радиации, например, рентгеновского излучения. Инфекции также могут влиять на развитие коры головного мозга. Вирусная инфекция является одной из причин лиссэнцефалии, характеризующейся гладкой корой без извилин. Кортикальная стимуляция – это инвазивный метод электрокортикографии, при котором электроды непосредственно помещаются на поверхность мозга для локализации функций определенных областей коры. Он используется в клинической практике и терапии, включая предоперационное картирование.

Гены, связанные с нарушениями коры

Существует ряд генетических мутаций, которые могут вызывать широкий спектр генетических расстройств коры головного мозга, включая микроцефалию, шизенцефалию и различные типы лиссэнцефалии. Хромосомные аномалии также могут приводить к развитию ряда нейроразвитийных расстройств, таких как синдром ломкой Х-хромосомы и синдром Ретта. Ген MCPH1 кодирует микроцефалин, а нарушения в генах MCPH1 и ASPM связаны с микроцефалией. Мутации в гене COL4A1 ассоциированы с шизенцефалией – состоянием, характеризующимся отсутствием значительных участков полушарий головного мозга.

История

В 1909 году Корбинян Бродманн выделил различные области неокортекса на основе цитоархитектурных различий и разделил кору головного мозга на 52 области. Рафаэль Лоренте де Но, ученик Сантьяго Рамона и Кахаля, идентифицировал более 40 различных типов корковых нейронов, основываясь на распределении их дендритов и аксонов. Птичий паллиум также был предложен в качестве эквивалентной нейронной основы сознания. До недавнего времени аналог коры головного мозга у беспозвоночных не был обнаружен. Однако исследование, опубликованное в журнале Cell в 2010 году и основанное на профилях экспрессии генов, показало сильное сходство между корой головного мозга и грибными телами червя платинореиса думерилли. Грибные тела – это структуры в мозге многих видов червей и членистоногих, известные своей важной ролью в обучении и памяти; генетические данные свидетельствуют об общем эволюционном происхождении, и, следовательно, указывают на то, что истоки самых ранних предшественников коры головного мозга уходят в докембрийский период.