Структура, функции и патология неокортекса / неврология

Содержание:

Нейроны фон Экономо — особый класс нервных клеток., впервые описанные чуть менее века назад, характеристики человека и человекообразных обезьян.

Они особенные из-за их особой веретенообразной структуры и потому, что они вовлечены в сложные когнитивные процессы, связанные с социализацией, эмпатией, интуицией или сложным принятием решений.

В этой статье мы объясняем, из чего состоят эти типы нейронов, где мы можем их найти, какова их структура и какие функции они выполняют, и что происходит, когда эти клетки развиваются ненормально.

Рекомендуем прочитать: (Типы нейронов: характеристики и функции)

Размер мозга

Мозг шимпанзе сверху, снизу — мозг человека

Мозг шимпанзе в среднем имеет объем 370 куб.см. С другой стороны, люди в среднем имеют размер мозга около 1350 куб. см. Однако, мозг и его размер сами по себе не является абсолютным показателем интеллекта. Некоторые лауреаты Нобелевской премии имели объем мозга ниже 900 куб. см., а некоторые — более 2000 куб. см. Структура и организация различных частей мозга является лучшим способом определения интеллекта. Человеческий мозг имеет большую площадь поверхности, поэтому он имеет гораздо больше извилин, чем мозг шимпанзе, а значит, мозг человека имеет большее количество связей между частями мозга. А также относительно большая лобная доля позволяет нам иметь гораздо более развитое абстрактное и логическое мышление.

Функции

Исследования показывают, что лобная кора островка и передняя поясная извилина, области мозга, в которых расположено большее количество веретенообразных нейронов, участвуют в социальных рассуждениях, сочувствии, эмоциях и мониторинге висцеральной вегетативной активности, Среди других функций.

Кора переднего отдела поясной извилины имеет выступы в сторону лобно-полярной коры, что связано с процессами когнитивного диссонанса и неопределенности. Учитывая морфологию клеток Фон Экономо, они были описаны как нейроны с быстрой проекцией, и из-за функций областей, из которых они, как предполагается, получают и проецируют информацию, считается, что они будут играть важную роль в интуиции. быстрое принятие решений и разрешение процессов когнитивного диссонанса.

Нейроны веретена помогают направлять нейронные сигналы из глубоких областей коры в относительно удаленные части мозга. Было обнаружено, что сигналы от передней поясной коры принимаются в области 10 Бродмана, в лобно-полярной коре, где, как предполагается, происходит регуляция когнитивного диссонанса и устранение неоднозначности между альтернативами.

С другой стороны, у людей сильные эмоции активируют переднюю поясную кору, поскольку она передает нейронные сигналы, поступающие от миндалины, основного центра обработки эмоций, во фронтальную кору. Передняя поясная извилина кора также активна при выполнении сложных задач, требующих суждения и различения, а также при обнаружении ошибок.

Передняя поясная извилина кора также участвует в вегетативных функциях, включая пищеварительную и моторную функции., а также играет роль в регулировании артериального давления и частоты сердечных сокращений.

Значительные обонятельные и вкусовые способности поясной коры и лобной островной коры, по-видимому, исчезли в процессе эволюции, чтобы теперь выполнять расширенные функции, связанные с более высоким познанием, начиная от планирования и самосознания до ролевых игр и обмана.

Следует также отметить, что снижение обонятельной функции человека по сравнению с другими приматами может быть связано с тем фактом, что клетки веретена, расположенные в ключевых нейрональных центрах, имеют только два дендрита вместо многих, что приводит к снижению нейронной интеграции.

Мозг млекопитающего

Отвечает за эмоции и контакты с собратьями. Способен сохранять старые шаблоны поведения и создавать новые, регулировать взаимодействие с членами стаи. Благодаря ему кошки, собаки и другие млекопитающие хорошо обучаются, выстраивают и соблюдают иерархию, вместе охотятся, коллективно защищаются от угрозы.

В какие моменты у человека «включается» мозг млекопитающего? Когда он чувствует интерес к новому делу, радость от встречи с другом или желание позаботиться о слабом.

Мозг млекопитающего стимулирует к борьбе за первенство, позволяет вместе с другом перенести тяжелый шкаф, распознавать ритм и интонации чужой речи, частично определяет биологические стандарты красоты представителей противоположного пола. И он же мешает формировать новые привычки, потому что не любит выходить из зоны комфорта.

Отличия от старой коры

Старая кора (архикортекс) является более ранним появившимся участком коры головного мозга, чем неокортекс. Но в процессе эволюции новая кора стала более развитой и обширной. В связи с этим архикортекс перестал играть главенствующую роль и стал одной из составных частей лимбической системы.

Если сравнивать старую и по выполняемым функциям, то первой отведена роль исполнения врожденных рефлексов и мотивации, а второй – управления эмоциями и действиями на более высоком уровне.

Кроме того по неокортекс значительно превышает по размеру старую кору. Так первая занимает порядка 96% процентов от общей поверхности полушарий, а размер второй – не более 3%. Такое соотношение, показывает, что в архикортексе не может выполнять высшие нервные функции.

Функции неокортекса

Основными функциями неокортекса являются:

— Сенсорное восприятие: в неокортексе есть области, которые обрабатывают и интерпретируют информацию, поступающую от наших органов чувств.

— Генерация моторных команд: Благодаря этой структуре мозга мы можем делать последовательности движений, которые мы даже не замечаем. В этой области, например, запланированы все модели двигателя, необходимые для ходьбы, записи или игры на инструменте..

— Пространственные рассуждения: есть области неокортекса, вовлеченные в понимание пространства и действующие по отношению к нему. Он также служит для руководства и определения местоположения элементов.

— язык: Это уникальная человеческая способность, которая отличает нас от остальных животных. Существуют области неокортекса, которые предрасполагают нас к тому, чтобы выучить звуки языка от маленьких и производить их. А также связывание определенных групп звуков или письменных символов со значением.

— Так называемые исполнительные функции такие как рассуждение, принятие решений, самоконтроль, концентрация, саморефлексия, решение проблем и т. д. То есть способность знать, как вести себя в каждый момент и выполнять серию поведений для достижения цели.

— Обучение, память и сон: было доказано, что неокортекс также необходим для хранения знаний.

Фактически, определенные части неокортекса, по-видимому, являются местом семантической памяти, которая связана с общими знаниями о мире. Например, то, что мы учим в школе, например, Париж является столицей Франции.

То же самое происходит с автобиографической памятью, которая связана с важными событиями нашей личной жизни..

Информация о типе инструмента также сохраняется, то есть такая, которая включает автоматическое поведение, такое как вождение или езда на велосипеде..

С другой стороны, некоторые нейроны неокортекса также активируются во время сна. Кажется, что неокортекс взаимодействует с гиппокампом во время сна, помогая закрепить и исправить то, что мы узнали во время бодрствования.

Зачем нам большой мозг?

Драматическое различие между размером мозга человека и нашего ближайшего живого родственника шимпанзе можно проследить вплоть до того момента, когда сапиенсы отделились от общего с шимпанзе и другими человекообразными обезьянами предка. Результаты исследования, недавно опубликованного в журнале Cell показывают, как именно в процессе своего развития человеческий мозг становился таким большим.

Ученые из Лаборатории молекулярной биологии Кембриджского университета собрали нейроны гориллы, шимпанзе и человека и перепрограммировали их таким образом, чтобы они напоминали клетки эмбрионов, то есть индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (иПКС). Эти стволовые клетки позже были выращены в органоиды мозга, которые по сути представляют собой крошечные развивающиеся мозги.

В возрасте пяти недель органоиды человеческого мозга (слева) намного больше, чем у гориллы (вверху справа) и шимпанзе (внизу справа).

Как пишут авторы научной работы, за два дня им стало ясно, что органоиды человеческого мозга выросли намного больше, чем у других обезьян – к пяти неделям органоиды мозга Homo Sapiens были примерно в два раза больше, а их размер в поперечнике достигал около четырех миллиметров.

Самое поразительное, однако, заключается в том, что ученым удалось обнаружить ранее неизвестный науке молекулярный переключатель – основным элементом которого является ген под названием ZEB2. Именно он контролирует рост мозга, активируясь на более поздней стадии, чем во время аналогичных процессов в мозге приматов. Это позволяет нейронам в мозге человека активнее делиться до наступления зрелого возраста и, вероятно, делает нас теми, кто мы есть.

Самое главное различие между нами и другими обезьянами заключается в том, насколько невероятно велик наш мозг.

Чтобы убедиться, что действительно ZEB2 ответственен за рост мозга, исследователи в ходе экспериментов попытались искусственно задержать активацию гена ZEB2 в клетках мозговой ткани гориллы и ускорить ее в человеческих нейронах. В результате мозговая ткань горилл разрослась больше, чем обычно, а человеческая ткань, наоборот, росла медленнее. Ученые отмечают, что относительно простое эволюционное изменение формы клеток может иметь серьезные последствия в эволюции мозга.

Роль неокортекса в эмоциях и стереогинезе

Эмоции у человека изначально появляются в лимбической системе головного мозга. Но в этом случае они представлены примитивными понятиями, которые попадая в новую кору, обрабатываются при помощи ассоциативной функции. Вследствие этого человек может оперировать эмоциями на более высоком уровне, что дает возможность ввести такие понятия как радость, печаль, любовь, гнев и др.

Также неокортекс имеет возможность гасить сильные всплески эмоций в лимбической системе, благодаря посылу успокаивающих сигналов в области с высоким возбуждением нейронов. Это приводит к тому, что у человека главенствующую роль в поведении играет разум, а не инстинктивные рефлексы.

Неокортекс, или Новая кора

Когда вы учитесь в школе или институте, мечтаете о прекрасном принце или планируете сменить работу, сплетничаете с соседкой или читаете доклад с трибуны, это работает неокортекс. Мы обязаны ему всеми научными открытиями и достижениями цивилизации. Но он же порой приводит нас на прием к психологу, потому что любит все усложнять и придумывать пугающие истории.

Новая кора отвечает за переработку информации: синтез, анализ, обобщение, планирование, рассуждение. Умеет смотреть на происходящее с позиции наблюдателя. Позволяет фантазировать, мечтать о будущем, формировать в сознании сложные образы, общаться при помощи речи.

Фото: pixabay.com

Анатомия

Неокортекс является наиболее развитым по своей организации и количеству слоев среди тканей головного мозга. Неокортекс состоит из серого вещества или тел нейронов и немиелинизированных волокон, окружающих более глубокое белое вещество ( миелинизированные аксоны ) в головном мозге . Однако это очень тонкий слой, толщиной около 2–4 мм. В неокортексе есть два типа коры: произокортекс и истинная изокортекс. Произокортекс — это переходная область между истинной изокортексом и периаллокортексом (частью аллокортекса ). Он находится в поясной коре головного мозга (часть лимбической системы ), в областях Бродмана , , и , островке и парагиппокампальной извилине .

Геометрия

Неокортекс гладкий у грызунов и других мелких млекопитающих, тогда как у приматов и других крупных млекопитающих он имеет глубокие бороздки ( борозды ) и гребни ( извилины ). Эти складки позволяют значительно увеличить площадь поверхности неокортекса. Все человеческие мозги имеют одинаковый общий образец главных извилин и бороздок, хотя в деталях они различаются от одного человека к другому. Механизм образования извилин во время эмбриогенеза не совсем ясен, и существует несколько конкурирующих гипотез, объясняющих гирификацию, например, напряжение аксонов, коробление коры или различия в скорости клеточной пролиферации в разных областях коры.

Слои

Неокортекс содержит возбуждающие (~ 80%) и тормозные (~ 20%) нейроны , названные в честь их влияния на другие нейроны. Структура неокортекса относительно однородна (отсюда и альтернативные названия «изо-» и «гомотипическая» кора), состоящая из шести горизонтальных слоев, разделенных главным образом по типу клеток и нейронным связям. Однако есть много исключений из этого единообразия; например, слой IV мал или отсутствует в первичной моторной коре . Внутри коры есть некоторая каноническая схема; например, пирамидные нейроны в верхних слоях II и III проецируют свои аксоны в другие области неокортекса, тогда как нейроны в более глубоких слоях V и VI часто выступают из коры, например, в таламус , ствол мозга и спинной мозг . Нейроны в слое IV получают большинство синаптических связей извне коры (в основном из таламуса) и сами создают короткие локальные связи с другими корковыми слоями. Таким образом, уровень IV является основным получателем поступающей сенсорной информации и распределяет ее по другим уровням для дальнейшей обработки.

Кортикальные столбики

Неокортекс часто описывают как расположенный в вертикальных структурах, называемых кортикальными столбиками , участками неокортекса диаметром примерно 0,5 мм (и глубиной 2 мм, т. Е. Охватывающими все шесть слоев). Эти столбцы часто считаются основными повторяющимися функциональными единицами неокортекса, но их многочисленные определения с точки зрения анатомии, размера или функции, как правило, не согласуются друг с другом, что приводит к отсутствию консенсуса относительно их структуры или функции. или даже имеет ли смысл попытаться понять неокортекс с точки зрения столбцов.

Эволюция

Неокортекс — это новая эволюционирующая часть коры головного мозга (отсюда и приставка neo, означающая новый); другая часть коры головного мозга — это аллокортекс . Клеточная организация аллокортекса отличается от шестислойного неокортекса. У людей 90% коры головного мозга и 76% всего головного мозга составляют неокортекс.

Чтобы у вида развился более крупный неокортекс, мозг должен развиваться в размерах, чтобы он стал достаточно большим, чтобы поддерживать эту область. Размер тела, базальная скорость метаболизма и история жизни являются факторами, влияющими на эволюцию мозга и коэволюцию размера неокортекса и размера группы. Неокортекс увеличился в размерах в ответ на давление с целью более тесного сотрудничества и конкуренции со стороны ранних предков. С увеличением размера увеличился добровольный тормозящий контроль над социальным поведением, что привело к усилению социальной гармонии.

Шестислойная кора головного мозга, по-видимому, является отличительной чертой млекопитающих; он был обнаружен в мозге всех млекопитающих, но не у других животных. Существуют некоторая дискуссия, однако, как к перекрестным видам номенклатуры для неокортекса . У птиц , например, есть четкие примеры когнитивных процессов, которые считаются неокортикальными по своей природе, несмотря на отсутствие отличительной шестислойной неокортикальной структуры. Точно так же у рептилий , таких как черепахи , есть первичная сенсорная кора. Последовательное альтернативное название еще не согласовано.

Нейроны фон Экономо: определение, расположение и развитие

Константин Фон Экономо, первооткрыватель веретенообразных нейронов.

Нейроны фон Экономо, также известные как нейроны веретена, названы в честь австрийского психиатра и невролога. Константин Ф. фон Экономо, который в 1926 г. дал подробное описание морфологии и коркового распределения этого типа нейронов.

Фон Экономо был также первым ученым, показавшим, что эти веретеновидные клетки представляют собой специализированные нейроны, которые расположены в основном в Vb-слое передней поясной коры и лобной островковой коры.

Нейроны веретена, в отличие от большинства типов нервных клеток, присутствуют у человекообразных обезьян. (гориллы, шимпанзе, бонобо и орангутаны) и у людей, но отсутствуют у других типов приматов.

Нейроны фон Экономо развиваются поздно, как онтогенетически, так и филогенетически. Эти клетки появляются впервые на 35 неделе беременности; при рождении присутствует только около 15% постнатальных чисел, а к четырем годам уже присутствует число взрослых.

Согласно исследованиям, веретенообразные клетки появились примерно 15 миллионов лет назад, до эволюционного расхождения орангутанов и гоминидов. Его открытие у некоторых китов предполагает, что могла произойти вторая независимая эволюция нейронов этого типа.

Наблюдение за тем, что клетки Фон Экономо встречаются у очень значительной группы животных, привело к предположению, что они имеют большое значение в эволюции человека и функциях мозга.

Тот факт, что эти нейроны были обнаружены у других видов (например, у китов), предполагает, что они могли быть обязательной нейронной адаптацией в большом мозгу, позволяющей быстро обрабатывать и передавать информацию по очень специфическим проекциям, и что эволюционировало в связи с возникающими социальными формами поведения. .

Теория Триединого Мозга

Концепция неокортекса также была расширена благодаря знаменитой теории триединого мозга Пола Маклина, разработанной в 50-х годах..

Эта модель пыталась объяснить структуру человеческого мозга, связанную с эволюционной историей вида. Таким образом, Маклин защищал существование трех типов мозга: рептильный мозг, лимбический и неокортекс.

Первый — самый старый и регулирует самые основные жизненные функции организма, такие как температура, частота сердечных сокращений или баланс. У людей он охватывает ствол мозга и мозжечок.

Лимбика связана с млекопитающими и связана с памятью и эмоциями. У людей это такие структуры, как гиппокамп, миндалина и гипоталамус..

В то время как неокортекс начал развиваться у приматов и достиг своего максимального развития у человека.

Он включает в себя два полушария головного мозга, которым мы обязаны появлением языка, абстрактного мышления, воображения, самоконтроля и т. Д. То есть высшие когнитивные функции.

Эта структура является гибкой и имеет практически бесконечные навыки обучения и адаптации.

Эти три области мозга не действуют независимо, а работают вместе для достижения целей. Наблюдаются бесчисленные связи между ними, влияющие друг на друга.

Например, существуют важные связи между лимбической системой и неокортексом. Таким образом, под действием неокортекса мы можем контролировать свои эмоции и адаптировать их к каждому контексту..

Слои неокортекса

Неокортекс имеет практически однородную структуру, поэтому его также называют «изоортекс». Он состоит из 6 горизонтальных слоев нервных клеток, пронумерованных от I до VI. Первый самый новый, а шестой самый старый.

Они организованы в соответствии с филогенетической точки зрения, то есть каждый из них возникает в разные моменты эволюции. Таким образом, поскольку вид продвинулся, новые слои были развиты.

Эти слои содержат как возбуждающие (приблизительно 80%), так и тормозные (20%) нейроны. Первые активируют другие нейроны, а вторые блокируют их.

В основном слои состоят из «ячеек типа» или «плотных ячеек» и связей между ними. Слои дифференцированы по типам нервных клеток, которые преобладают, их расположение и связи.

Слой IV меньше и находится в первичной моторной коре. Это основной рецептор сенсорной информации. Впоследствии он передает эту информацию на другие уровни, чтобы ее можно было обрабатывать и интерпретировать..

Таким образом, этот слой получает большую часть синаптических связей подкорковых структур, таких как таламус. Это потому, что таламус связан с различными органами чувств, такими как ухо или глаза.

Слои II и III посылают проекции в основном в другие части неокортекса. В то время как слои V и VI обычно передают информацию за пределы коры, такую как таламус, ствол мозга или спинной мозг.

Клиническое значение

Поражения, которые развиваются при нейродегенеративных расстройствах , таких как болезнь Альцгеймера , прерывают передачу информации от сенсорного неокортекса к префронтальному неокортексу. Это нарушение сенсорной информации способствует прогрессирующим симптомам, наблюдаемым при нейродегенеративных расстройствах, таких как изменения личности, снижение когнитивных способностей и деменция . Повреждение неокортекса переднебоковой височной доли приводит к семантическому слабоумию , то есть потере памяти фактической информации ( семантических воспоминаний ). Эти симптомы также могут быть воспроизведены с помощью транскраниальной магнитной стимуляции этой области. Если эта область повреждена, у пациентов не развивается антероградная амнезия, и они могут вспомнить эпизодическую информацию .

Структура

Фон Экономо описал эти типы клеток как нейроны, показывающие форму веретена и необычную длину., ориентированная перпендикулярно пиальной поверхности коры, с большим апикальным аксоном и единственным базальным дендритом, ширина которого практически равна ширине его сомы.

Их большой апикальный аксон и большая удлиненная сома подобны таковым у кортикального пирамидного нейрона, но нейроны Фон Экономо лишены многочисленных базальных дендритов, которые есть у пирамидных клеток, и вместо этого получают входные данные от относительно небольшого подмножества коры; кроме того, нейроны веретена примерно в пять раз больше пирамидных нейронов в слое V (в среднем).

Их структурное сходство с пирамидными нейронами предполагает, что эти нейроны могут выполнять аналогичные функции, и поскольку скорость, с которой нейроны передают информацию, часто зависит от диаметра их аксонов, большие нейроны Фон Экономо могут делать это очень быстро по сравнению с другими нейронами. .

Однако нейроны Фон Экономо относительно редки в такой области, как передняя поясная извилина коры, составляя только 1-2% всех нейронов в этой области мозга.

В лобной части коры островка в правом полушарии этих типов нейронов на 30% больше, чем в левом.; процесс полушарной дифференциации, который происходит в первые четыре года постнатального развития у человека.

Общие сведения

Неокортекс (новая кора, изокортекс или лат. neocortex) представляет собой области коры головного мозга, занимающие порядка 96% поверхности полушарий и имеющие толщину 1.5 – 4 мм, которые отвечают за восприятие окружающего мира, моторику, мышление и речь.

Новая кора состоит из трех основных типов нейронов – пирамидальных, звездчатых и веретенообразных. Первые, наиболее многочисленная группа, которая составляет порядка 70-80 % от всего количества в мозгу. Доля звездчатых нейронов находится на уровне 15-25 %, а веретенообразных – порядка 5 %.

По своей структуре неокортекс практически однороден и состоит из 6 горизонтальных слоев и вертикальных колонок кортекса. Слои новой коры имеют следующее строение:

Молекулярный, состоящий из волокон и небольшого числа мелких звездчатых нейронов. Волокна образуют тангенциальное сплетение.
Наружный зернистый, образованный мелкими нейронами разнообразной формы, которые связаны с молекулярным слоем по все площади. В самом конце слоя располагаются небольшие пирамидальные клетки.
Наружный пирамидальный, состоящий из малых, средних и больших пирамидальных нейронов. Отростки этих клеток могут быть связаны как с 1 слоем, так и с белым веществом.
Внутренний зернистый, который состоит в основном из звездчатых клеток. Данный слой характеризуется не плотным расположением в нем нейронов.
Внутренний пирамидальный, образованный средними и большими пирамидальными клетками, отростки которых связаны со всеми другими слоями.
Полиморфный, основу которого составляют веретенообразные нейроны, связанные отростками с 5 слоем и белым веществом.

Кроме того новая кора делиться по областям, которые в свою очередь подразделяются на поля Бродмана. Выделяют следующие области:

Затылочная (17,18 и 19 поля).
Верхняя теменная (5 и 7).
Нижняя теменная (39 и 40).
Постцентральная (1, 2, 3 и 43).
Предцентральная (4 и 6).
Лобная (5, 9, 10, 11, 12, 32, 44, 45, 46 и 47).
Височная (20, 21, 22, 37, 41 и 42).
Лимбическая (23, 24, 25 и31).
Островковая (13 и 14).

Колонки кортекса представляют собой группу нейронов, которые располагаются перпендикулярно коре головного мозга. В пределах небольшой колонки, все клетки выполняют одинаковую задачу. Но гиперколонка, состоящая из 50-100 миниколонок, может иметь как одну, так и множество функций.

Люди и обезьяны

В последующие десятилетия ученые смогли сравнить все эти геномы. И оказалось, что они отличаются, на самом деле, на 4%! Это большее число. Но оно менее значимо, чем Вы думаете. Просто у людей есть несколько копий некоторых генов, положения некоторых генов различны, и некоторые некодирующие области у нас тоже отличаются. Проще говоря, строительные блоки шимпанзе и человека отличаются всего лишь на тот же самый 1%. И именно поэтому некоторые люди находят странным, что люди так радикально отличаются от шимпанзе, когда речь идет о когнитивных способностях.

Стоит отметить, что некодирующие области ДНК до недавнего времени назывались «мусорной ДНК». И наука до сих пор не до конца понимает все ее функции.

Также стоит упомянуть, что бонобо и шимпанзе ближе друг к другу, чем к людям. Потому что они разошлись на эволюционных ветках совсем относительно недавно – около 2 миллионов лет назад. Их когнитивные способности тоже различаются. Но незначительно.

В одном из интересных исследований, опубликованных в 2020 году, подтверждается, что последовательности, кодирующие белок, идентичны у шимпанзе и человека на 99,1%. И это большое число. Например крысы и мыши генетически больше отличаются друг от друга, чем шимпанзе и люди. Однако крысы и мыши выглядят и ведут себя почти одинаково. По крайней мере для случайного наблюдателя. С другой стороны – шимпанзе едва могут пользоваться палками. В то время как люди создали космические телескопы, которые могут открывать древние галактики, находящиеся за миллиарды световых лет от нас. Шимпанзе строят гнезда и спят на деревьях. А люди могут строить космические станции и жить на них! И даже побывали на Луне!