Исследование процесса старения человека в настоящее время является одной из востребованных задач последних десятилетий. Возрастные изменения включают в себя сложные многоуровневые процессы, затрагивающие весь организм человека, а не только отдельные системы органов, среди которых первое место по своей значимости занимает нервная система, а именно мозг человека. Сегодня в силу сложившийся экономической модели современного общества изучением процесса старения мужчин и женщин занимаются не только медицинские дисциплины, активно проводятся исследования в области психологии, экономики, социологии и маркетинга, поскольку для разных возрастных периодов жизни людей характерны определенные психологические особенности и их изменения. Однако на первом месте стоят физиологические и морфологические особенности организма человека в различном возрасте, раскрыть фундаментальные основы которых помогают исследования в области нейроморфологии.
Известно, что в процессе старения происходят физиологические и морфологические изменения всех органов человека, в отношении объекта нашего исследования – мозга человека принципиально новые факты получены благодаря развитию современных методов исследования мозга [1–5]. Методами магнитно-резонансной томографии изучено изменение объёма мозга, отдельных структур и регионов коры полушарий мозга, как при нормальном, так и при патологическом старении, связанном с различными атрофическими процессами. Таким образом, прижизненно показано, что с возрастом происходит уменьшение объёма мозга и его линейных показателей. Эти изменения происходят неравномерно в процессе старения, начинаясь уже после 30 лет, в среднем снижение объема мозга составляет 2,5 % в течении каждого десятилетия жизни [6–8].
С возрастом в организме человека меняется не только размер, объём и вес органов, происходят качественные изменения клеток, составляющих ткани тела человека. Непосредственно в мозге уменьшается не только количество нейронов, происходит перестройка глио-нейрональных соотношений, при которых количество нейронов в старости снижается, а количество глиальных клеток, принимающих участие в различных компенсаторных процессах, наоборот, увеличивается [9–12].
Возрастные изменения объема и морфометрических характеристик мозга и его отдельных структур рассматриваются во многих работах, но в подобных исследованиях редко изучают отдельные цитоархитектонические структуры коры мозга, и ещё реже при исследовании возрастных изменений цитоархитектоники отдельных полей проводят сравнительное сопоставление темпов изменений у мужчин и женщин. Из литературных данных известно, что возрастные изменения в корковых и подкорковых структурах мозга мужчин и женщин происходят неравномерно, к сожалению, среди множества работ изучающих старение мозга отсутствуют исследования, посвященные изучению возрастных изменений цитоархитектоники коры поля 7 верхней теменной области в гендерном аспекте, поэтому целью нашей работы стало изучение возрастных изменений цитоархитектонических характеристик поля 7 коры верхней теменной области мозга мужчин и женщин.
Цитоархитектоническое поле 7 коры верхней теменной области мозга человека располагается на стыке постцентральной и затылочной областей и принимает участие во вторичной обработке зрительной и двигательной информации, то есть верхняя теменная область участвует в интегративной деятельности мозга, влияя на структуры, анализирующие когнитивную информацию без прямого анализа внешних стимулов, за восприятие которых отвечают первичные и вторичные сенсорные поля коры мозга. К важным функциям верхней теменной области относят процессы переключения и поддержания внимания, участие в восприятии пространства, причем здесь отмечаются различия между мужчинами и женщинами. Кроме того, верхняя теменная область, в состав которой входит цитоархитектоническое поле 7, участвует в фиксации зрительного образа, контроле движений и слежении за движениями рук [13, 14], отмечается её участие во вторичной переработке зрительной информации и восстановлении из памяти зрительных образов [15].
Материалы и методы исследования
Изучение коры поля 7 мозга мужчин и женщин проведено на непрерывной серии фронтальных парафиновых срезов левых и правых полушарий мозга 15 мужчин и 15 женщин трех возрастных групп: I группа – зрелый возраст (мужчины – 28,0 ± 5,1 лет, женщины – 25,8 ± 6,1 лет); II группа – пожилой возраст (мужчины – 66,2 ± 5,4 лет, женщины – 67,2 ± 4,8 лет); III группа – старческий возраст (мужчины – 86,0 ± 2,3 лет, женщины – 83,2 ± 2,9 года). Окраска препаратов выполнена по методу Ниссля. Толщина срезов составляла 20 мкм. Во всех случаях изучался мозг мужчин и женщин, умерших от несчастного случая или соматической патологии и не страдавших при жизни психическими и неврологическими заболеваниями.
На каждом 40-м срезе выделялся участок коры поля 7 в центре медиальной поверхности верхней теменной области в соответствии с цитоархитектонической характеристикой данного поля.
Изучены следующие морфометрические показатели в слоях III3 и V коры поля 7: площадь профильного поля пирамидных нейронов, плотность пирамидных нейронов, плотность пирамидных нейронов, окруженных сателлитной глией, плотность сателлитной глии и плотность общей глии. Данные плотности приведены на 0,001 мм3 с учетом поправки Абберкромби.
Исследование выполнено на комплексе электронно-оптического анализа изображений «ДиаМорф» (об. х100, ок. х10). Измерению и учету подлежали только сохранные нейроны с ядром и ядрышком.
Статистическая обработка данных выполнена в программе Statistica 12. Отличия изученных показателей определялись с использованием U-критерия Манна – Уитни и считались достоверными при уровне значимости р ≤ 0,05.
Результаты исследования и их обсуждение
В результате проведенного исследования морфометрических признаков коры цитоархитектонического поля 7 коры верхней теменной области мозга мужчин и женщин мы выявили следующее: статистически достоверное уменьшение значения профильного поля пирамидных нейронов в слое III коры поля 7 у мужчин наблюдается только в старческой группе, а у женщин аналогичные изменения начинаются уже в пожилой группе. Однако для слоя V характерна диаметрально противоположная тенденция – у женщин статистически значимое снижение значения профильного поля выявлено только в старческой группе, а у мужчин – уже в пожилой (рис. 1).
* – отличия от предыдущей возрастной группы статистически значимы, р ≤ 0,005
М – мужчины
Ж – женщины
зрел – группа зрелого возраста
пож – группа пожилого возраста
стар – группа старческого возраста
Рис. 1. Площадь профильного поля пирамидных нейронов в слоях III и V коры поля 7 мозга мужчин и женщин (мкм2)
Важно отметить описанные нами ранее [16, 17] морфометрические различия коры поля 7, где при сравнении значения профильного поля пирамидных нейронов слоя III мы выявили более выраженную межполушарную асимметрию и большее значение данного показателя в мозге мужчин по сравнению с мозгом женщин, причем такая тенденция сохраняется во всех изученных возрастных группах. Однако для слоя V таких различий нами не обнаружено, что может быть связано с функциональной значимостью III и V слоя или особенностями их кровоснабжения.
Изучив значение показателей плотности нейронов и глиальных клеток, мы выявили достоверное снижение плотности пирамидных нейронов в старческом возрасте как в III, так и в V слое коры поля 7 в среднем на 23 % у мужчин и на 26 % у женщин. Однако имеются некоторые принципиальные особенности – у мужчин уменьшение плотности нейронов происходит плавно, а у женщин – резкое снижение значения плотности происходит сразу в пожилом возрасте и далее, в старческом возрасте, значение данного показателя практически не изменялось (рис. 2).
* – отличия от предыдущей возрастной группы статистически значимы, р ≤ 0,005
М – мужчины
Ж – женщины
зрел – группа зрелого возраста
пож – группа пожилого возраста
стар – группа старческого возраста
Рис. 2. Плотность пирамидных нейронов в слоях III и V коры поля 7 мозга мужчин и женщин (в 0,001 мм3)
Изучая возрастные изменения значения плотности нейронов, окруженных сателлитной глией коры поля 7 у мужчин и женщин, мы выявили её плавное уменьшение в двух изученных цитоархитектонических слоях коры поля 7 [9, 17], а вот сравнив между собой изменение их плотности в слоях III и V в левом и правом полушарии у мужчин и женщин, мы обнаружили, что в слое III наибольшие изменения произошли в правом полушарии мозга женщин, а в слое V, наоборот, в левом полушарии. У мужчин в слое V коры поля 7 отмечается большее снижение значения показателя плотности нейронов, окруженных сателлитной глией по сравнению со слоем V коры поля 7 мозга женщин (рис. 3).
* – отличия от предыдущей возрастной группы статистически значимы, р ≤ 0,005
М – мужчины
Ж – женщины
зрел – группа зрелого возраста
пож – группа пожилого возраста
стар – группа старческого возраста
Рис. 3. Плотность нейронов, окруженных сателлитной глией, в слоях III и V коры поля 7 мозга мужчин и женщин (в 0,001 мм3)
Плотность сателлитной глии в цитоархитектонических слоях III и V поля 7 коры мозга мужчин и женщин снижалась с возрастом постепенно, как и плотность нейронов, окруженных сателлитной глией. Стоит отметить, что в слое V мозга женщин изменения были незначительны и составляли порядка 7–13 %, когда у мужчин плотность сателлитной глии в слое V уменьшилась на 22–23 %. При сравнении слоев III и V выявляется тенденции к большим изменениям данного показателя в слое III (рис. 4).
* – отличия от предыдущей возрастной группы статистически значимы, р ≤ 0,005
М – мужчины
Ж – женщины
зрел – группа зрелого возраста
пож – группа пожилого возраста
стар – группа старческого возраста
Рис. 4. Плотность сателлитной глии в слоях III и V коры поля 7 мозга мужчин и женщин разных возрастных групп (в 0,001 мм3)
Единственным показателем, значение которого с возрастом увеличилось, стало значение плотности общей глии. Количество глии статистически значимо возрастает у мужчин и женщин уже в группе пожилого возраста. В старческой группе мужчин её плотность остается примерно на том же уровне как в III, так и в V слое коры поля 7, а вот у женщин старческой группы можно наблюдать тенденцию к её снижению в обоих изученных цитоархитектонических слоях, особенно в правом полушарии мозга женщин. Стоит подчеркнуть различия слоя V коры поля 7 мозга мужчин и женщин – у мужчин плотность глии увеличивается на 21–24 %, а у женщин на 11–14 %, что в два раза меньше по сравнению с мужчинами. В слое III отличий не выявлено (рис. 5).
* – отличия от предыдущей возрастной группы статистически значимы, р ≤ 0,005
М – мужчины
Ж – женщины
зрел – группа зрелого возраста
пож – группа пожилого возраста
стар – группа старческого возраста
Рис. 5. Плотность общей глии в слоях III и V коры поля 7 мозга мужчин и женщин (в 0,001 мм3)
Значение размера профильного поля нейронов является важной характеристикой любой структуры нервной системы, поскольку нейроны разного размера выполняют разные функции и образуют разные типы связей, особенно ярко это выражено в коре мозга, организованной по принципу нейронных модулей, где нейроны разных размеров выполняют отдельные функции. С размером тел нейронов имеется корреляция длины их отростков [18], соответственно, нейроны разного размера будут устанавливать различные связи. Основу нейронного модуля (колонки) обычно составляют крупные нейроны с длинными отростками, а выраженность модульной организации коры считается признаком её продуктивной работы. Особенности строения нейронных модулей определяет индивидуальная вариабельность мозга человека [19–23]. Таким образом, можно предположить, что для ассоциативных полей коры мозга размер нейронов имеет первостепенное значение для их цитоархитектонической организации, в особенности для ассоциативного слоя III.
Вследствие атрофических процессов происходят изменения в цитоархитектонике коры мозга, о скорости протекания которых можно судить по изменению размеров нейронов, которые в большинстве случаев уменьшаются [24–27]. По нашим данным возрастные изменения значения профильного поля нейронов происходят у мужчин и женщин с разной скоростью, причем изученные цитоархитектонические слои также различаются по темпам этих изменений и поэтому можно говорить об особенностях и о разной скорости старения мозга мужчин и женщин.
Кроме показателей, характеризующих особенности структурных единиц коры – нейронов и глии, важным является значение их количества, в нашем случае плотности. На основании значения показателя плотности нейронов можно судить о степени возрастных изменений структур мозга в процессе старения. Большое число нейронов и, соответственно, богатое разнообразие связей между ними в различных цитоархитектонических формациях мозга является не только результатом высокой организации нервной системы, но также обеспечивает запас прочности и компенсаторные возможности мозга. Можно провести параллели между снижением когнитивных функций в старости с атрофическими процессами, происходящими в мозге человека и, в частности, со скоростью гибели нейронов или снижения их плотности в разные возрастные периоды и сохранностью цитоархитектонического строения мозга.
Снижение плотности нейронов присутствует не только в коре поля 7 верхней теменной области – такая тенденция характерна для всего мозга. Из литературы известно, что в среднем в процессе старения как во всём в мозге, так и в отдельных структурах гибнет от 10 до 30 % нейронов [28, 29]. Уменьшение плотности в отдельных структурах мозга происходит неравномерно, например в пожилом возрасте в цитоархитектоническом поле 10 префронтальной коры плотность нейронов уменьшается на 16–29 %, а в речедвигательной области – в поле 44 снижение плотности составляет всего 6–12 % [10, 24]. То есть, по-видимому, скорость возрастных изменений в разных структурах мозга различна и зависит от их функциональной значимости, кроме того, в результате нашего исследования мы обнаружили отличия скорости протекания изменений у мужчин и женщин.
Уменьшение значения плотности нейронов, нейронов, окруженных сателлитной глией, и сателлитной глии в процессе старения отмечается не только в изученном нами цитоархитектоническом поле 7, она характерна и для других структур мозга. Снижение их плотности описано в полях коры лобной области, в речедвигательных полях 44 и 45 [24], уменьшение плотности данных показателей присутствует и в подкорковых структурах. Таким образом, уменьшение плотности нейронов, окруженных сателлитной глией, и сателлитной глии характерно для большинства структур мозга человека. Нейроны и глия составляют единую функциональную систему, и считается, что количество сателлитной глии отражает функциональную активность окруженных ею нейронов. Она участвует во множестве процессов, например глиальные клетки регулируют метаболические и трофические процессы, участвуют в модуляции синаптической передачи [30].
Пролиферация глии в пожилом возрасте описывается в большинстве исследований нормального и патологического старения, что согласуется с полученными нами данными. В подобных работах отмечается значительное увеличение её плотности в пожилом возрасте [23, 24, 29, 30]. Исследователи связывают данный процесс с функциональным значением глиальных клеток – их участием в компенсаторных и защитных процессах [31–33], направленных на поддержание трофики, функций нейронов и их жизнеспособности, что приобретает актуальность на фоне атрофии и уменьшения числа капилляров в коре головного мозга в пожилом и старческом возрасте, вследствии чего наблюдается недостаточность кровоснабжения ткани мозга. Глиальные клетки участвуют в пластических процессах перестройки нейронных связей [34], происходящих из-за гибели нервных клеток. Глия, а именно микроглия и астроциты выполняют фагоцитарную роль, возрастающую при атрофических процессах, деградации нервных клеток и их отростков, в результате чего её количество увеличивается. Уменьшение плотности глии в старческом возрасте может быть связано с истощением защитных и компенсаторных механизмов головного мозга из-за острого дефицита ресурсов, необходимых для функционирования нервной ткани, что будет сопровождаться гибелью и самой глии в результате возрастных изменений сосудистой системы мозга и ухудшением кровообращения мозга в целом.
Подводя итог, можно сказать, что в процессе старения у мужчин и женщин изменяется значение всех изученных показателей коры поля 7 верхней теменной области мозга. При анализе каждого из показателей в отдельности мы выявили особенности возрастных изменений коры поля 7 мозга мужчин и женщин.
В результате исследования двух цитоархитектонических слоёв III и V коры поля 7 обнаружена большая устойчивость в процессе старения морфометрических показателей у мужчин в слое III, а у женщин в слое V. Аналогичная тенденция возрастных изменений слоя V коры мозга женщин по сравнению со слоем V коры мозга мужчин описана в литературе, посвященной изучению коры верхней лобной извилины [32]. В своей работе она отмечает большую выраженность изменения нейроно-глиально-капиллярных взаимоотношений в слое V коры мозга мужчин по сравнению с аналогичной корой мозга женщин. Различия выраженности изменений слоёв III и V коры поля 7, возможно, связаны с их разным функциональным значением и разными типами корковых и подкорковых связей – один слой ассоциативный и устанавливает коллатеральные связи, а второй в основном даёт эфферентные проекции к нижележащим структурам мозга. Возможно, различная степень выраженности возрастных изменений морфометрических показателей изученной коры мозга мужчин и женщин может быть связана с особенностями организации миелоархитектоники мозга мужчин и женщин, что подтверждается данными недавних МРТ-исследований, где авторы показали принципиальные различия организации связей в мозге мужчин и женщин [35].
В нашем исследовании мы обнаружили значимые изменения морфометрических показателей в более позднем возрастном периоде у мужчин по сравнению с женщинами, что наиболее ярко выражалось в значении плотности пирамидных нейронов, кроме того у мужчин пирамидные нейроны слоя III крупнее, чем у женщин. Вероятно, показанные особенности возрастных изменений коры поля 7 могут быть связаны с функциональной значимостью верхней теменной области и специфики её деятельности у мужчин и женщин, которая могла сложиться эволюционно в результате специализации полов на разных видах деятельности. Например, с функциями верхней теменной области связывают ориентацию в пространстве, где мужчины показывают лучшие результаты, чем женщины, кроме того, мужчины и женщины в процессе ориентирования используют разные стратегии, в свою очередь у женщин лучше развита память к деталям, в работе которой также отмечается участие верхней теменной области [36, 37].
На работу и функциональное состояние нервной системы может влиять баланс гормональной системы и концентрация половых гормонов. В литературе имеются данные свидетельствующие о роли стероидных гормонов в активности познавательной деятельности и функционировании мозга [36, 38]. Эффекты действия гормонов показаны при проведении функциональных исследований активности мозга во время проведения эстроген-заместительной терапии в постменопаузе у женщин, где было выявлено благотворное влияние стероидных гормонов, выражающееся в изменении зон активации коры мозга и его работе при выполнения различных заданий [39]. Возможно, баланс гормональной системы может опосредовано отражаться на структурной организации нервной системы [40], а различия начала возрастных изменений коры поля 7 и мозга в целом у мужчин и женщин могут быть связаны с возрастной перестройкой гормонального статуса, которая у женщин в среднем происходит 48–50 лет, а у мужчин позже и более плавно.
Выводы
В процессе старения мозга мужчин и женщин изменения сходных морфометрических показателей коры поля 7 наступают в разные возрастные периоды.
Динамика возрастных изменений цитоархитектонических слоев III и V коры мозга мужчин и женщин различна – для мужчин в процессе старения характерны наибольшие изменения в слое V, а для женщин в слое III.
Значения важнейших цитоархитектонических характеристик коры поля 7 мозга мужчин и женщин, такие как площадь профильного поля пирамидных нейронов и ширина коры в процессе старения, в пожилом возрасте наиболее сильно изменяются в мозге женщин по сравнению с мозгом мужчин.