Биологический факультет Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова

Эта статья опубликована сборнике научных трудов "Фундаментальные науки и практика" с материалами Третьей Международной Телеконференции "Проблемы и перспективы современной медицины, биологии и экологии" - Том 1 - №4. - Томск - 2010.

 

       В настоящее время повышенный интерес вызывает вопрос о развитии нервной системы в эмбриогенезе и на ранних стадиях постэмбрионального развития насекомых [Soustelle, Giangrande, 2005]. Особое внимание в этом отношении вызывает дифференцировка основных отделов надглоточного ганглия (головного мозга), включая его оптические доли, грибовидные тела и центральный комплекс. Исследование этих нейропильных структур у имаго насекомых характеризуется наибольшей интенсивностью, широтой охвата объектов и использованием разнообразных методик [Burrows, 1996]. Целью настоящего исследования было изучение организации и развития основных структур надглоточного ганглия таракана как представителя насекомых с неполным метаморфозом (Hemimetabola).
       Материал и методы. Материалом для исследований служили тараканы Nauphoeta cinerea Oliv. (Oxyhaloidae). Для гистологической обработки оотеки извлекали из брюшка самок и фиксировали в жидкости Буэна, заливали в парапласт, готовили срезы толщиной 6-7 мкм, окрашивали их азур-эозином, а также гематоксилином и фуксином и заключали в канадский бальзам.
      Результаты исследования и их обсуждение.
      Раннее эмбриональное развитие. На ранних стадиях эмбрионального развития (первая декада) происходит формирование зачатков ганглиев путем интенсивного деления нейробластов. Последние представлены крупными клетками с большим ядром; диаметр  нейробластов равен  24-28 мкм, а диаметр их ядер 8 мкм (рис. 1а). Деление нейробластов асимметричное, поскольку в результате его деления образуется дочерний нейробласт и материнская ганглионарная клетка. Размеры нейробластов на стадии митоза (метафаза, телофаза) составляют около 30 мкм.
       В начальный период формирования ганглия нейробласты лежат на его периферии, а формирующиеся новые нейроны стопками продвигаются к его центру. Отдельные группы нейронов не прилегают друг к другу и между ними имеются промежутки. В каждой из таких групп насчитывается 14, 16 или 18 нейронов, что свидетельствует о том, что исходный нейробласт, дал потомство 7, 8 или 9 дочерним материнским ганглионарным клеткам. Диаметр нейронов на этой стадии развития составляет  около 10 мкм, а диаметр ядра 4-5 мкм. Размер надглоточного ганглия на ранней стадии эмбрионального развития составляет 270х220 мкм.
      Кроме нейронов на ранних этапах развития нервной системы формируются также глиальные клетки. Последние имеют меньшие чем нейроны размеры, их ядра отличаются вытянутой формой, в то время как ядра нейронов всегда имеют округлую форму. Глиальные клетки формируют вокруг скопления нейронов оболочку. Первым формируется клеточный слой оболочки ганглия – перинейриум, то есть, слой прилегающий к нейронам, а позже с внешней стороны перинейриума формируется неклеточный слой оболочки ганглия – нейрилемма. Многие глиальные клетки находятся в центре формирующегося ганглия, а также окружают формирующийся нейропиль. Таким образом, формирование оболочки ганглиев хотя и происходит на ранней стадии эмбрионального развития (в первые 10 дней), в начале этого периода оболочка полностью еще не сформирована. Об этом свидетельствует как отсутствие внешнего слоя оболочки – нейрилеммы, так и неплотное расположение глиальных клеток во втором слое оболочки – перинейриуме.
      В центре формирующегося ганглия расположен нейропиль, представленный отростками нейронов. На начальных стадиях формирования надглоточного ганглия по формирующемуся нейропилю можно разграничить составляющие его нейромеры. Однако нейропиль пока слабо дифференцирован. Например, в дейтоцеребруме отсутствуют гломерулы, наиболее характерные для антеннальных долей образования.
      Характерной особенностью этого этапа развития ганглия является отсутствие тел глиальных клеток в формирующихся нейропильных структурах (рис. 1б). Тела глиальных клеток обычно расположены только по периферии нейропильных структур, либо они имеются внутри последних, но только в самый ранний период формирования нейропильных структур, когда волокна нервных клеток лежат рыхло.
      Таким образом, в период раннего эмбрионального развития у таракана отсутствуют такие нейропильные структуры как центральное тело и грибовидные тела в протоцеребруме, а также гломерулы в антеннальных долях дейтоцеребрума.
     

 

Рис. 1. Развитие надглоточного ганглия таракана Nauphoeta cinerea
а,б – первая декада; в,г – вторая декада; д,е – третья декада эмбрионального развития.
а – деление нейробластов, б – формирование комиссуры, в – нейробласты и нейроны, г – общий вид надглоточного и подглоточного ганглиев, д – грибовидное тело протоцеребрума, е – обонятельная доля дейтоцеребрума. Увел.: а,в,е- х400, б,г,д – х200. Обозначения: г – гломерулы, гт – грибовидное тело, дц – дейтоцеребрум, км – комиссура, нб – нейробласты, нп – нейропиль, пгг – подглоточный ганглий, тц – тритоцеребрум

      Середина эмбрионального развития. Во второй декаде эмбриогенеза все три нейромера надглоточного ганглия уже сформированы. Ширина надглоточного ганглия составляет около 540 мкм. В месте соединения обоих (левого и правого) зачатков надглоточного ганглия отчетливо различаются более крупные нейроны, возможно относящиеся к нейронам средней линии. На периферии нейромеров сохраняются нейробласты, имеющие диаметр сомы 20 мкм, а ядра – 12 мкм (рис. 1в). Обычные нейроны имеют диаметр не более 12 мкм при диаметре ядра – 6-8 мкм. В обоих ганглия имеются также удлиненные глиальные клетки размером 10х7 мкм.
      Нейропиль развит более мощно по сравнению с нейропилем предыдущей стадии и видны его продольные (коннективные) и поперечные (комиссуральные) волокна (рис. 1г). В дейтоцеребруме гломерулы отсутствуют. Тритоцеребрум состоит из двух симметричных отделов, которые лежат над кишечником (как и весь надглоточный ганглий), но комиссура, которая связывает два его отдела, проходит под кишечником, дугой огибая последний.
      Стадия позднего эмбриона. На этой стадии эмбрионального развития завершается формирование всех отделов надглоточного ганглия. Ганглий заметно увеличивается в размерах, его ширина достигает 570 мкм. Особо интенсивного развития по сравнения с предыдущими стадиями эмбрионального развития достигают нейропильные образования протоцеребрума и дейтоцеребрума. В протоцеребруме имеются хорошо развитые грибовидные тела и центральный комплекс.
       Грибовидные тела имеют обычное строение, характерное для нимф и имаго, т.е. они парные и размещены в дорсальной части протоцеребрума – по одному в каждой половине мозга (рис. 1д). Каждое грибовидное тело состоит из расширенной верхней части, называемой чашечкой, суженной части – ножки, или стебелька, а также нескольких долей, формирующихся после точки разделения аксонов. Чашечку грибовидного тела формируют разветвления дендритов клеток Кеньона. Каждое грибовидное тело имеет две чашечки. От основания чашечки грибовидного тела аксоны клеток Кеньона собираются в пучки и формируют стержневидную ножку, или стебелек. Нижняя часть ножки разделяется на несколько долей, представляющих собой совокупность окончаний аксонов клеток Кеньона и постсинаптических нервных волокон. На периферии чашечки грибовидного тела расположены глиальные клетки. Немногие глиальные клетки располагаются между нейронами грибовидного тела – клетками Кеньона. Последние формируются из скопления нейробластов, расположенных в передне-дорсальной части протоцеребрума. Тела клеток Кеньона расположены плотно друг к другу и в световом микроскопе выглядят как гомогенное скопление нейронов. Центральный комплекс состоит из протоцеребрального моста и центрального тела.
      Особое внимание в этот период развития привлекает дейтоцеребрум. Антеннальные доли последнего являются первым звеном центрального обонятельного пути, а нейропиль антеннальных долей организован в гломерулы. В антеннальные доли входят все аксоны обонятельных рецепторных клеток антенн. В дорсальную зону дейтоцеребрума, называемую дорсальной долей, или антеннальным механорецепторным и моторным центром, входят аксоны от механорецепторов антенн. Нейроны долей дейтоцеребрума занимают периферическое положение, а в центре размещается нейропиль с афферентными волокнами, волокнами локальных и межсегментарных интернейронов, комиссуры, связывающей левую и правую половины дейтоцеребрума, а также коннективы, проходящие в соседние ганглии.
      Нейропиль обонятельного центра дейтоцеребрума состоит из гломерул, число которых в одной антеннальной доле достигает 84. Они представлены плотными нейропильными структурами сферической формы (рис. 1е). Характерно, что при формировании гломерул в последних отсутствуют клеточные тела глиальных клеток, хотя последние посылают в гломерулы свои отростки. Тела глиальных клеток, отчетливо различающиеся по ядрам, расположены по периферии обонятельной доли. На этой стадии развития в дейтоцеребруме сохраняются отдельные нейробласты.
      Тритоцеребрум удлиненной формы имеет небольшие размеры по сравнению с другими нейромерами надглоточного ганглия, однако в нем хорошо развит нейропиль (рис. 1е). Таким образом, на стадии позднего эмбриона в надглоточном ганглии имеются все отделы, характерные для  этого ганглия у свободноживущих стадий.
     Подытоживая результаты отметим, что по нашим и имеющимся данным литературы [Malzacher, 1968; Salecker, Boeckh, 1995] формирование всех отделов надглоточного ганглия и дифференцировка его основных нейропильных центров (центрального комплекса и грибовидных тел протоцеребрума, гломерул дейтоцеребрума) у таракана, развивающегося с неполным превращением (Hemimetabola), происходит до выхода личинки из яйца, в последней трети эмбриональной стадии развития. У насекомых с полным превращением (Holometabola) формирование надглоточного ганглия имагинального типа происходит на стадии куколки, и только у некоторых видов начинается на стадии личинки старшего возраста [Панов, 1957; Brain …, 2008]. Эти данные свидетельствуют о глубокой эмбрионизации индивидуального развития, включая формирование нервной системы у насекомых с неполным превращением.
      Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект 10-04-00457).

Список литературы
1. Панов А.А. Развитие грибовидных тел мозга медоносной пчелы в течение
    личиночной и куколочной фаз // Вестн. Моск. ун-та. Сер. Биол. 1957. №2. С.
    47-54.
2. Brain development in Drosophila melanogaster. Ed. by G.M.Technau. New York:
    Springer Science + Business Media, LLC Landes Bioscience, 2008. 160 p.
3. Burrows M. The neurobiology of insect brain. Oxford etc.: Oxford Univ. Press, 1996. 682 p. 
4. Malzacher P. Die Embryogenese des Gehirns paurometaboler Insekten Untersuchungen an Carausius morosus und Periplaneta americana // Z. Morphol. Tiere. 1968. Bd 62. S. 103-161.
5. Salecker I., Boeckh J. Embryonic development of the antennal lobes of a hemimetabolous insect, the cockroach Periplaneta americana: light and electron microscopic observations // J. Comp. Neurol. 1995. Vol. 352. P. 33-54.
6. Soustelle L., Giangrande A. Early embryonic development neurogenesis (CNS) // Comprehensive molecular insect science. Ed. by L.I. Gilbert, K. Iatrou, S.S. Gill. Elsevier, 2005; Vol. 1: Reproduction and development. P. 343-378.