AGE-RELATED CHANGES IN THICKNESS OF CORTEX AND ITS LAYERS IN THE PARAMEDIAN LOBULE OF THE CEREBELLUM IN CHILDREN

Cover Page


Cite item

Abstract

Objective - to study the age-related changes in the thickness of the cortex and its layers in the paramedian lobule of the cerebellum in children. Material and methods. The work was performed on postmortem material (62 cerebellums) obtained from children aged from birth to 12 years who died from injuries but without brain damage. The thickness of the cortex, as well as the thickness of its molecular and granular layers, were measured using computer morphometry on the Nissl-stained frontal histological sections of the cortex taken bilaterally in the region of the paramedian (gracile) lobule (HVIIB) at the top of the folia of cerebellum. Analysis of quantitative data was performed at annual intervals. Results. In the paramedian lobule of the cerebellum, the increase in the thickness of the cortex occured in four stages: in the right hemisphere - from birth to 1, 3, 5 and 9 years, in the left hemisphere - to 1, 5, 7 and 9 years. Left-sided asymmetry of the cortical thickness of the cerebellum was observed in 1 and 2-year old children, the thickness of the molecular layer - in 3-year old children. Right-sided asymmetry was characteristic for the thickness of the granular layer in 3-year old children and a cross-section of the cortex in 6-year old children. The thickness of the cortex and layers in the area of the paramedian lobule of the cerebellum on the average group indicators reached the level of adults by 9 years. Conclusions. The thickness of the cerebellar cortex and its layers in the area of the lobule HVIIB increased heterochronically and heterogeneously in the right and left hemispheres of the cerebellum in children of the first year of life, and in the periods of early, first and second childhood. No reduction in the diameter of the cortex and layers in the paramedian lobule of the cerebellum of children from birth to 12 years was found.

Full Text

Введение. Толщина коры является важным интегративным показателем возрастных морфофункциональных преобразований экранных структур мозга в норме и при различных патологических нарушениях мозговой деятельности [16]. Развитие методик прижизненной нейровизуализации позволило существенно продвинуться в изучении изменений толщины коры большого мозга человека на различных этапах онтогенеза [5, 6]. Динамика возрастных изменений коры мозжечка изучена гораздо хуже, отдельные данные приведены в редких публикациях [13]. Между тем, известно, что функциональная роль мозжечка далеко не ограничивается управлением координацией движений. Кора мозжечка - важный компонент распределенных нейросетей, контролирующих обмен веществ и терморегуляцию, состояния «сон-бодрствование» и многие когнитивные функции мозга [11]. Актуальной является проблема получения объективных данных о сроках и темпах постнатальных структурных преобразований, протекающих в коре мозжечка, а также об этапах роста и асимметрии показателей поперечника коры и слоев в его правом и левом полушариях. Особый интерес представляет вопрос о морфофункциональном развитии парамедианной дольки (тонкая долька, HVIIB), расположенной в задней доле мозжечка. Известно, что она принимает непосредственное участие в регуляции произвольных движений глазных яблок и является частью «моторного домена» коры мозжечка, к которому ее относят наряду с III-VI дольками передней доли мозжечка, а также с его двубрюшной долькой (HVIII) [7, 15]. Известно также, что парамедианная долька имеет отношение к реализации так называемых немоторных (когнитивных и лимбических) функций мозжечка, в которые она включена благодаря опосредованным связям с немоторными областями в префронтальной коре и задней теменной коре большого мозга [8, 12]. Есть данные об активации парамедианной дольки мозжечка в ситуации устойчивого внимания при подготовке к выполнению движений, а также при принятии решений в условиях, требующих психоэмоционального контроля поведения и оптимизации функциональной активности коры большого мозга [2, 14]. Целью настоящего исследования было изучение возрастных изменений толщины коры и ее цитоархитектонических слоев, в том числе особенностей их возрастной динамики, в парамедианной дольке задней доли правого и левого полушарий мозжечка у детей. Материал и методы. Исследовали постмортальный материал (62 мозжечка), полученный от детей мужского пола в возрасте от рождения до 12 лет, погибших в результате несчастных случаев без повреждений головного мозга. Секционный материал получали из судебно-медицинских моргов отделов № 2 и№ 4 Бюро судебно-медицинской экспертизы Московской области (ГБУЗ МО «Бюро СМЭ»), а также прозектур Морозовской детской городской клинической больницы и Детской городской клинической больницы № 13 им. Н. Ф. Филатова Департамента здравоохранения Москвы. На сбор материала получено разрешение этической комиссии Института возрастной физиологии РАО, решение № 4 от 15 февраля 1996 г. Материал группировали по годам по 3-6 мозжечка в каждой возрастной группе. После фиксации в 10 % нейтральном формалине из симметричных латеральных участков правого и левого полушарий мозжечка в области парамедианной дольки (HVIIB) вырезали кусочки ткани, обезвоживали их в спиртах восходящей концентрации и заливали в парафин. Из каждого кусочка изготавливали серийные фронтальные срезы толщиной 10 мкм, из которых произвольным образом выбирали 4-5 срезов, окрашивали их крезиловым фиолетовым по Нисслю по стандартной методике и подвергали морфометрии. Морфометрическое исследование цифровых изображений гистологических препаратов проводили с использованием графического редактора Image Tools (National Institutes of Health, USA) и программы геометрических измерений микрообъектов ImageExpert™ Gauge (NEXSYS, Россия) на отечественном микроскопе Биолам-15 ЛОМО с встроенной USB-камерой UCMOS01300KPA (Altami, Россия). На каждом срезе проводили измерение толщины коры (Тк), толщины молекулярного (Мс) и зернистого (Зс) слоев в промежутках между грушевидными нейронами ганглионарного слоя на вершине мозжечкового листка по 10 измерений на каждый параметр. При оценке возрастных изменений Тк и ее слоев для графической визуализации статистических данных применяли метод сглаживания эмпирических рядов для получения аппроксимирующей кривой полиномиальной функции с удовлетворительным уровнем величины значимости аппроксимации (0,8<R2<0,95). Математическую обработку полученных количественных данных производили с использованием пакета программ SigmaPlot (SYSTAT Software, USA), интегрированного с MS Excel, вычисляя среднегрупповые величины изучаемых параметров и стандартные ошибки средних, при этом проверяли соблюдение нормальности распределения величин в сравниваемых выборках, анализировали распределение вероятностей количественных признаков [1]. Значимость различий средних величин в разных возрастных группах, а также в разных полушариях одной возрастной группы определяли с применением двухвыборочного t-критерия Стьюдента. Различия считали значимыми при p≥95 % (p<0,05). Результаты исследования. Анализ результатов морфометрии коры мозжечка в области парамедианной дольки (HVIIB) показал, что у новорожденных детей Тк в правом и левом полушариях не имеет значимых различий. Ее величина справа составляет в среднем 242,4±8,5 мкм, а слева - 251,4±5,4 мкм (таблица). У детей в постнатальном онтогенезе Тк нарастает, причем периоды роста чередуются с возрастными промежутками, когда видимых изменений не происходит. Можно выделить четыре этапа увеличения Тк, возрастные границы которых в правом и левом полушариях различны. Значимые количественные изменения Тк справа и слева наблюдаются от рождения до 1 года, а также в правом полушарии - к 3, 5 и 9 годам, а в левом полушарии - к 5, 7 и 9 годам. При этом темпы роста в правом и левом полушариях неодинаковы. В течение первого года жизни Тк справа увеличивается в 1,9 раза по сравнению с новорожденными и достигает 462,2±14,3 мкм, тогда как в левом полушарии нарастает в 2,3 раза до 582,0±15,8 мкм. Левосторонняя асимметрия, выражающаяся в том, что Тк мозжечка слева значимо больше, чем справа, наблюдается на протяжении первых двух лет жизни, при этом у детей первого года изучаемые показатели различаются в 1,3 раза, а у детей 2 лет - в 1,2 раза. К 3-му году жизни эти различия нивелируются благодаря значимому приросту коркового поперечника справа. От 3 до 6 лет темп роста коры в толщину справа выше, чем слева и, несмотря на значимый прирост Тк, наблюдаемый в обоих полушариях к 5 годам, приводит к выраженной правосторонней асимметрии Тк у детей в возрасте 6 лет (рисунок). К 7 годам эти различия стираются за счет значимого прироста Тк в парамедианной дольке слева. К 9 годам наблюдается синхронное билатеральное увеличение Тк в 1,2 раза по сравнению с Тк у детей в возрасте 5-7 лет. После 9 лет темпы роста коры мозжечка в толщину замедляются, межполушарные различия не выявляются. К 12 годам Тк в правом полушарии исследованной дольки составляет 953,6±82,7 мкм, в левом полушарии - 948,1±58,9 мкм. Таким образом, Тк в парамедианной дольке правого и левого полушарий мозжечка у детей увеличивается не только гетерохронно, но и гетеродинамически, при этом в течение первых 2 лет жизни темп ее нарастания выше в левом полушарии, а от 3 до 6 лет - в правом. Возрастные изменения Тк мозжечка связаны со структурными преобразованиями составляющих ее слоев. Изучение толщины Мс коры в парамедианной дольке мозжечка показало, что у новорожденных она справа и слева одинакова и составляет 82,2±5,0 и 76,2±3,5 мкм соответственно. Ее нарастание в обоих полушарий происходит синхронно в два этапа: от рождения до 1 года, а также к 5 годам. Толщина Мс в правом полушарии от рождения до 1 года увеличивается в 1,5 раза, а от 1 года до 5 лет - в 2,4 раза, тогда как в левом полушарии она увеличивается к 1 году в 2,6 раза, ак 5 годам - в 1,3 раза по сравнению с годовалыми детьми. Межполушарные различия в темпах роста Мс в толщину приводят к тому, что на протяжении раннего детства, вплоть до 3 лет жизни, величина его поперечника слева становится в 1,5 раза больше, чем справа. К 5 годам межполушарная асимметрия не обнаруживается вследствие интенсивного прироста толщины коры справа (см. рисунок), где толщина Мс достигает 297,5±24,2 мкм, в то время как в левом полушарии - 260,4±20,3 мкм. После 5 лет темп нарастания среднегрупповых показателей толщины Мс замедляется, его поперечник после 7 лет стабилизируется и к 12 годам в среднем составляет в правом полушарии 324,6±42,2 мкм, а в левом - 320,2±52,2 мкм. Толщина Зс, как и общий поперечник коры парамедианной дольки, у новорожденных не имеет выраженной латерализации и составляет справа 160,1±3,4 мкм, а слева - 174,8±3,2 мкм. Увеличение толщины Зс происходит в три этапа: справа - от рождения до 1 года и далее к 3 и 9 годам, а слева - от рождения до 1 года и далее к 7 и 9 годам. На первом этапе Зс прирастает в толщину в среднем справа в 2,1 раза, слева - в 2,2 раза, на втором - справа в 1,5 раза, слева - в 1,4 раза, на третьем - в обоих полушариях в 1,3 раза. Продолжительность второго этапа нарастания толщины Зс в правом полушарии (от 1 до 3 лет) значительно короче, чем в левом полушарии (от 1 до 7 лет). Поэтому к концу периода раннего детства, а именно к 3 годам жизни, вследствие более высокого темпа роста толщины Зс в правом полушарии наблюдается ее правосторонняя асимметрия (см. рисунок), которая постепенно сглаживается по мере нарастания поперечника Зс в левом полушарии к 5-7-му году. К 9 годам толщина Зс в коре парамедианной дольки справа составляет 658,4±32,2 мкм, а слева - 669,8±34,4 мкм. После 9 лет среднегрупповые показатели поперечника Зс постепенно стабилизируются, однако индивидуальные показатели широко варьируют. К 12 годам он составляет в правом полушарии мозжечка 629,3±46,2 мкм, а в левом - 627,9±42,1 мкм. Обсуждение полученных данных. Полученные результаты свидетельствуют о том, что Тк мозжечка и ее слоев в области дольки HVIIB по среднегрупповым показателям увеличивается от рождения вплоть до 9 лет. Уменьшения поперечника коры и слоев в парамедианной дольке задней доли мозжечка у детей не обнаружено. На первом году жизни рост поперечника коры в дольке HVIIB правого и левого полушарий мозжечка происходит за счет молекулярного и зернистого слоев, а к 5 годам - преимущественно за счет молекулярного слоя. Кроме того, увеличение Тк благодаря преимущественному росту Зс отмечается справа к 3 и 9 годам, а слева - к 7 и 9 годам. В период от рождения до 12 лет на определенных этапах постнатального развития, а именно на протяжении первых 3 лет жизни, а также в 6 лет в парамедианной дольке коры мозжечка наблюдаются межполушарные различия по толщине коры и величине поперечника составляющих ее слоев. Левополушарный характер асимметрии коры мозжечка в области парамедианной дольки четко ограничен конкретными временными интервалами и наблюдается по Тк у детей в возрасте от 1 года до 2 лет, а по толщине Мс - от 1 года до 3 лет. Можно предположить, что в парамедианной дольке задней доли коры мозжечка так же, как в коре больших полушарий, существует межполушарная функциональная специализация отдельных корковых зон, отличающихся по срокам и темпам постнатального развития. Наблюдаемая нами асимметрия в развитии коры парамедианной дольки мозжечка в период раннего детства носит преимущественно левосторонний характер, за исключением 3-го года жизни, когда отмечается правосторонняя асимметрия толщины Зс, и 6-го года с правосторонней асимметрией коркового поперечника в целом. По нашему мнению, межполушарная асимметрия в показателях толщины коры мозжечка и её слоев является следствием неравномерности темпа их развития. Гетерохронный и гетеродинамический характер нарастания коры и слоев в области парамедианной дольки мозжечка в определенной степени генетически запрограммирован, а также обусловлен комплексом взаимодействий с другими нервными центрами, в первую очередь с корой больших полушарий, ретикулярными ядрами моста, базальными ядрами и субталамическим ядром [3, 4, 9, 10]. Заключение. Полученные нами данные дают также основание предполагать, что в восходящем онтогенезе происходит усиление роли парамедианной дольки мозжечка в распределенных нейросетях, связанных с психоэмоциональным контролем и регуляцией когнитивных процессов, лежащих в основе планирования сложных двигательных функций и поведения в целом. Публикация подготовлена при поддержке Программы РУДН «5-100». Вклад авторов: Концепция и дизайн исследования: Т. А. Ц. Сбор и обработка материала: Т. А. Ц., А. Б. М. Статистическая обработка данных: Т. А. Ц., А. Б. М. Анализ и интерпретация данных: Т. А. Ц., А. Б. М., Д. К. О. Написание текста: Т. А. Ц., А. Б. М., Д. К. О. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
×

About the authors

T. A. Tsekhmistrenko

Peoples’ Friendship University of Russia (RUDN University); Institute of Age Physiology of the Russian Academy of Education

Email: tsekhmistrenko2010@yandex.ru
Department of Human Anatomy; Laboratory of Neurophysiology of Cognitive Activity 8 Miklukho-Maklay St., Moscow 117198; 8/2 Pogodinskaya St., Moscow 119121

A. B. Mazloev

Peoples’ Friendship University of Russia (RUDN University)

Email: aslan-mazloev@yandex.ru
Department of Human Anatomy 8 Miklukho-Maklay St., Moscow 117198

D. K. Obukhov

St. Petersburg State University

Email: dkobukhov@yandex.ru
Department of Cytology and Histology 7-9 University Emb., St. Petersburg 199034

References

  1. Ланг Т. А., Сесик М. Как описывать статистику в медицине. М.: Практическая медицина, 2016. 480 с.
  2. Belkhiria C., Mssedi E., Habas C., Driss T., de Marco G. Collaboration of Cerebello-Rubral and Cerebello-Striatal Loops in a Motor Preparation Task // Cerebellum. Vol. 18. Iss. 2. P. 203-211. doi: 10.1007/s12311-018-0980-z
  3. Bostan A. C., Dum R. P., Strick P. L. Cerebellar networks with the cerebral cortex and basal ganglia // Trends Cogn Sci. 2013. Vol. 17, Iss. 5. P. 241-254. doi: 10.1016/j.tics.2013.03.003
  4. Caligiore D., Pezzulo G., Baldassarre G. et al. Consensus Paper: Towards a Systems-Level View of Cerebellar Function: the Interplay Between Cerebellum, Basal Ganglia, and Cortex // Cerebellum. 2017. Vol. 16. Iss. 1. P. 203-229. doi: 10.1007/ s12311-016-0763-3
  5. Dickerson B. C., Fenstermacher E., Salat D. H. et. al. Detection of cortical thickness correlates of cognitive performance: reliability across MRI scan sessions, scanners, and field strengths // Neuroimage. 2008. Vol. 39. Iss. 1. P. 10-18. doi: 10.1016/j.neuroimage.2007.08.042
  6. Fischl B. FreeSurfer // Neuroimage. 2012. Vol. 62, Iss. 2. P. 774-781. doi: 10.1016/j.neuroimage.2012.01.021
  7. Kelly R. M., Strick P. L. Cerebellar loops with motor cortex and prefrontal cortex of a nonhuman primate // J. Neurosci. 2003. Vol. 23, Iss. 23. P. 8432-8444. doi: 10.1523/ JNEUROSCI.23-23-08432.2003
  8. Koziol L. F., Budding D., Andreasen N. et. al. Consensus paper: the cerebellum’s role in movement and cognition // Cerebellum. 2014. Vol. 13, Iss. 1. P. 151-177. doi: 10.1007/s12311-0130511-x
  9. Palesi F., Tournier J. D., Calamante F. et. al. Contralateral cerebello-thalamo-cortical pathways with prominent involvement of associative areas in humans in vivo // Brain Struct. Funct. 2015. Vol. 220. Iss. 6. P. 3369-3384. doi: 10.1007/s00429-0140861-2
  10. Pelzer E. A., Hintzen A., Goldau M. et. al. Cerebellar networks with basal ganglia: feasibility for tracking cerebello-pallidal and subthalamo-cerebellar projections in the human brain // Eur. J. Neurosci. 2013. Vol. 38, Iss. 8. P. 3106-3114. doi: 10.1111/ ejn.12314
  11. Stoodley C. J., Schmahmann J. D. Functional topography of the human cerebellum. In: Handbook of Clinical Neurology. Vol. 154. Elsevier. 2018. P. 59-70. doi: 10.1016/b978-0-444-639561.00004-7
  12. Strick P.L., Dum R. P., Fiez J. A. Cerebellum and nonmotor function // Ann. Rev. Neurosci. 2009. Vol. 32. P. 413-434. doi: 10.1146/annurev.neuro.31.060407.125606
  13. Van Essen D. C., Donahue C. J., Glasser M. F. Development and Evolution of Cerebral and Cerebellar Cortex // Brain Behav Evol. 2018. Vol. 91. P. 158-169. doi: 10.1159/000489943
  14. Wang H., Chen H., Wu J. et. al. Altered resting-state voxel-level whole-brain functional connectivity in depressed Parkinson’s disease // Parkinson. Relat. Disord. 2018. Vol. 50. P. 74-80. doi: 10.1016/j.parkreldis.2018.02.019
  15. Xiong G., Hiramatsu T., Nagao S. Corticopontocerebellar pathway from the prearcuate region to hemispheric lobule VII of the cerebellum: an anterograde and retrograde tracing study in the monkey // Neurosci. Lett. 2002. Vol. 322, № 3. P. 173-176. doi: 10.1016/s0304-3940(02)00108-8
  16. Zielinski B. A., Prigge M. B. D., Nielsen J. A. et. al. Longitudinal changes in cortical thickness in autism and typical development // Brain. 2014. Vol. 137. Iss. 6. P. 1799-1812. doi: 10.1093/brain/ awu083

Copyright (c) 2020 Tsekhmistrenko T.A., Mazloev A.B., Obukhov D.K.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

СМИ зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор).
Регистрационный номер и дата принятия решения о регистрации СМИ: № 0110212 от 08.02.1993.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies