Верхнее двухолмие (лат. Superior colliculus) — одна из основных структур среднего мозгахордовых. Оно обычно является частью его верхней дорсальной поверхности и вместе с нижним двухолмием (если оно имеется у данного вида) образует, соответственно, четверохолмие среднего мозга, выглядящее снаружи как четыре симметричных выступа («холмика») на задней (дорсальной) поверхности среднего мозга.
Данное образование имеет несколько названий, при этом термины «тектум» (лат. «крыша») или «оптический тектум» употребляются обычно для немлекопитающих видов, а термин «верхнее двухолмие» — для млекопитающих, хотя и в этом случае прилагательное «тектальный» используется в литературе повсеместно. Структурно верхнее двухолмие состоит из нескольких слоёв, число которых различно у разных видов животных. При этом так называемые «верхние» слои связаны с обработкой информации от глаз и других сенсорных систем, а «глубинные» слои более связаны с моторными действиями, например, активацией движений глаз и другими движениями. Кроме этого имеются ещё и «средние» слои, содержащие мультимодальные сенсорные клетки, также обладающие моторными свойствами.
Рис. 22. Верхние холмики среднего мозга (рисунок из интернета)
Оптический тектум — фундаментальная компонента мозга всех хордовых от миксинообразных до человека. При этом некоторые аспекты его строения остаются постоянными, включая его общую структуру, состоящую из нескольких слоёв с массивным входом от оптического тракта к верхним слоям и мощным входом от других соматосенсорных систем к более глубоким слоям. Прочие аспекты строения тектума варьируют весьма значительно. Например общее число слоёв тектума изменяется от 3 у двоякодышащей рыбы протоптера до 15 у золотой рыбки. Число типов клеток меняется от двух у двоякодышащей рыбы до 27 у домашнего воробья. У миксин, миног и акул тектум является относительно маленькой структурой в мозге, однако у костистых рыб он значительно больше и иногда становится самой крупной частью мозга. Для амфибий, рептилий и особенно птиц это также очень существенная компонента мозга, но у млекопитающих его относительный объём эволюционно значительно уменьшился из-за массивного расширения коры головного мозга.
Внутренняя структура оптического тектума / верхнего двухолмия (ОТ/ВД) существенно различается у позвоночных разных видов. Но как общее правило можно указать на чёткое различие между верхними уровнями, которые получают проекции от визуальной системы и реагируют в основном на визуальные стимулы, и более глубокими уровнями, которые получают нейронные проекции различных типов и сами проецируются в различные моторные и связанные с ними структуры мозга. Различие между этими двумя областями всегда настолько чёткое и постоянное, что некоторые анатомы предлагают их рассматривать как отдельные структуры мозга.
Для млекопитающих большинство нейроанатомов выделяют семь слоёв или нейронных пластинок. Первые три из них называются верхними слоями (superficial layers):
*Пластинка I или SZ (от stratum zonale (поверхностный слой)), это очень тонкий слой состоящий из небольших миелинированных аксонов вместе с остаточными и горизонтальными клетками.
*Пластинка II или SGS (от stratum griseum superficiale (верхний серый слой)), содержит множество нейронов различной формы и типов.
*Пластинка III или SO (от stratum opticum (оптический слой), состоит в основном из аксонов, приходящих из оптического тракта.
*Далее идут два промежуточных или средних слоя (intermediale layers):
— Пластинка IV или SGI (от stratum griseum intermediale (промежуточный серый слой) — самый толстый слой состоящий также из нейронов различного типа и размеров. Этот уровень по толщине часто равен всем остальным вместе взятым, поэтому в нём иногда ещё выделяют «верхние» («upper») и «нижние» («lower») слои (обозначены на рисунке как uSGI и lSGI соответственно).
— Пластинка V или SAI (от stratum album intermediale (промежуточный белый слой)), состоит в основном из аксонов от самых разных источников.
*И наконец идут два нижних слоя (deep layers):
— Пластинка VI или SGP (от stratum griseum profundum (нижний серый слой)) состоит из плотно упакованных нейронов и аксонов между ними.
— Пластинка VII или SAP (от stratum album profundum (нижний белый слой)) находится точно над центральным серым телом (periaqueductal gray) и состоит только из аксонов.
Рис. 23. Изображён поперечный срез мозга мыши на уровне верхних холмиков.Видим, что имеется достаточно чёткая градация клеток на разные слои. Например, V1M — первичная зрительная кора, V2L — вторичная зрительная кора и т. д.(рисунок из интернета)
Верхние слои ВД получают импульсы в основном от сетчатки глаз, визуальных зон коры и ещё двух связанных с тектумом структур, называемых «претектальная область», «претектум» (pretectum) и «парабигемиальные ядра» (parabigeminal nucleus). Проекции от сетчатки охватывают всю область верхних слоёв и являются формально билатеральными (от каждого глаза в обе половинки ВД), хотя контрлатеральные проекции (от противоположного глаза) значительно превосходят ипсилатеральные в приблизительном соотношении 95 % к 5 %. Кортикальные проекции приходят преимущественно от первичной визуальной коры (зона 17), вторичной визуальной коры (зоны 18 и 19) и фронтальных глазных полей (frontal eye fields — FEF). Ядра parabigeminal nucleus (претектум) также играют весьма значительную роль для выполнения тектальных функций, что будет описано далее.
В отличие от исключительно визуального доминирования в проекциях на верхние уровни тектума, его средние и нижние уровни имеют связи с очень разнообразным набором сенсорных и моторных структур мозга. Большинство остальных зон коры мозга шлют свои проекции именно к этим уровням, хотя связи от «ассоциативных» зон выглядят более значительно, чем связи от первичных сенсорных и моторных областей. Количество связей от различных зон коры к этим уровням значительно варьируется для различных видов животных.
Ещё одна очень важная проекция приходит в средние уровни ВД от ретикулярного чёрного тела (substantia nigra pars reticulata) компоненты базальных ганглий. В ней используется тормозящий (подавляющий) нейротрансмиттер GABA и предполагается, что таким образом контролируется общий пропускной («gating») эффект для информации через верхнее двухолмие (от верхних слоёв к моторным средним и нижним). Кроме того промежуточные и нижние слои ОТ получают проекции от спинных ядер тройничного нерва (spinal trigeminal nucleus), которые передают соматосенсорную информацию от лица, а также проекции от гипоталамуса (hypothalamus), от субталамической неопределённой зоны (zona incerta), таламуса (thalamus), и нижнего двухолмия (inferior colliculus).
Кроме отличий во входящих связях верхние и нижние слои тектума также сильно различаются и в своих выходных проекциях. Для верхних слоёв один из важнейших выходов идёт в подушкообразное ядро (pulvinar) и латеральную среднюю зону таламуса, которая в свою очередь проецируется в зоны коры, связанные с контролем движений глаз. Кроме того, есть проекции от верхних уровней к претектальным ядрам (подробнее описанные далее) и латеральному коленчатому телу таламуса. Проекции от нижних слоёв тектума гораздо более разнообразны. Среди них есть два крупных нисходящих пути, идущих в ствол мозга и спинной мозг, а также множество восходящих проекций к различным сенсорным и моторным структурам, включая некоторые участвующие в инициации движений глаз.
При более подробном изучении становится видно, что уровни двухолмия не являются однородными слоями, но организованы в отдельные колонки расположенные сотовым образом. Наиболее явно колоночная структура проявляется при маркировании холинергических проекций от претектальных ядер, чьи терминали образуют сходные по размерам кластеры, простирающиеся от верхних до нижних слоёв тектума. Однако и другие нейрохимические маркеры, включая рецепторы калретинина (calretinin), парвальбумина (parvalbumin), GAP-43, NMDA, а также карты связей с различными структурами в стволе и промежуточном мозге, показывают сходную неоднородность. Общее число колонок в тектуме оценивается приблизительно в 100 штук. Функциональное значение такой колоночной организации тектума до сих пор до конца не ясно, однако в недавних исследованиях появились свидетельства, что указанные выше холинергические связи являются частью рекуррентной цепочки связей, которые динамически выявляют абсолютных «победителей» в активации колонок тектума. Более подробно этот механизм описан далее.
Хотя у всех исследованных видов позвоночных, включая млекопитающих и прочих, была обнаружена описанная модуляризация тектума, тем не менее имеется несколько систематических различий в деталях их строения. Для видов с равномерной сетчаткой (в основном для видов с боковым расположением глаз, таких как зайцы или лоси) разбиение на модули распространялось на все верхнее двухолмие. Однако для видов с центральным расположением зрительной ямки подразделение на модули не соблюдалось полностью в ростральной области ВД (верхнее двухолмие), которая как раз связана с этой частью сетчатки. Эти области ВД содержат множество нейронов «фиксации взгляда», которые постоянно посылают импульсы, когда глаза животного остаются зафиксированными в одном положении.
Оптический тектум очень тесно связан с близкой к нему структурой, называемой претектальные ядра (nucleus isthmii для немлекопитающих), которая недавно привлекла к себе пристальное внимание, поскольку появились новые данные о значительном вкладе этой структуры в исполнение «выделяющих» функций тектума. Для млекопитающих, где оптический тектум называется верхним двухолмием, данная структура также имеет другое название — парабигемиальные ядра (parabigeminal nucleus). Тем не менее, это одна и та же структура, только с разными названиями. Эти ядра, в свою очередь, разделяют на две подструктуры — с крупными клетками (pars magnocellularis, Imc) и с «мелкими» клетками (pars parvocellularis — Ipc). Первую подструктуру (Imc) также ещё называют полумесячным ядром (pars semilunaris), поскольку оно выглядит как полумесяц на поперечных срезах среднего мозга.
Как показано на прилагаемой диаграмме, соединения между тектумом и претектальными ядрами Imc и Ipc имеют чёткий топографически согласованный порядок. Нейроны из верхних слоёв тектума проецируются в соответствующие точки Imc и Ipc. При этом их проекции в Ipc чётко сфокусированы, а проекции в Imc гораздо более «размыты». Ipc в свою очередь посылает чётко сфокусированные холинергические (возбуждающие) проекции и в Imc и обратно в тектум, где они образуют терминали по всей колонке тектума, от верха до низа. Напротив, Imc посылает GABA-проекции (тормозные) в Ipc и тектум, которые распространяются гораздо более широко по площади, захватывая большую часть их «карты». Таким образом, описанная здесь цепь нейронных связей тектум-Ipc-Imc обеспечивает рекуррентную обратную связь для импульсной активности в тектуме, что даёт в результате чётко сфокусированное возбуждение в колонке нейронов тектума вместе с обширным подавлением удалённых тектальных нейронов.
Высший колликулус обезьян и людей содержит многочисленные нейроны, иммунореактивные к кальцийсвязывающим белкам калретинину, кальбиндину и парвальбумину, но с различными паттернами распределения по слоям. В то время как малые кальбиндин-позитивные нейроны представляют собой преимущественно интернейроны, некоторые из которых являются Гамкергическими, многие крупные и средние парвальбуминсодержащие нейроны в глубоких слоях верхнего колликула являются проекционными нейронами, включая предорсальные пучковые волокна, которые иннервируют нейроны саккадической премоторной сети в Понтийской ретикулярной формации. Глубокие слои верхнего колликулюса содержат волокнистые пятна, наблюдаемые с помощью гистохимии ацетилхолинэстеразы. Эти участки перекрываются с кластерами нейронов, которые дают начало текторетикулярным путям, контролирующим ориентацию глаза и головы на предупреждающие стимулы. Эти нейронные кластеры были показаны, чтобы получить конкретный передатчик афференты от ножкомостового ядра покрышки, связанные с вниманием, которые содержат ацетилхолин и оксид азота, а также из ГАМКергических клеток в чёрной субстанции pars reticulata, которые накладывают тонизирующее торможение на верхний колликулус, который останавливается во время саккад.
Далее рассмотрим нижние холмики.
Нижние холмики. Нижний колликулус (=холмики) является главным ядром среднего мозга слухового пути и получает вход от нескольких периферических ядер ствола мозга в слуховом пути, а также входы от слуховой коры. Нижний колликулус имеет три подразделения: центральное ядро, дорсальную кору, которой он окружен, и внешнюю кору, которая расположена сбоку. Его бимодальные нейроны вовлечены в слухо-соматосенсорное взаимодействие, получая проекции от соматосенсорных ядер. Эта мультисенсорная интеграция может лежать в основе фильтрации самостоятельно производимых звуков от вокализации, жевания или дыхания.
Рис. 24. Нижние холмики среднего мозга (рисунок из интернета)
Нижней бугорок имеет три подразделения:
• Центральное ядро овальной формы (CIC)
• Ядра intercollicular;
• Внешнего ядра;
Рис. 25. Структура нижних холмиков человека. Видны 3 деления: центральное ядро CIC, внешний кортекс (ECIC), дорсальное ядро (DCIC) (рисунок из интернета)
*Центральное ядро — это самое большое деление нижнего колликула (нижнего холмика). Оно содержит небольшие нейроны размером с сому. Вкрапление Гольджи выявляет мелкие перикарии и очень длинные, параллельно ориентированные дендриты, в частности в его боковой части. Кроме того, существуют звездчатые клетки с различными размерами сомы и точками ветвления их дендритного поля. Все они имеют многополярные соматические и звездообразные дендритные узоры. Диаметр индивидуального дендритного поля коррелирует с размером сомы. Малые нейроны расширяют свои дендриты до 200 мкм; более крупные нейроны имеют дендритные поля более 200 мкм. Центральное ядро тонотопически организовано. Нейроны, реагирующие на более высокие частоты, организованы в полосы, ориентированные параллельно поверхности нижнего колликула; они расположены вентрально в ядре. Более низкочастотные нейроны организованы в аналогичные полосы, но расположены дорсально.
Центральное ядро получает проекции от контралатерального кохлеарного ядра, латеральных верхних олив, ипсилатерального медиального верхнего оливарного ядра и ядер латерального лемниска.
Межколликулярное и наружное ядро Нижнего колликула имеют ламинарную структуру, которая видна в иммуногистохимическом образце ствола мозга макаки-резуса. Поэтому эти две части иногда называют «корой» (дорсальная кора и латеральная или внешняя кора). Слои ориентированы параллельно поверхности нижней бугорок. Звездчатые клетки с многополярной ориентацией представляют собой доминирующий тип клеток. Ламинарная картина является результатом ориентации аксонального сплетения. В ядре дорсального, в соответствии с заданными параметрами формируется афференты коры конечного, кохлеарные ядра, и бокового lemniscus.
Вход из верхнего оливарного комплекса заканчивается исключительно на внешнем ядре нижнего двухолмия; эта проекция является двусторонней и ГАМК-эргической. Внешнее ядро получает проекции, исходящие из контралатерального дорсального кохлеарного ядра, центрального ядра (ипсилатерального и контралатерального) и билатерально из дорсального ядра латерального лемниска.
Слева и справа уступает бугорок соединены между собой через истинную комиссура. Спайка пересекает срединную линию спинного мозга до акведука. Комиссуральные аксоны возникают в нейронах дорсального ядра и достигают контралатерального межколликулярного ядра вместе с нисходящими аксонами из слуховой коры. Спайка нижнего двухолмия соединяет левую и правую стороны слухового среднего мозга и обеспечивает окончательную возможность взаимодействия между двумя сторонами слухового пути на подкорковом уровне. Топографическая организация этих соединений в значительной степени неизвестна. Однако комиссуральные нейроны в центральном ядре крысы проецируются на эквивалентные частотно-полосные пластинки в центральном ядре и дорсальной и латеральной коре контралатерально; нейроны в латеральной коре Нижнего колликулуса вносят лишь очень слабый вклад в комиссуральный путь.
Субъединица калиевого канала Kv3 обнаружена в нейронах, которые следуют высокочастотным стимулам. Топографическое представление слухового пространства в наружном ядре Нижнего колликула морской свинки коррелирует с периодической сетью нейрохимических модулей. Сопоставимые модели можно найти в двухолмия человека. Такая организация связывает зрительные стимулы с двигательной функцией через ретикулярную формацию, которая необходима, например, при движении головы.
Кальцийсвязывающие белки, такие как кальретинин, кальбиндин-D28k и парвальбумин, все больше и больше попадали в фокус исследования слуховой системы. Эти белки широко используются иммуноцитохимическими маркерами в нижнем колликуле, поскольку они участвуют в активностно-зависимых и кальцийопосредованных процессах. Шарма и др. исследовали закономерность распределения экспрессии кальцийсвязывающих белков в нижних колликулах человека с 14 до 29 недель гестации и выдвинули гипотезу о том, что морфологическое созревание нейронов нижних колликулусов является активностно-зависимым процессом.
Экспрессия рецепторов парвальбумина была обнаружена в центральном ядре, в то время как кальбиндин-D28k был распределён в слоистых частях Нижнего колликула обезьяны-резуса. Тардиф и его коллеги сообщили об одном и том же распределении кальцийсвязывающих белков в нижнем колликуле человека и выявили по меньшей мере две популяции нейронов, которые были анатомически сегрегированы. Эти результаты подтверждают представление о двух химически определённых слуховых трактах в пределах нижнего колликула. Тардиф и др. (2003) интерпретировали их результаты как указание на параллельную обработку в подкорковых слуховых структурах человека по аналогии с таковой у нечеловеческих приматов.
Нижний колликулус посылает эфференты через плечо нижнего двухолмия к медиальному коленчатому телу. Это соединение в основном ипсилатеральное, но содержит и контралатеральные компоненты. Двусторонняя проекция с использованием ГАМК в качестве нейромедиатора составляет 10–30 % нейронов слуховой тектоталамической системы кошки. В дополнение к ГАМК-энергетическим проекциям, нижний колликулус посылает глутаматерные проекции в таламус.