Volodymyr Betz

Володимир Бец

Без будь-якого сумніву, серед багатьох наукових здобутків Володимира Беца, відкриття ним гігантськихгантських пірамідальних нейронів (також відомих як клітин Беца) було найвизначнішим і найвагомішим досягненням. Йому присвячено цей окремий підрозділ нашоі веб-сторінки. Ми намагалися інформативно проілюструвати його мікроскопічними зображеннями клітин Беца, взятими з різних джерел; більше ілюстрацій дивіться у розділі Галерея. Гігантські пірамідальні нейрони – це моторні нейрони V шару сірої речовини первинної рухової кори головного мозку. їх ще називають клітинами Беца – в честь видатного українського фізіолога та нейроанатома Володимира Беца, який виявив їх і вперше описав у 1874 році (Betz, 1874). Гігантські пірамідальні нейрони і найбільшими за розмірами (до 100-120 мкм у діаметрі) клітинами центральної нервової системи (Purves et al., 2008), мають товсту мінлінову оболонку. На забарвлених препаратах моторної кори їх легко виявити, оскільки тіла цих клітин у 20 разів більші за розміром, ніж тіла інших пірамідальних нейронів. Клітини Беца розміщені у V шарі кори головного мозку, де не утворюють компактного шару, а переважно ізольовані або зібрані у невеликі кластери (Meyer et al., 2014).

Рис. 1. А. Клітини Беца у V шарі моторної кори головного мозку людини (фарбування за Нісслем, масштаб 40 мкм). Б. Парв+альбумін-імунореактивна клітина Беца з інтенсивно позитивними синапсами, що контактують з її тілом (масштаб 40 мкм). В. Клітини Беца та пірамідальні клітини середнього розміру (астериски), забарвлені за методом Гольджі (За Meyer et al., 2014).

Аксони клітин Беца спрямовані донизу, входять до складу пірамідальних шляхів та з’єднуються з екстрапірамідальною системою та підкорковими ядрами. У стовбурі мозку вони роблять перехрест і надалі прямують до передніх рогів спинного мозку з контралатерального боку, причому найдовші з їхніх аксонів досягають каудальних сегментів спинного мозку. Апікальні дендрити клітин Беца досягають 1-го шару сірої речовини первинної рухової кори головного мозку. Окрім одного апікального дендрита, типового для пірамідальних нейронів, клітини Беца мають ще кілька первинних дендритних відростків, які можуть відходити від тіла нейрона у вигляді асиметричних гілок практично у будь-якому напрямку (Braak, 1976). Ці перисоматичні (навколо тіла клітини) та базальні дендрити проектуються в усі шари кори: більшість горизонтальних гілок знаходяться у V VI шарах, а деякі досягають білої речовини (Meyer, 1987). Соматосенсорні сигнали прямують до клітин Беца по кортико-кортикальних волокнах з шарів.

Рис. 2. Мікрофотографїї гігантських пірамідальних клітин Беца.

Кількість клітин Беца у руховій зоні кори кожної півкулі головного мозку людини становить 25-35 тис, що складає близько 10% всіх пірамідальних клітин (Rivara et al., 2003). Частка аксонів цих клітин у складі латеральних пірамідальних провідних шляхів становить 2-3%.

Рис. 3. Гігантські пірамідальні нейрони головного мозку собаки. Спиртово-амонійна фіксація за методом Рансона, збільшення у 162 рази.

На Рис. 3 представлено мікрофотографію зрізу рухової кори собаки (зона 4), де були виявлені клітини Беца. Зверніть увагу на велике багатополярне тіло клітини (перикаріон) та апікальний дендрит, спрямований в напрямку поверхні кори. Навколо тіл клітин розміщена нейроглія (нейропіль), у якій мають місце безліч синаптичних контактів (їх неможливо побачити за допомогою цього методу мікроскопування) між нервовими клітинами та їх відростками (Bergman et al.). Спочатку функціональне значення клітин Беца було невідомим і їм не придявляли значної уваги. Проте згодом ситуація кардинально змінилася: англійський нейробіолог, лауреат Нобелівської премії Чарльз Скотт Шеррінгтон (Charles Scott Sherrington) показав, що в собак руйнування ділянок головного мозку, багатих на клітини Беца, призводить до нейродегенеративних змін. Також згодом було встановлено, що пошкодження клітин Беца призводить до моторних порушень, таких як латеральний аміотрофічний склероз.

Про найвизначніше відкриття Володимира Беца дуже гарно написано у статті Сергія Кушчаіва, Віталія Москаленка та інших, яка була опублікована 2012 року у журналі Brain (Kushchayev et al., 2012). Тому вважаємо за доцільне навести тутїї частину, тим більше, що вона містить цитати із праць самого Володимира Беца: і Найбільшою заслугою Беца є встановлення зв’язку між будовою та функціями головного мозку з використанням специфічних, унікальних гістологічних даних. Борозна Роландо поділяє поверхню мозку на дві частини; у передній частині переважають великі пірамідальні клітини. Вони переважно розміщені у четвертому шарі кори та мають розміри 0,05–0,06 мм у ширину та 0,04-0,12 мм у довжину. … Без сумніву, ці клітини мають всі ознаки так званих моторних клітин та безумовно продовжуються у вигляді церебральних нервових волокон (Betz, 1874, pp. 578–80, 595–9). Бец писав, що виявив ці клітини (як він назвав гігантськими пірамідами) у Мейнертовому четвертому шарі кори (тобто наступному після найглибшого шару) у прецентральній звивині. З тих часів нумерацію шарів було переглянуто, і тепер клітини Беца визначають у складі п’ятого кортикального шару. Як у прецентральній звивині людини, Бец виявив ці клітини у тій самій локалізації у собак, а також у шимпанзе, бабуїнїв та інших приматів (Рис. 4) (Betz, 1874).

Рис. 4. (А). Оригінальні мікропрепарати Володимира Беца, які демонструють блискучу техніку забарвлення карміном. (Б) Сучасна мікрофотографія одного з препаратів Беца демонструє пірамідальні клітини кори. Незважаючи на те, що тодішні методи забарвлення не давали такого чіткого зображення, яке дозволяють сучасні, Бецу вдавалося інтерпретувати на них клітини та їх відростки. Це перша публікація препаратів Беца у кольорі. Фотографії люб'язно надані музеєм Беца на кафедрі анатомії Національного медичного університету ім. Богомольця, Київ, Україна.

Відкриття гігантських пірамідальних нейронів у п’ятому шарі первинної моторної кори, пов’язане з глибоким вивченням функцій кори та уможливлене ним, було опубліковане у знаковій статті у журналі “Anatomischer Nachweis Gehirncentra” (Betz, 1874). Описання Бецом процесів у пірамідальних клітинах поклало початок поясненню відкритого Еренбергом зв’язку волокон головного мозку з волокнами спинного мозку та периферичними (терміни «клітини», «дендрити» та «прецентральна» були додані авторами для більшої зрозумілості цитати): «Кожна з них (клітин) має два основних відростки та від 7 до 15 протоплазматичних відростків (дендритів), які, у свою чергу, розгалужуються на менші. При основі один з головних відростків товстий, як і в інших пірамідальних клітин кори. Потім він звужується в ході просування до периферії кори, розгалужуючись при цьому . Інший відросток, однак, є тонким; він відходить від ядра клітини і переходить безпосередньо в осьовий циліндр, який на незначній відстані стає товстішим і вкривається нервовою оболонкою. Таким чином, він безсумнівно продовжується у вигляді нерва. Клітини цієї ділянки передньої кори головного мозку не утворюють суцільного шару, а групуються у гнізда з однієї, двох, трьох або більше клітин, які знаходяться на відстані 0.3-0,7 мм один від одного. У такому гнізді деколи можна виявити до п'яти осередків різних розмірів, у тому числі і розмірів, зазначених вище. Крім того, ці клітини рідше зустрічаються в нижній половині передньої центральної (прецентральної) звивини, але більш численні і щільніше розміщені в її верхньому кінці і в частині медіальної поверхні півкулі» (Betz, 1874, pp. 578–80, 595–9; Clarke and O'Malley, 1996). З властивою йому увагою до методологічних деталей,

Бец прагнув визначити особливості гігантських пірамідальних клітин і їх відростків у зразках мозку молодих і літніх людей: "У молодих людей і в мозку одинадцятирічної дитини я виявив менше гнізд; клітини були меншими і мали менше протоплазматиних відростків. У дуже старих мозках (сімдесят років і дещо молодші) ядро цих клітин починає виглядати дуже специфічно і складається з жовтих гранул, стійких до кармінового барвника. У дітей і молодих людей ці клітини мають однорідну протоплазму, яка рівномірно забарвлюється карміном без жодних вкраплень.

Ці клітини більш численні і мають більші розміри в правій півкулі, ніж у лівій .... Ці гігантські піраміди зустрічаються в зазначених областях в кожному людському мозку, в мозку розумово відсталих, у шимпанзе, в сірого, коричневого та малого перського павіана і в зеленої мавпи" (Betz, 1950b, p. 225; Clarke and O'Malley, 1996). Мабуть, найголовнішим для демонстрації функціональної значущості пірамідальних клітин є те, що Бец не тільки пов'язав їх з результатами Fritsch і Hitzig, але й виявив їх існування у тих самих видів, з якими працювали Fritsch і Hitzig: "Така постійність розміщення цих клітин в одному й тому ж шарі кори та певній звивині спонукала мене зосередити увагу на тій ділянці мозку тварин, в основному собаки, на якій Fritsch і Hitzig одержали свої блискучі фізіологічні результати, тобто на долі, яка межує з хрестоподібною борозною. Тепер я виявив клітини тієї ж форми і точно так само розміщені в гніздах у собаки, причому саме у згаданій долі. Таким чином, у собак, так само як у людини, вони розміщуються в четвертому кортикальному шарі і виявляються тільки в цій частці і в передній половині задньої (постцентральної) звивини, що межує з нею. У собак вони мають дещо менші розміри, але все одно є найбільшими у всій їхній нервовій системі. Крім того, ці клітини володіють двома великими і безліччю дрібних відростків, а внутрішній відросток входить до істинного нервового волокна. В області, де вони знаходяться, видимі також багато осьових циліндрів у білій речовині, які йдуть в тому ж напрямку, що і у людини. Безсумнівно, ці клітини мають всі ознаки так званих "моторних клітин" і дуже чітко продовжуються у мозкових нервових волокнах (Betz, 1874, pp. 578–80, 595–9; Clarke and O'Malley, 1996). Пов’язуючи цитоархітектоніку кори головного мозкуз фізіологічною функцією, Володимир Бец виділив дві області такої організації: моторну і сенсорну: «На підставі цих результатів можна стверджувати, що існують дві мозкові області, які можуть бути визнані в якості двох центрів: один руховий, а інший сенсорний' (Betz, 1874, pp. 578–80, 595–9; Clarke and O'Malley, 1996). Бец описав функціональні зони на підставі гістологічних спостережень і тим самим відкрив шлях для вивчення зв’язків між клітинами і ділянками кори. Його роботи заклали основу для сучасної доктрини цитоархітектоніки, заснованої на макро- і мікроскопічних дослідженнях поверхні кори головного мозку, що дозволили йому спостерігати шляхи нервових клітин у головному мозку. Пов'язавши цітоархітектуру, нейрофізіологію та церебральну локалізацію, відкриття пірамідальних клітин стало важливою подією в філософських і наукових поглядах на мозок. Бец поєднав своє відкриття з експериментами з електричної стимуляції рухових центрів головного мозку. Він не тільки вивчав морфологію пірамідальних клітин, але також виявив їхню функцію, пов'язуючи свої висновки з передовими нейрофізіологічними та феноменологічними відкриттями тих часів: "Попередні дослідження анатомів і гістологів не знайшли належного анатомічного підґрунтя для пояснення результатів експериментів Fritsch і Hitzig» (Betz, 1950d, p. 229). У роботі

«Uber die feinere Struktur der Gehirnrinde des Menschen» (Про деталі структури кори головного мозку у людини)", опублікованій в 1880 році, Бец подав архітектонічний поділ кори головного мозку і 'розташував (матеріал) у топографічному порядку'. Чітко визначивши п'ять коркових шарів (на відміну від простих ліній, виявлених Gennari та іншими у свіжих нефарбованих тканинах мозку), Володимир Бец виявив докази структурної спеціалізації, яку вважав пов'язаною з конкретними функціями, і описав гігантські пірамідальні клітини більш докладно: «Загальна структура кори головного мозку людини є наступною. Вона складається з п'яти різних шарів, розміщених один за іншим від зовнішнього шару до внутрішнього .... П'ятий шар побудований із особливих веретеноподібних клітин.

Цю п'ятишарову структуру кори головного мозку людини можна розглядати як основну закономірність. Досі специфічні особливості структури кори головного мозку в залежності від місця розташування були виявлені тільки в декількох областях. Meynert показав, що кора головного мозку навколо шпорної борозни не містить третього пірамідального шару, але має два зернисті шари, розділені шарами нервових волокон .... І, нарешті, згідно з моїми дослідженнями, кора передньої центральної звивини і парацентральної часточки містить гігантські клітини (гігантські пірамідальні клітини), які локалізовані в гніздах' (Betz, 1950d, pp. 230–1). Передньоцентральна звивина, починаючи від верхньої межі нижньої третини своєї довжини і вгору, демонструє такі особливості. По-перше, великі клітини (гігантські пірамідальні клітини) з'являються в цій ділянці у поверхневій частині шару V; ці клітини розташовані поодиноко або парами, і ці пари локалізовані на значній відстані одна від одної. Потім, дещо вище, ці клітини групуються в кластери по три або чотири, і відстань між цими кластерами зменшується. У ще вище розташованих ділянках ці кластери включають в себе більшу кількість клітин - не менше чотирьох, а іноді п'ять або навіть сім. З попереднього шару, тобто поверхневої частини шару V, ці кластери переходять у шар III і локалізовані в останньому як взаємопов'язані страти, а окремі клітини заходять у шар II, а також у шар IV і верхню частину шару V. В парацентральній частці цей шар знову ділиться на кластери, а також в межах даної частки ці клітини розміщені або шарами, один над іншим, або як кластери, що займають різні позиції (Betz, 1950d, p. 232).
ЛІТЕРАТУРНІ ДЖЕРЕЛА:
1. Bergman, R. A., Afifi A. K., Heidger, P. M. Atlas of Microscopic Anatomy: Section 6 - Nervous Tissue. Plate 6.86 Cerebral Cortex: Betz Cell. Retrieved from: http://www.anatomyatlases.org/
2. Betz W. (1874) Anatomischer Nachweis zweier Gehirncentra. Centralblatt für die medizinischen Wissenschaften, 12: 578-580, 595-599.
3. Braak, H; Braak, E (1976). The pyramidal cells of Betz within the cingulate and precentral gigantopyramidal field in the human brain. A Golgi and pigmentarchitectonic study. Cell and tissue research, 172 (1): 103–19.
4. Kushchayev, S. V., Moskalenko, V. F., Wiener, P. C., Tsymbaliuk, V. I., Cherkasov, V. G., Dzyavulska, I. V., Kovalchuk, O. I. , Sonntag V. K. , Spetzler, R. F. , Preul, M. C. (2012). The discovery of the pyramidal neurons: Vladimir Betz and a new era of neuroscience. Brain, 135 (1): 285-300.
5. Meyer G., González-Gómez M., Pueyo Morlans M., Carrillo Padillo F. J. (2014) Betz Cells. In: Encyclopedia of the Neurological Sciences (2nd Edition), 417–419
6. Meyer, G (1987). Forms and spatial arrangement of neurons in the primary motor cortex of man. The Journal of Comparative Neurology, 262 (3): 402–28.
7. Purves, D., Augustine, G. J. Fitzpatrick D., Hall, W. C., LaMantia, A. S., McNamara, J. O., White, L. E. (2008). Neuroscience (4th ed.) (pp. 432–434). Sunderland, Massachusetts: Sinauer Associates.
8. Rivara, C. B., Sherwood, C. C., Bouras, C, Hof, P. R. (2003). Stereologic characterization and spatial distribution patterns of Betz cells in the human primary motor cortex. The Anatomical Record. Part A: Discoveries in Molecular, Cellular, and Evolutionary Biology, 270 (2): 137–51.