Шишковидная железа (также известная как шишковидное тело [1] или эпифиз мозга ) — небольшая эндокринная железа в мозге большинства позвоночных . Она вырабатывает мелатонин , гормон , производный от серотонина , который модулирует режим сна в соответствии с суточными циклами . [2] Форма железы напоминает сосновую шишку , что и дало ей ее название. [3] Шишковидная железа расположена в эпиталамусе , недалеко от центра мозга, между двумя полушариями , в углублении, где соединяются две половины таламуса . [ 4] [5] Это один из нейроэндокринных секреторных циркумвентрикулярных органов , в котором капилляры в основном проницаемы для растворенных веществ в крови. [6]
Шишковидная железа присутствует почти у всех позвоночных, но отсутствует у протохордовых , у которых есть простой гомолог шишковидной железы. Миксина , считающаяся примитивным позвоночным, имеет рудиментарную структуру, рассматриваемую как «шишковидный эквивалент» в дорсальном промежуточном мозге . [7] У некоторых видов амфибий и рептилий железа связана со светочувствительным органом, называемым по-разному теменным глазом , шишковидным глазом или третьим глазом . [8] Реконструкция модели биологической эволюции предполагает, что шишковидная железа изначально была своего рода атрофированным фоторецептором , который развился в нейроэндокринный орган.
Древние греки были первыми, кто заметил шишковидную железу и считал ее клапаном, хранителем потока пневмы . Гален во II веке н. э. не смог найти никакой функциональной роли и считал железу структурной опорой для мозговой ткани. Он дал ей название konario, что означает конус или шишка, которое в эпоху Возрождения было переведено на латынь как pinealis. Философ XVII века Рене Декарт считал, что железа имеет мистическое назначение, описывая ее как «главное местонахождение души». В середине XX века была установлена ее биологическая роль как нейроэндокринного органа. [9]
Слово «шишковидная железа» (pineal ) происходит от латинского слова pinea ( шишка ) и относится к схожей форме железы. Впервые оно было использовано в конце 17 века. [3]
Шишковидная железа — это непарная срединная структура мозга в форме сосновой шишки (отсюда и название). [3] [10] Она красновато-серого цвета и размером с рисовое зерно (5–8 мм) у людей. Она является частью эпиталамуса . [ 1] Она прикреплена к остальной части мозга шишковидным стеблем. [11] Вентральная пластинка шишковидного стебля продолжается с задней комиссурой , а ее дорсальная пластинка — с габенулярной комиссурой . [11]
Обычно он лежит в углублении между двумя верхними холмиками четверохолмия . [11] Он расположен между латерально расположенными таламическими телами и позади габенулярной спайки . Он расположен в четверохолмной цистерне . [1] Он расположен позади третьего желудочка и охватывает небольшое, заполненное спинномозговой жидкостью шишковидное углубление третьего желудочка, которое выступает в ножку железы. [12]
В отличие от большинства частей мозга млекопитающих, эпифиз не изолирован от организма системой гематоэнцефалического барьера ; [13] он имеет обильный кровоток, уступающий только почкам , [ 14] снабжаемый хориоидальными ветвями задней мозговой артерии .
Афферентное нервное питание шишковидной железы осуществляется конариевым нервом, который получает постганглионарные симпатические афференты от верхнего шейного ганглия , [15] и парасимпатические афференты от крылонебных ганглиев и слуховых ганглиев . [15] [16] Согласно исследованиям на животных, нейроны тройничного ганглия , которые участвуют в передаче нейропептидных сигналов аденилатциклазоактивирующего пептида гипофиза, проецируют железу. [17] [16]
Канонический нейронный путь, регулирующий выработку мелатонина шишковидной железой, начинается в глазу с внутренне светочувствительных ганглиозных клеток сетчатки, которые проецируют ингибирующие ГАМКергические эфференты в паравентрикулярное ядро гипоталамуса через ретиногипоталамический тракт . Паравентрикулярное ядро, в свою очередь, проецируется в верхние шейные ганглии, которые в конечном итоге проецируются в шишковидную железу. Таким образом, темнота приводит к растормаживанию паравентрикулярного ядра, что приводит к активации выработки мелатонина шишковидной железой через верхние шейные ганглии. [18]
Шишковидное тело человека состоит из дольчатой паренхимы пинеалоцитов , окруженных соединительнотканными пространствами. Поверхность железы покрыта мягкой мозговой оболочкой.
Шишковидная железа состоит в основном из пинеалоцитов , но были идентифицированы четыре других типа клеток . Поскольку она довольно клеточная (по отношению к коре и белому веществу), ее можно ошибочно принять за новообразование . [19]
Человеческая шишковидная железа увеличивается в размерах примерно до 1–2 лет, оставаясь стабильной после этого, [20] [21] хотя ее вес постепенно увеличивается с наступлением половой зрелости. [22] [23] Считается, что обильный уровень мелатонина у детей подавляет половое развитие, а опухоли шишковидной железы связаны с преждевременным половым созреванием . Когда наступает половое созревание, выработка мелатонина снижается. [24]
У данио-рерио эпифиз не располагается по обе стороны средней линии, а имеет левосторонний уклон. У людей функциональное церебральное доминирование сопровождается тонкой анатомической асимметрией. [25] [26] [27]
Одной из функций эпифиза является выработка мелатонина . Мелатонин выполняет различные функции в центральной нервной системе , наиболее важной из которых является помощь в модулировании режимов сна. Выработка мелатонина стимулируется темнотой и подавляется светом. [28] [29] Светочувствительные нервные клетки в сетчатке обнаруживают свет и посылают этот сигнал в супрахиазматическое ядро (SCN), синхронизируя SCN с циклом день-ночь. Затем нервные волокна передают информацию о дневном свете из SCN в паравентрикулярные ядра (PVN), затем в спинной мозг и через симпатическую систему в верхние шейные ганглии (SCG), а оттуда в шишковидную железу.
Соединение пинолин , как утверждается, также вырабатывается в шишковидной железе; это один из бета-карболинов . [30] Это утверждение является предметом некоторых споров. [ необходима цитата ]
Исследования на грызунах показывают, что эпифиз влияет на секрецию половых гормонов гипофизом, фолликулостимулирующего гормона (ФСГ) и лютеинизирующего гормона (ЛГ). Пинеалэктомия , проведенная на грызунах, не привела к изменению веса гипофиза, но вызвала увеличение концентрации ФСГ и ЛГ в железе. [31] Введение мелатонина не вернуло концентрацию ФСГ к нормальным уровням, что предполагает, что эпифиз влияет на секрецию ФСГ и ЛГ гипофизом через неописанную передающую молекулу. [31]
Шишковидная железа содержит рецепторы для регуляторного нейропептида , эндотелина-1 , [32], который при инъекции в пикомолярных количествах в боковой желудочек мозга вызывает опосредованное кальцием увеличение метаболизма глюкозы в пинеальной железе . [33]
Исследования на мышах показывают, что мелатонин, вырабатываемый пинеальной железой, регулирует отложение новых костных клеток. Мелатонин, вырабатываемый пинеальной железой, опосредует свое действие на костные клетки через рецепторы MT2. Этот путь может быть потенциальной новой целью для лечения остеопороза, поскольку исследование показывает лечебный эффект перорального лечения мелатонином в модели постменопаузального остеопороза у мышей. [34]
Кальцификация шишковидной железы типична для молодых людей и наблюдается у детей в возрасте двух лет. [35] Известно, что внутренняя секреция шишковидной железы подавляет развитие репродуктивных желез, поскольку при ее серьезном повреждении у детей ускоряется развитие половых органов и скелета. [36] Кальцификация шишковидной железы пагубно влияет на ее способность синтезировать мелатонин [37] [38] , и в научной литературе представлены неубедительные выводы о том, вызывает ли она проблемы со сном. [39] [40]
Кальцификация шишковидной железы часто наблюдается на рентгеновских снимках черепа . [35] Уровень кальцификации сильно различается в зависимости от страны и коррелирует с возрастом, при этом кальцификация встречается примерно у 40% американцев к семнадцати годам. [35] Кальцификация шишковидной железы связана с corpora arenacea , также известным как «мозговой песок».
Опухоли шишковидной железы называются пинеаломами . Эти опухоли редки и в 50–70% случаев являются герминомами , которые возникают из секвестрированных эмбриональных половых клеток . Гистологически они похожи на семиномы яичек и дисгерминомы яичников . [41]
Опухоль шишковидной железы может сдавливать верхние холмики четверохолмия и претектальную область дорсальной части среднего мозга , вызывая синдром Парино . Опухоли шишковидной железы также могут вызывать сдавливание водопровода мозга , что приводит к несообщающейся гидроцефалии . Другие проявления являются следствием их давления и включают в себя зрительные нарушения, головную боль , ухудшение умственной деятельности и иногда поведение, подобное деменции. [42]
Эти новообразования делятся на три категории: пинеобластомы, пинеоцитомы и смешанные опухоли, в зависимости от уровня их дифференциации, который, в свою очередь, коррелирует с их неопластической агрессивностью. [43] Клиническое течение у пациентов с пинеоцитомами длительное, в среднем до нескольких лет. [44] Расположение этих опухолей затрудняет их хирургическое удаление.
Морфология эпифиза заметно различается при различных патологических состояниях. Например, известно, что его объем уменьшается как у пациентов с ожирением , так и у лиц с первичной бессонницей . [45]
Почти все виды позвоночных обладают шишковидной железой. Самым важным исключением является примитивное позвоночное, миксина . Однако даже у миксины может быть структура «шишковидного эквивалента» в дорсальном промежуточном мозге . [7] Несколько более сложных позвоночных утратили шишковидные железы в ходе своей эволюции. [46] Однако у миноги ( еще одного примитивного позвоночного) она есть. [47] У ланцетника Branchiostoma lanceolatum , раннего хордового, который является близким родственником позвоночных, также отсутствует узнаваемая шишковидная железа. [47] Протохордовые в целом не имеют отчетливой структуры как органа, но у них есть масса фоторецепторных клеток, называемых пластинчатым телом , которое считается гомологом шишковидной железы. [48] [49]
Результаты различных научных исследований в области эволюционной биологии, сравнительной нейроанатомии и нейрофизиологии объяснили эволюционную историю ( филогенез ) эпифиза у разных видов позвоночных. С точки зрения биологической эволюции эпифиз представляет собой своего рода атрофированный фоторецептор . В эпиталамусе некоторых видов амфибий и рептилий он связан со светочувствительным органом, известным как теменной глаз , который также называют пинеальным глазом или третьим глазом. [8] Вероятно, что общий предок всех позвоночных имел пару фотосенсорных органов на макушке головы, подобно расположению у современных миног . [50] У многих низших позвоночных (таких как виды рыб, амфибий и ящериц) пинеальная железа связана с теменным или пинеальным глазом . У этих животных теменной глаз действует как фоторецептор, и поэтому также известен как третий глаз, и его можно увидеть на макушке головы у некоторых видов. [51] Некоторые вымершие девонские рыбы имеют два теменных отверстия в черепе, [52] [53] что предполагает предковую билатерализацию теменных глаз. Теменной глаз и шишковидная железа современных четвероногих, вероятно, являются потомками левой и правой частей этого органа соответственно. [54]
Во время эмбрионального развития теменной глаз и шишковидный орган современных ящериц [55] и туатар [56] формируются вместе из кармана, сформированного в эктодерме мозга . Утрата теменных глаз у многих ныне живущих четвероногих поддерживается развитием парной структуры, которая впоследствии сливается в одну шишковидную железу у развивающихся эмбрионов черепах, змей, птиц и млекопитающих. [57]
Пинеальные органы млекопитающих попадают в одну из трех категорий в зависимости от формы. У грызунов более структурно сложные пинеальные железы, чем у других млекопитающих. [58]
Крокодилы и некоторые тропические линии млекопитающих (некоторые ксенартраны ( ленивцы ), ящеры , сирены ( ламантины и дюгони ) и некоторые сумчатые ( сахарные планеры )) утратили как теменной глаз, так и шишковидный орган. [59] [60] [58] Полярные млекопитающие, такие как моржи и некоторые тюлени, обладают необычно большими шишковидными железами. [59]
У всех земноводных есть шишковидная железа, но у некоторых лягушек и жаб также есть так называемый «лобный орган», который по сути является теменным глазом. [61]
Пинеалоциты у многих позвоночных, не относящихся к млекопитающим, имеют сильное сходство с фоторецепторными клетками глаза . Данные морфологии и биологии развития предполагают, что пинеальные клетки имеют общего эволюционного предка с клетками сетчатки. [62]
Цитоструктура шишковидной железы , по-видимому, имеет эволюционное сходство с клетками сетчатки боковых глаз. [62] Современные птицы и рептилии экспрессируют фототрансдуцирующий пигмент меланопсин в шишковидной железе. Считается, что шишковидные железы птиц действуют как супрахиазматическое ядро у млекопитающих . [63] Структура шишковидного глаза у современных ящериц и туатары аналогична роговице, хрусталику и сетчатке боковых глаз позвоночных. [57]
У большинства позвоночных воздействие света запускает цепную реакцию ферментативных событий в шишковидной железе, которая регулирует циркадные ритмы . [64] У людей и других млекопитающих световые сигналы, необходимые для установки циркадных ритмов, посылаются от глаза через ретиногипоталамическую систему в супрахиазматические ядра (СХЯ) и шишковидную железу.
Окаменелые черепа многих вымерших позвоночных имеют пинеальное отверстие (отверстие), которое в некоторых случаях больше, чем у любого современного позвоночного. [65] Хотя окаменелости редко сохраняют глубокую мягкую анатомию мозга, мозг русской ископаемой птицы Cerebavis cenomanica из Меловатки, возраст которой составляет около 90 миллионов лет, показывает относительно большой теменной глаз и шишковидную железу. [66]
Секреторная активность шишковидной железы понятна лишь частично. Ее расположение глубоко в мозге на протяжении всей истории подсказывало философам, что она имеет особое значение. Это сочетание привело к тому, что ее стали считать «таинственной» железой с мистическими , метафизическими и оккультными теориями, окружающими ее предполагаемые функции. Самое раннее записанное описание шишковидной железы принадлежит греческому врачу Галену во 2 веке н. э. [67] По словам Галена, Герофил (325–280 гг. до н. э.) уже рассматривал эту структуру как своего рода клапан, разделяющий камеры мозга, в частности, для потока жизненных духов ( пневмы ). [68] В частности, древние греки считали, что эта структура поддерживает движение жизненных духов из среднего (теперь идентифицируемого как третий ) желудочка в тот, что находится в паренцефалисе ( четвертый желудочек ). [69] [70]
Гален описал шишковидную железу в De usu partium corporis humani, libri VII ( О пользе частей тела, часть 8 ) и De anatomicis administrationibus , libri IX ( Об анатомических процедурах, часть 9 ). [71] Он ввел название κωνάριο ( konario, часто латинизируется как conarium ), что означает конус, как в pinecone, [72] в De usu partium corporis humani. Он правильно определил, что железа находится непосредственно за третьим желудочком. Он выступил против преобладающей концепции о ней как о клапане по двум основным причинам: она расположена вне мозговой ткани и не движется сама по себе. [67]
Вместо этого Гален идентифицировал клапан как червеобразную структуру в мозжечке (позже названную червеобразным эпифизом, сегодня известную как червь мозжечка ). [73] Изучая кровеносные сосуды, окружающие шишковидную железу, он открыл большую вену мозжечка, позже названную веной Галена . [72] [74] Он не смог установить какую-либо функциональную роль шишковидной железы и считал ее структурной опорой для мозговых вен. [75]
Философ и ученый XVII века Рене Декарт обсуждал шишковидную железу как в своей первой книге « Трактат о человеке» (написанной до 1637 года, но опубликованной только посмертно в 1662/1664 годах), так и в своей последней книге « Страсти души» (1649), и он считал ее «главным вместилищем души и местом, в котором формируются все наши мысли». [9] В « Трактате о человеке » он описал концептуальные модели человека, а именно созданий, созданных Богом, которые состоят из двух ингредиентов: тела и души. [9] [76] В « Страстях » он разделил человека на тело и душу и подчеркнул, что душа соединена со всем телом «некоей очень маленькой железой, расположенной в середине мозгового вещества и подвешенной над проходом, через который духи в передних полостях мозга сообщаются с духами в его задних полостях». Декарт придавал большое значение этой структуре, поскольку она была единственным непарным компонентом мозга. [9]
Латинское название pinealis стало популярным в 17 веке. Например, английский врач Томас Уиллис описал glandula pinealis в своей книге Cerebri anatome cui accessit nervorum descriptio et usus (1664) . Уиллис критиковал концепцию Декарта, отмечая: «мы едва ли можем поверить, что это местонахождение Души или ее главные Способности возникают из нее; потому что Животные, которые кажутся почти полностью лишенными Воображения, Памяти и других высших Сил Души, имеют эту Glandula или Ядро достаточно большое и прекрасное». [75]
Уолтер Болдуин Спенсер из Оксфордского университета дал первое описание шишковидной железы у ящериц. В 1886 году он описал глазоподобную структуру, которую он назвал шишковидным глазом или теменным глазом, которая была связана с теменным отверстием и шишковидным стеблем. [77] Наличие шишковидного тела было обнаружено немецким зоологом Францем Лейдигом в 1872 году у европейских ящериц. Лейдиг назвал их «лобным органом» (нем. stirnorgan ). [78] [79] В 1918 году шведский зоолог Нильс Хольмгрен описал «теменной глаз» у лягушек и акул. [80] Он обнаружил, что теменные глаза состоят из сенсорных клеток, похожих на колбочки сетчатки, [75] и предположил, что это примитивный светочувствительный орган ( фоторецептор ). [80]
Первоначально считалось, что шишковидная железа является « рудиментарным остатком» более крупного органа. Эпифизан — экстракт, полученный из шишковидных желез крупного рогатого скота — исторически использовался ветеринарами для подавления гона у кобыл и коров. В 1930-х годах его испытали на людях, и он привел к временному снижению их мастурбационного импульса. [81] В 1917 году стало известно, что экстракт коровьих шишковидных желез осветляет кожу лягушек. Профессор дерматологии Аарон Б. Лернер и его коллеги из Йельского университета , надеясь, что гормон из шишковидной железы может быть полезен при лечении кожных заболеваний, выделили его и назвали мелатонином в 1958 году. [82] Вещество не оказалось полезным, как предполагалось, но его открытие помогло разгадать несколько загадок, например, почему удаление шишковидной железы у крысы ускорило рост ее яичников, почему содержание крыс при постоянном освещении уменьшило вес их шишковидных желез и почему пинеалэктомия и постоянное освещение в равной степени влияют на рост яичников; эти знания дали толчок новой на тот момент области хронобиологии . [83] Из эндокринных органов функция шишковидной железы была открыта последней. [84]
Понятие «шишковидной железы» занимает центральное место в философии французского писателя Жоржа Батая , которое подробно анализирует литературовед Дени Холлиер в своем исследовании «Против архитектуры ». В этой работе Холлиер обсуждает, как Батай использует концепцию «шишковидной железы» как ссылку на слепое пятно в западной рациональности, а также орган излишеств и бреда. [85] Этот концептуальный прием явно присутствует в его сюрреалистических текстах «Иезуве» и «Шишковидный глаз» . [86]
В конце 19 века мадам Блаватская , основательница теософии , отождествила шишковидную железу с индуистской концепцией третьего глаза , или Аджна-чакры . Эта ассоциация популярна и сегодня. [9] Шишковидная железа также фигурирует в других религиозных контекстах, например, в Principia Discordia , где утверждается, что ее можно использовать для контакта с богиней раздора Эрис . [87]
В рассказе « Извне » Г. Ф. Лавкрафта учёный создаёт электронное устройство, которое испускает резонансную волну, которая стимулирует шишковидную железу пострадавшего человека, тем самым позволяя ему воспринимать планы существования за пределами принятой реальности , полупрозрачную, чуждую среду, которая перекрывает нашу собственную признанную реальность. Он был адаптирован в виде фильма с таким же названием в 1986 году. Фильм ужасов 2013 года « Глава Банши » во многом вдохновлён этим рассказом. В 16 сезоне, 6 эпизоде «Американского папаши» Стив пытается «астрально проецироваться», используя свою шишковидную железу, чтобы помочь ему понять смысл жизни. Эпизод называется «Чудо-кабинет».
На этих изображениях обозначено шишковидное тело.
Экзогенный мелатонин оказывает острое сонливое и снижающее температуру действие в «биологическое дневное время», и при подходящем времени (он наиболее эффективен около сумерек и рассвета) он сдвигает фазу человеческих циркадных часов (сон, эндогенный мелатонин, кортизол) на более раннее (сдвиг фазы опережения) или более позднее (сдвиг фазы задержки) время.