Journal für Hirnforschung: Band 19, Heft 4 1978 [Reprint 2021 ed.] 9783112519745, 9783112519738

Citation preview

Journal für Hirnforschung

Heft 4-1978 Band 19

Internationales Journal für Neurobiologie Begründet von Cécile und Oskar Vogt Herausgeber: J. Anthony, Paris • A. Hopf, Düsseldorf W.Kirsche, Berlin • J.Szentägothai, Budapest Schriftleitung: W.Kirsche, Berlin Wiss. Sekretär: J.Wenzel, Berlin

Akademie-Verlag • Berlin EVP 25,- M - 32105

Begründet von Cécile und Oskar Vogt Unter Mitwirkung des Cécile und Oskar Vogt Instituts für Hirnforschung in Düsseldorf und der Arbeitsgemeinschaft für vergleichende Neuroanatomie der Fédération mondiale de Neurologie (World Federation of Neurology)

Mitherausgeber: H . ADAM, Salzburg—Wien

O. S.

A D R I A N O W , Moskau A R I É N S K A P P E R S , Amsterdam C R O S B Y , Ann Arbor D E W U L F , Corbeck-Lo E S C O L A R , Zaragoza R. H A S S L E R , Frankfurt a. M. E. H E R Z O G , Santiago J . J A N S E N , Oslo J . K O N O R S K I , Warschau S T . K Ö R N Y E Y , Pécs M . M A R I N - P A D I L L A , Hanover-New J . M A R S A L A , Kosice H. A. M A T Z K E , Lawrence D . M I S K O L C Z Y , Tirgu Mures G . P I L L E R I , Waldau —Bern T. O G A W A , Tokyo

J. E. A. J.

Le JOURNAL F Ü R HIRNFORSCHUNG publiera des études sur la morphologie normale (anatomie, histologie, cytologie, microscopie électronique, histochimie), sur le développement du système nerveux ainsi que des études anatomiques expérimentales. On acceptera aussi des travaux du caractère de la coopération entre des domaines différents à condition qu'ils contiennent des résultats morphologiques obtenus par les méthodes de la neuromorphologie et de la neurophysiologie ou de la neuropharmacologie et de la neurochimie. Les travaux doivent contenir des acquisitions nouvelles sur l'action réciproque entre la structure et la fonction. Des études neuropathologiques seront seulement acceptées quand elles contribuent à la conaissance des structures normales, des changements structurels ou de leur signification fonctionelle. Des études sur la localisation cérebrale de phénomènes expérimentaux ou cliniques d'excitation ou de déficit (doctrine des localisations) seront également publiées par le JOURNAL F Ü R HIRNFORSCHUNG. Une partie spéciale sera réservée à la neurobiologie comparée.

Hampshire

B . REXED, U p s a l a

H . S T E P H A N , Frankfurt a. M . W. J . C. V E R H A A R T , Leiden

Bezugsmöglichkeiten des .Journal für Hirnforschung".

F. W A L B E R G , Oslo K. G. W I N G S T R A N D , Kopenhagen E . W I N K E L M A N N , Leipzig W . W Ü N S C H E R , Berlin A . D . Z U R A B A S H V I L I , Tbilissi

— in der D D R an eine Buchhandlung oder an den AkademieVerlag, D D R - 108 Berlin, Leipziger Straße 3 - 4

M. VOGT, Cambridge

Im JOURNAL F Ü R HIRNFORSCHUNG werden Arbeiten aus dem Gesamtgebiet der normalen Morphologie (Anatomie, Histologie, Cytologie, Elektronenmikroskopie, Histochemie) und der Entwicklungsgeschichte des Nervensystems unter Einschluß experimentell-anatomischer Arbeiten veröffentlicht. Es werden auch Arbeiten multidisziplinären Charakters aufgenommen, sofern sie morphologische Ergebnisse beinhalten, die mit neuromorphologischen und neurophysiologischen oder neuropharmakologischen bzw. neurochemischen Methoden gewonnen wurden und einen Erkenntnisgewinn hinsichtlich der Wechselwirkung zwischen Struktur und Funktion beinhalten. Neuropathologische Arbeiten werden nur angenommen, wenn sie Beiträge zur normalen Struktur, den Strukturwandlungen oder deren funktionellen Bedeutungen enthalten. Zum Publikationsgebiet des JOURNAL F Ü R HIRNFORSCHUNG gehören auch Arbeiten, die sich mit der Zuordnung experimenteller Reiz- und Ausfallerscheinungen bzw. klinischen Symptomen zu bestimmten Strukturen des Gehirns (,,Lokalisationslehre") befassen. Als spezielles Publikationsgebiet ist die vergleichende Neurobiologie vorgesehen.

The J O U R N A L F Ü R HIRNFORSCHUNG will publish studies on normal morphology (anatomy, histology, cytology, electron microscopy, histochemistry), on the development of the nervous system, as well experimental anatomical studies. Papers of multidisciplinary character will also be included so far as they contain morphological results which were obtained using neuromorphological and neurophysiological or neuropharmacological and neurochemical methods and provide further information on the interaction between structure and function. Neuropathological studies will only be published if they contribute to the knowledge of normal structures structurals changes or their functional significance. Papers dealing with the cerebral localization of experimental excitation and deficit phenomena or clinical symptoms (localization theory) will also be published by the JOURNAL F U R HIRNFORSCHUNG. A special part of the publication is reserved for comparative neurobiology.

Bestellungen sind zu richten

— im sozialistischen Ausland an eine Buchhandlung für fremdsprachige Literatur oder an den zuständigen Postzeitungsvertrieb — in der B R D und Westberlin an eine Buchhandlung oder an die Auslieferungsstelle KUNST UND WISSEN, Erich Bieber, 7 Stuttgart 1, Wilhelmstraße 4 - 6 — in Österreich an den Globus-Buchvertrieb, 1201 Wien, Höchstädtplatz 3 — im übrigen Ausland an den Internationalen Buch- und Zeitschriftenhandel; den Buchexport, Volkseigener Außenhandelsbetrieb der Deutschen Demokratischen Republik, DDR - 701 Leipzig, Postfach 160, oder an den Akademie-Verlag, D D R - 108 Berlin, Leipziger Straße 3 bis 4

Journal für Hirnforschung Herausgeber: Im Auftrag des Akademie-Verlages von einem internationalen Wissenschaftlerkollektiv herausgegeben. Verlag: Akademie-Verlag, D D R - 1 0 8 Berlin, Leipziger Straße 3 - 4 ; Fernruf: 2236 221 oder 2236 229 ; Telex-Nr.: 114420; Bank: Staatsbank der DDR, Berlin, Kto.-Nr.: 6836-26-20712. Schriftleitung: Prof. Dr. sc. med. W. Kirsche, Berlin. Veröffentlicht unter der Lizenznummer 1326 des Presseamtes beim Vorsitzenden des Ministerrates der Deutschen Demokratischen Republik. Gesamtherstellung: V E B Druckhaus „Maxim Gorki", D D R - 74 Altenburg. Erscheinungsweise: Das Journal für Hirnforschung erscheint jährlich in einem Band mit 6 Heften. Bezugspreis eines Bandes 180,— M zuzüglich Versandspesen (Preis für die DDR 1 5 0 , - M); Preis je Heft 30,— M (Preis für die D D R 2 5 , - M). Bestellnummer dieses Heftes 1018/19/4. © 1978 by Akademie-Verlag Berlin. Printed in the German Democratic Republic. AN (EDV) 60315

ISSN 0 0 2 1 - 8 3 5 9

Journal

J . Himforsch. 19 (1978) 289 - 290

•

Internationales Journal fur Neurobiologie Heft 4 • 1978 • Band 19

B

"py y

Hirnforschung

In memoriam Marian Chomiak (1912—1976) On December 23 R D , 1 9 7 6 Marian CHOMIAK, professor and doctor of veterinary medicine died. He was a head of the Institute of Animal Anatomy of the Veterinary Faculty at Agricultural Academy, its former Rector and Prorector. He was born in Nadolce on December 18, 1912. He studied Veterinary at Warsaw University in years 1 9 3 3 - 1 9 3 8 . On November 1, 1944 just after the period of occupation he started to work at the Veterinary Faculty at the University of Maria CurieSklodowska. On February 1, 1945 he was appointed a lecturer and in April 1946 he took his degree of veterinary doctor in the field of animal anatomy. In 1948 he became the head of the Department (Institute) of Animal Anatomy of Veterinary Faculty and he hold this position until his death. In 1945 he was appointed associate professor and on April 27, 1963 full professor. This dynamic way of promotion of prof. CHOMIAK was not only the result of his eminent scientific works, but great organizing abilities. He was vicedean and dean of Veterinary Faculty at UMCS. He was one of the official organizers of Agricultural College at the time of its separating from the University of Maria Curie-Sklodowska. During his scientific training in Czechoslovakia in 1950 he specified his main line of scientific interests to which he devoted his further work. Great achievements of the Polish neuroanatomical school under the leadership of Prof. Marian Chomiak were appreciated by man}' scientific authorities in Poland and abroad. His scientific output is included in 60 publications in Polish and foreing scientific journals and student's books. Professor M. Chomiak's scientific activity embraced studies on the microscopic structure of the central nervous system of domestic animals. In this field, Hirnforschung, Bd. 19, Heft 4

he produced a number of papers on the structure and topography of the nerve nuclei of the medulla oblongata and mesencephalon in the cow, sheep, goat, horse and pig. He also studied specific differences in the structure of the nervous system and investigated the correlation between the development of a given nerve nucleus and the action and structure of the organ innervated by that nucleus. The situation and course of afferent and efferent nervous pathways in the spinal cord of the sheep and pig were another subject of Prof. CHOMIAK'S experimental studies. He also devoted much of this time to spastic paresis in cattle in order to determine causal relations between lesions of the central nervous system and the secondary clinical symptoms of spastic paresis. In the last years of his life, Prof. CHOMIAK conducted studies on the harmful effect which some chemical compounds widely used in agriculture have on the nervous system of domestic animals. As academic teacher, Prof. CHOMIAK was co-author of a number of manuals, namely "Splanchnology of Domestic Animals", "Peripheral Nervous System of Domestic Animals", "Atlas of Topographical Anatomy of the Sheep", and "Atlas of Topographical Anatomy of the Cow". Marian CHOMIAK was actively engaged in many scientific societies and organizations. He was the member of the Polish Anatomical Society, the Polish Society of Veterinary Sciencies, Committee of Veterinary Sciencies of the Polish Academy of Science, the member of the World and European Anatomical Society, the member of the Scientific Counsel of the International Scientific periodical "Anatomy, Histology, Embriology", vicechairman of the Biological Faculty of Lublin's Scientific Society, the alderman of Town Council in Lublin in years 1953 — 1954. 21

290

Welento, J.

He was awarded the order of Merit and the Military Order of the Revival of Poland, the honory title "Meritorious Teacher of Poland", the Medal of the 10 th and 30 th Anniversaries of Poland and the Czechoslovakian Medal " I . J . Pesiny" and many other distinctions and awards.

Prof. Dr. M . CHOMIAK will remain in our memory as organizer of the only Polish centre of morphological studies on the nervous system of domestic animals, where his activity is being continued by his disciples. J . WELENTO

J . Hirnforsch. 19 (1978) 2 9 1 - 2 9 4

Aus dem Anatomischen Institut der Medizinischen Akademie Magdeburg (komm. Direktor: Doz. Dr. med. J . F R Ö H L I C H )

Autoradiographischer Nachweis von tritiiertem Cholinchlorid im Hirngewebe Eine Methode zum lichtoptischen Nachweis im Paraffinschnitt 1 ) Von Horst

RUMMELFÄNGER

und Joachim

FRÖHLICH2

Mit 1 Abbildung (Eingegangen am 18. August 1977)

Zusammenfassung: E s wird eine Methode zum lichtoptischen Nachweis der Aktivität nach intraventrikulärer Applikation von 3 H-Cholinchlorid im Paraffinschnitt beschrieben. Gefriergetrocknetes Material wird in Paraffin eingeschmolzen, die 10 |xm dicken Schnitte mit wasserfreiem Diäthyläther behandelt und nach der SandwichMethode (mit Strippingfilm) für 90 Tage über CaCl2 bei + 4 °C exponiert. Nach getrennter Entwicklung des Filmes und Färben des Gewebeschnittes erfolgt die Montage. Summary: I t is presented a autoradiographic method for microscopical detection of 3 H-choline chloride activity after intraventricular application in freeze-dried and paraffin-embedded brain sections. The 10 ¡¿m thick sections are treated with diethyl ether and than exposed during 90 days above calcium chloride at 4°C using the sandwich technique (with stripping film). After separate film explanation and section staining the film and the brain sections are mounted together.

Der autoradiographische Nachweis wasserlöslicher Radioisotopen-markierter Substanzen ist in den letzten Jahren immer mehr in den Mittelpunkt des Interesses gerückt (Literaturübersicht s. F E I N E N D I GEN

1968,

FISCHER

und WERNER

1971,

AMLACHER

1974). Grundsätzlich zeichnen sich zwei Wege ab: Für Gefrierschnitte beschreibt A P P L E T O N (1968) eine relativ sichere Methode; sie bedarf jedoch eines umfangreichen technischen Aufwandes (Kryostat und Tiefkühlschrank). Der kritische Punkt dieser Methode ist die konstante Einhaltung der erforderlichen tiefen Temperaturen von — 25°C, besonders dann, wenn lange Expositionszeiten erforderlich sind. Im Paraffinschnitt läßt sich der Nachweis inkorporierter wasserlöslicher Substanzen am sichersten nach Gefriertrocknung des Gewebes erreichen ( F I T Z G E R A L D 1961). Die Gewebeschnitte werden nach der Sandwich-Methode mit den befilmten Deckgläsern in Kontakt gebracht. Nach der Exposition erfolgt dann eine getrennte Weiterbearbeitung von Film (Entwickeln und Fixieren) und Gewebeschnitt (Entparaffinieren und Färben). Das anschließende Eindecken der Schnitte ist der schwierigste Teil dieses Verfahrens, da es nur unter besonderem Auf1 Finanziert mit Mitteln des Ministeriums für Wissenschaft und Technik der DDK. 2 Für technische Unterstützung danken wir den Kollegen des Pharmakologischen Institutes der MAM sehr herzlich.

wand möglich ist, eine absolute Deckungsgleichheit von autoradiographischen Filmschwärzungen und histologischen Organ strukturen zu erreichen. Diese Schwierigkeit läßt sich bei getrennter Auswertung von Präparat und Film mit einem Doppelmikroskop vermeiden ( F I S C H E R und W E R N E R 1971), wenn die Schwärzung des Filmes an bestimmten Gewebestrukturen orientiert werden kann. Bei schwachen Strahlern erfordert das aber wiederum eine sehr lange Expositionszeit. Ziel der vorliegenden Untersuchungen war es, ein effektives Verfahren für den lichtoptischen Nachweis der Aktivität nach Applikation von ^-Cholinchlorid im Gewebeschnitt zu finden. Wir entschlossen uns für die Paraffinmethode nach vorheriger Gefriertrocknung des Gewebes, besonders auch deshalb, da wir bei den Voruntersuchungen feststellten, daß mit dem von uns angewandten Trocknungsverfahren eine gute Strukturerhaltung auch an größeren Gewebestücken zu erreichen war. Im Verlaufe unserer Untersuchungen mußten wir allerdings feststellen, daß die Expositionszeiten sehr hoch liegen (mehr als 300 Tage). Ursache hierfür ist die relativ geringe mittlere Initialenergie des Tritiums von 6 KeV ( A M L A C H E R 1974); dadurch wird der größere Teil der emitierten Strahlung durch das Paraffin absorbiert. Cholinchlorid ist eine in Wasser und Alkohol leicht lösliche Substanz, die nach R A U E N (1964) 21*

292

Rummelfänger, H., und J . Fröhlich

in Äther nicht löslich ist. Diese Eigenschaft veranlaßte uns, die nachfolgend beschriebene Methode zu erproben. Dazu war zu prüfen, ob eine Entparaffinierung des Gewebeschnittes mit Äther das applizierte 3 H-Cholinchlorid disloziert und um wieviel die Expositionszeit gegenüber den nicht entparaffinierten Schnitten verkürzt werden kann. Mit der Herabsetzung der notwendigen Expositionszeit, was gleichzeitig eine Reduzierung der ßAbsorption bedeutet, soll neben der kürzeren Zugriffszeit der Ergebnisse vor allem der von vielen Autoren beschriebene „Fadingeffect" kleingehalten werden. Weiter glauben wir, daß die u. a. von MAUR E R - S C H U L T Z E (1976) genannten Effekte der positiven und negativen Chemographie an einem absolut trockenen Präparat in bestimmten, nicht störenden Grenzen gehalten werden können. Da nach erfolgter Exposition Film und Gewebeschnitt getrennt weiterbehandelt werden, kann das von R O G E R S (1969) beschriebene Herausdiffundieren chemographisch wirkender Substanzen während der Entwicklung des Filmes nicht erfolgen.

Die Deckgläser wurden nach APPLETON (1968) mit Orwo® K 106 Autoradiographiefilm (Strippingfilm) überzogen und im Dunklen bei Zimmertemperatur 20 Stunden getrocknet. Die Exposition der Schnitte erfolgte unter Verwendung der Sandwich-Methode bei + 4°C im Kühlschrank über CaCl 2 . Als Expositionszeit wurde eine Zeitdauer von 310 Tagen gewählt, die sich für nicht entparaffinierte Schnitte aus Vorversuchen ergeben hatte. Nach Ablauf der Expositionszeit wurden F i l m und Schnitt wieder getrennt und jedes für sich gesondert behandelt. Die Filme wurden in Orwo®Entwickler M H 28 ( 1 : 3 ) 3 Min. entwickelt und 15 Min. im Fixierbad Orwo® A 300 fixiert. Die mit Diäthyläther entparaffinierten Gewebeschnitte wurden sofort verschiedenen Übersichtsfärbungen unterzogen, die Kontrollserie zunächst wie üblich entparaffiniert und dann gefärbt. Die Montage der Schnitte erfolgte für Groborientierungen unter einem Stereomikroskop (SM X X , Zeiss, Jena) an Hand der Schwärzung und der ihr identischen histologischen Struktur. Dieser umständliche Montagevorgang wurde für speziellere Untersuchungen durch die Entwicklung einer Montagevorrichtung 3 wesentlich vereinfacht, vor allem konnten dadurch die Fehlerquellen bei der Zuordnung der Filmschwärzungen zu den histologischen Organstrukturen weiter eingeschränkt werden.

Material und Methode

Die erzielten Ergebnisse entsprachen unseren Erwartungen (Abb. 1). Nach dem Entwickeln konnte bereits makroskopisch eine verstärkte Schwärzung des Films an den mit Äther entparaffinierten Schnitten festgestellt werden. Der mikroskopische Vergleich identischer Hirnregionen zeigte keine Unterschiede in der Lokalisation der Silberkörner zwischen den mit Äther entparaffinierten und den nicht entparaffinierten Kontrollschnitten. An besonders ausgewählten, korrespondierenden Regionen der beiden Präparateserien wurden die Silberkornzahlen bestimmt. Hierbei ergab sich gleichbleibend bei den mit Äther behandelten Schnitten eine annähernd vier Mal höhere Silberkornzahl pro Flächeneinheit als in den nicht behandelten Schnitten. Allerdings muß bemerkt werden, daß an den Stellen hoher Aktivität in den mit Äther vorbehandelten Schnitten und einer Expositionszeit von 310 Tagen eine exakte Kornzahlbestimmung auf Grund der hohen Dichte nicht mehr möglich war. Der Anstieg der Kornzahl des Backgroundes verlief bis zu etwa 250 Tagen relativ linear (bei Abweichungen von ± 3 % von Schnitt zu Schnitt), danach traten größere Schwankungen auf, die aber ebenfalls von Präparat zu Präparat unterschiedlich waren und keinen einheitlichen linearen Verlauf mehr erkennen ließen. Im Rahmen unserer Untersuchungen wurde besonders auf die mögliche Ausschwemmung des 3 H-Cholinchlorids während der Paraffineinbettung geachtet. Dazu wurden die Randzonen zwischen

I n Äthanol gelöstes (N-Methyl- 3 H)-Cholinchlorid (Radiochemical Centre, Amersham) wurde gefriergetrocknet und danach erneut in Liquor gelöst. Die Aktivität der Injektionslösung betrug 50 (iCi pro 10 (j.1. Männlichen adulten R a t t e n (Rattus norvegicus [Berkenhout] f. alba) vom WistarInzuchtstamm „ R e h b r ü c k e " (Koloniezucht, I n s t i t u t für Pharmakologie und Toxikologie der MAM) wurden 8 Tage nach der Implantation einer Spezialkanüle in den Seitenventrikel 50 (j.Ci 3 H-Cholinchlorid (spezif. Aktivität 10,1 Ci/ mmol) mit einer Hamilton-Mikroliterspritze injiziert. Die Tötung der Tiere erfolgte 3 Minuten, 5 Minuten und 10 Minuten nach Inkorporation der aktiven Substanz durch Dekapitieren; die Hirne wurden innerhalb von 2 — 3 Minuten herauspräpariert, in 1 mm dicke, frontale Scheiben zerlegt und diese in mit N 2 gekühltem iso-Pentan (Fluka) von — 1 6 0 ° C eingefroren und bei 10~ 3 Torr für 4 Tage gefriergetrocknet. Nach Beendigung der Trocknung wurde das Gewebe unter Vakuum in Paraffin (Zusammensetzung: 8 5 % Paraffin 56° und 1 5 % reines Bienenwachs) eingeschmolzen. Über das Verfahren der Gefriertrocknung von R a t t e n hirnscheiben, die in ihrer Größe weit über die in der Literatur vorgeschlagenen Abmessungen von Gewebeproben für die Gefriertrocknung hinausgehen, wird an anderer Stelle ausführlich berichtet. Von den Hirnscheiben wurden dann auf einem Paraffinmikrotom 10 [im starke Schnitte hergestellt, die unter Umgehung des Streckbades direkt auf den Objektträger gebracht und durch die Wärmeeinwirkung einer Streckplatte gestreckt und befestigt wurden. Von den beiden alternierenden Schnittserien wurde die eine in wasserfreiem Diäthyläther 2 Minuten entparaffiniert, während die andere Serie unbehandelt blieb. Die Entparaffinierungszeit wurde ermittelt, indem die beste Anfärbbarkeit der Strukturen nach unterschiedlichen Entparaffinierungszeiten festgestellt wurde. Alle Schnitte wurden bis zur Befilmung im E x s i k a t o r über CaCl, aufbewahrt.

Befunde

3 N V 212/76 der Medizinischen Akademie Magdeburg.

Autoradiographischer Nachweis von [ 3 H]-Cholinchlorid

Abb. 1. Ausschnitt aus dem Hippocampus der R a t t e (Frontalschnitt entsprechend der Abb. 43 von K Ö N I G und KLIPPEL). Autoradiogramm 5 Min. nach intraventrikulärer Gabe von 50 (¿Ci 3 H-Cholinchlorid. a mit Diäthyläther behandelter Schnitt; b nicht entparaffinierter Schnitt. Vergr. 350fach.

Gewebe und Paraffin genauer untersucht und die Silberkornzahl mit der des Backgroundes verglichen. In den untersuchten Präparaten konnten keine signifikanten Unterschiede festgestellt werden, so daß mit hoher Wahrscheinlichkeit durch das Eindringen des Paraffins in das Gewebe während des Einschmelzens eine Dislokation von 3 H-Cholinchlorid nicht stattfindet.

293

Diskussion Bei allen Vorbehalten gegen die Paraffintechnik scheint uns die Methode der Gefriertrocknung des Gewebes mit anschließender Paraffineinbettung und Entparaffinierung vor der Exposition — zumindest für die von uns getestete Substanz — anwendbar zu sein. Die ermittelten Werte zeigen, daß durch die Entparaffinierung der Schnitte mit wasserfreiem Diäthyläther vor der Exposition auch im mikroskopischen Bereich eine Dislokalisation des aufgenommenen 3 H-Cholinchlorids nicht erfolgt. Die höhere Silberkornzahl nach der Entparaffinierung der Schnitte ermöglicht eine erhebliche Reduzierung der Expositionszeit, so daß sich in Abhängigkeit von der Aktivität der verwendeten Substanz die Expositionszeit — wie im vorliegenden

294

Rummelfänger, H., und J . Fröhlich

Fall — von ca. 300 Tagen auf maximal 90 Tage verkürzt. Auf Grund der vorliegenden Ergebnisse muß die Frage gestellt werden, wodurch die emittierte Strahlung im wesentlichen absorbiert wird. Nach R O G E R S (1967), P E L C (1972) und A M L A C H E R (1974) beträgt die mittlere Energie der emittierten Strahlung bei der Desintegration des Tritiums 5,7 bis 6 KeV, was einer mittleren Weglänge von ungefähr 1 ¡xm in Wasser entspricht. Auf Grund dieser Feststellung sind wir der Ansicht, daß sich beim Paraffinschnitt durch den Schneide- und Streckvorgang eine Paraffinschicht von äquivalenter Absorptionskraft über den Schnitt zieht, die den größten Teil der Strahlung mit mittlerer Initialenergie absorbiert und nur noch den mit 1 0 % angegebenen Anteil mit höherer Initialenergie passieren läßt. Durch die Behandlung mit Äther wird diese Schicht so weit entfernt, daß die Absorption von ^-Teilchen zumindest in den oberen Schichten gering ist und dadurch ein bestimmter Anteil mit mittlerer Initialenergie den Film erreicht. Wir setzen hierbei voraus, daß durch die Entparaffinierung der übliche Anteil der /3-Selbstabsorption nicht verändert wird. Die aus der Entparaffinierung resultierende Verkürzung der Expositionszeit bringt nicht nur einen Zeitgewinn, sondern verbessert auch die Auswertung der Autoradiogramme, da durch die kürzere Expositionszeit auch eine geringere Zunahme des Backgroundes erfolgt. Entgegen der Feststellung von M A U R E R - S C H U L T Z E (1976), wonach der Fadingeffect bei Strippingfilm bereits nach 2 Wochen auftreten soll, haben wir Erscheinungen, die als Auswirkung des Fading bezeichnet werden können, erst zu einem sehr späten Zeitpunkt festgestellt; allerdings wurden unsere Auswertungen bisher nicht in dem Umfange durchgeführt, um eine statistisch gesicherte Aussage machen zu können. Wir schließen uns der Feststellung von A M L A C H E R (1974) an, wonach das Ausmaß des Fading sehr stark von den Expositionsbedingungen und der verwendeten Fotoemulsion abhängig ist. Eine Veränderung des entparaffinierten unfixierten Gewebes während der Exposition kann verhindert werden, wenn jegliche Feuchtigkeit ferngehalten wird, was ohne großen Aufwand zu erreichen ist. Wir lagerten die Präparate während der Exposition über CaCl2 in schwarzen Folienbeuteln, die durch Verschweißen luftdicht verschlossen wurden. In der kurzen Zeit der Befilmung, in der die Schnitte nor-

maler Luftfeuchtigkeit ausgesetzt waren (max. 2 Minuten), ist keine nennenswerte Feuchtigkeitsaufnahme eingetreten; jedenfalls reichte sie nicht aus, um eine Diffusion der zu untersuchenden Substanz in Gang zu bringen und/oder das Gewebe zu verändern. Wenn mit der von uns beschriebenen Methode auch nicht generell die Probleme des autoradiographischen Nachweises von wasserlöslichen Substanzen im Paraffinschnitt gelöst werden konnten, so zeigt sich aber eine weitere Möglichkeit, bestimmte mit Tritium markierte Substanzen darzustellen, indem eine Entparaffinierung mit einer Lösung durchgeführt wird, in der die darzustellende Substanz und ihre Verbindungen nicht löslich sind. Literatur E . : Autoradiographic in Histologie und Zytologie. Leipzig: Georg Thieme 1974. A P P L E T O N , T. C . : The Application of Autoradiography to the Study of Soluble Compounds. Acta histochem., Suppl. V I I I , 1 1 5 - 1 3 3 (1968). F E I N E N D I G E N , L. E . : Autoradiographic der wasserlöslichen Substanzen. Acta histochem., Suppl. V I I I , 107 — 114 (1968). F I S C H E R , H. A., und G . W E R N E R : Autoradiographic. I n : Arbeitsmethoden der modernen Naturwissenschaften. Berlin: de Gruyter 1971. FITZGERALD, P . J . : " D r y " Mounting Autoradiographic Technique for Intracellular Localization of Water Soluble Compounds in Tissue Sections. Lab. Invest. 10, 846 — 856 (1961). K Ö N I G , J . F . R „ and R . A. K L I P P E L : The R a t Brain. Baltimore: Williams and Wilkins Comp. 1963. M A U R E R - S C H U L T Z E , B . : Die Bedeutung der quantitativen Autoradiographie für zellkinetische Untersuchungen. Acta histochem., Suppl. X V I , 2 5 - 3 7 (1976). PELC, S. R . : Theory of autoradiography. I n : Autoradiography for biologists, edited by P. B . Gahan. London, New York: Academic Press 1972. R A U E N , H. M . : Biochemisches Taschenbuch. Teil 1. Berlin, Göttingen, Heidelberg: Springer 1964. R O G E R S , A.: Techniques of Autoradiography. Amsterdam, London, New Y o r k : Elsevier Publ. Comp. 1967. AMLACHER,

Anschrift

der

Autoren:

Ing. Horst R U M M E L F Ä N G E R und Doz. Dr. Joachim F R Ö H L I C H Anatomisches Institut der Medizinischen Akademie D D R 301 Magdeburg Leipziger Str. 44

J. Himforsch. 19 (1978) 295-299

From the Department of Normal Anatomy, Institute of Biostructure, Academy of Medicine in Poznari (Director: Doc. Dr. habil. med. W . WOZNIAK)

Dendritic range of the neurons of the intermediate gray at the levels of the first and second lumbar segment of the spinal cord in the cat 1. The range of dendrites of the central region neurons Kazimierz

GROTTEL

and Teresa

HOFMAN

With 2 figures (Received 2 nd September 1977)

Summary: Spinal cords of kittens and mature cats were examined at the levels of L¡ and L 2 segments. Using Golgi impregnation method it has been stated that dendrites of the small and medium neurons lying in the central region of the intermediate gray ramify mainly within the region in question. Some of them, however, penetrate the neighbouring regions. The dendrites of large neurons reach the lamina I I I (according to Rexed's division), paramedially the white commissure, the intermediomedial as well as the thoracic nuclei. These dendrites reach even the lateral horns of the spinal cord (laterally) and the motor nuclei (ventrally). Zusammenfassung: Bei juvenilen und adulten Katzen wurde das Rückenmark in Höhe der Lumbaisegmente L, und L 2 untersucht. Nach Anwendung der Golgi-Imprägnationsmethode wurde festgestellt, daß sich die im Zentrum der Substantia intermedia gelegenen kleinen und mittleren Neurone hauptsächlich auch in dieser Region verzweigen. Einige Dendriten dringen in die benachbarten Regionen ein. Die Dendriten der großen Neurone erreichen dorsal die 3. Schicht (nach der „REXEDA-Teilung"), paramedian die Commissura alba und intermedio-medial auch die Nuclei thoracici. Seitlich erreichen diese Dendriten die Columna lateralis des Rückenmarkes und ventral die motorischen Kerne.

The range of dendrites of cells in the intermediate gray of cat's spinal cord shows the possibilities of afferent links of the region considering tracts entering the cord, supraspinal as well as the intraspinal tracts. All the tracts may form synapses not only on cell bodies but also on dendrites of neurons converged there. A wide range of dendrites passing to more distant regions increases the possibility of synaptic connections. The dendrites of cells of one nucleus passing from cells of another nucleus may be the point of termination for the descending axons from other nuclei as well as for other nervous tracts terminating within the second group of neurons. In examinations based on degenerating axons this possibility was not usually taken into account, and the connections of degenerated cells was thought to be limited to the cellular groups being the site of termination of degenerating axons. It is possible that such a connections may exist between the different groups of cells which send dendrites to the places in which degenerating fibers terminate. For this reason we examined the dendritic range of some spinal centers in order to show the possibilities of

their connections with tracts entering and passing within the spinal cord. Considering the various length of dendrites as well as different sites of their terminations, the intermediate gray was divided into three parts and the lateral horn. The latter forms separate part. The aim of the present studies is to describe the range of dendrites of the central region of the intermediate gray. The other parts of the substance as well as the thoracic nucleus are the subjects of the separate papers. Material and methods Four spinal cords were taken from each of the following groups: four and seven days old kittens and three mature cats. The first and second lumbar segments were taken out and impregnated according to the rapid Golgi and Bubenaite methods (MATSUSHITA, 1969). The sections were of 100 to 250 [¿m thick. In order to determine the localization and to compare our results with those of other authors the Nissl's method, in which the sections were of 10 — 20 fim thick, was used. Transverse sections of the cord were made. The sections were photographed and drawn from photographs. The dendritic range of cells was corrected by direct microscopic observations (GROTTEL, 1976, 1977).

296

Grottel, K., and T. H o f m a n

Results In the central region of the intermediate gray the medium sized cells (13 —15 X 15 — 20 (xm) are most often found. Small (8—lOx 10 ¡j.m) and large cells (40 X 50 [¿m, and larger ones) are less numerous. The dendrites of the small and medium cells often travers the boundaries of the region in question over a short distance. Such dendrites arise from the peripherally located medium cells. The longest dendrites of medium cells were of 800—1000 ¡xm length and those of small cells had the length of 200 to 300 ¡xm. In some cases the dendrites of medium cells reached the thoracic nucleus (Fig. l a ) . The large cells have the widest range for they posses the longest dendrites. The size of some of these cells is equal to that of the alfa motoneurons. However, in Nissl's sections they are usually more pale than motoneurons. In the transverse sections impregnated according

Fig. 2. Semischematic figure represents transverse section of right side of spinal cord a t the level of L1. Cells were drawn from one section of 250 pm thick taken from m a t u r e cat. Magn. 80 X .

Fig. 1. Semischematic figure represents transverse section of left side of spinal cord a t the level of L 2 . Division into laminae is based on Rexed's description (1952, 1954). In lamina V I I (intermediate gray) paramedial, central and lateral p a r t s have been distinguished. Cells were drawn from one section of 200 |im thick taken from a seven days old kitten. Magn. 80 x .

to Golgi method one cell gives origin to 3—7 dendrites which branch further into smaller ramifications. The impregnated dendrites of large cells do not usually exceed the central region of the intermediate gray. Some dendrites, however, chiefly the longest ones (sometimes as long as 1500 — 2000 fxm) pass ventrally over the central region of the intermediate gray penetrating the lamina VIII (Fig. l g , h) and reaching even the groups of motoneurons (Fig. 2i). This refers mainly to cells whose cell bodies lie in the ventral part of the studied region. Some cells of this region, however, whose cell bodies lie in the center or dorsally also reach the dorsal region of the ventral horn (Fig. 2j). In often happens that two long dendrites penetrate the ventral horn independently of each other (Fig. l g , h). Dendrites of neurons of the central region of the intermediate gray penetrate also the dorsal horn. This is most often done by dendrites of cells located dorsally in the region (Fig. l c , d), though some of cells lying in the middle of this region (Fig. 2 c) also

Dendritic ranges of neurons of the spinal cord 297 send their dendrites to the dorsal horn. Generally these dendrites do not penetrate the dorsal horn beyond the lamina IV, but sometimes they pass over the area of the lamina IV into lamina III (Fig. Id, 2e) identified in Nissl's stained sections. Ventrally lying neurons of the central part of the intermediate gray do not send their dendrites into the dorsal horn beyond the lamina V (Fig. le). The lateral range of dendrites of cells lying in the central region of the intermediate substance is also very wide. Quite often they penetrate the lateral region of the intermediate gray (Fig. If, 2b, 1). In some sections the long dendrites reach the neurons of the lateral horn (Fig. 2 k). Some of them even enter the lateral funiculus (Fig. 2 a, d). Medially directed dendrites of cells of the central region reach the dorsal, central (Fig. 2h) and the ventral parts (Fig. li) of the paramedian region of the intermediate gray of the spinal cord. As it is known, in the dorsal part of this region there is the thoracic nucleus. Cells lying both in the dorsal (Fig. lb) and ventral parts of the central region of the intermediate substance send their dendrites to this nucleus. Laterally from the central canal of the cord there is the intermediomedial nucleus. In its direction some cells of the central region of the intermediate substance send their dendrites. Dendrites of cells of the central region also reach the white commissure. The central region of the intermediate substance of the spinal cord receives also dendrites from the cells lying in the all mentioned above regions, which have dendritic links with neurons of the central oregin of the intermediate gray of the cord.

Discussion The division of the intermediate gray into paramedial, central and lateral parts is not new although not precisely defined. MATSUSHITA (1970b) used it among others. Our studies refer to the two upper lumbar segments in cat, where the lateral horns are. MATSUSHITA (1970b) did not mark them, as he had studied the cervical part. It was shown that the central region of the intermediate gray at the level of the first and second lumbar segments corresponds to the R E X E D ' S central region of the lamina VII ( 1 9 5 2 , 1 9 5 4 ) . In this way the ventral range of the intermediate gray, described by us, is oriented more ventrally than that given by MATSUSHITA, R E X E D distinguished three types of neurons, according to size, in lamina VII, though, as cells of medium size prevail, he thought that lamina VII was rather uniform. W E S T M A N ( 1 9 7 1 )

also distinguishes three types of neurons in this region, but he divides them according to their synaptic terminals. MATSUSHITA divided the neurons of this region not only according to size (he used different criteria from R E X E D , 1952, 1954), but he also considered the cell shape (1970b) and the direction of the axons (1969, 1970a). MATSUSHITA (1970b) distinguishes two groups of neurons in the central region of the intermediate gray, i.e. the dorsal ( C A J A L ' S intermediate nucleus) and the ventral ones. According to our observations such a cell system may be distinguished in some sections. These dorsally located neurons (a few in number) correspond to the central group of cells studied with horseradish peroxidase following sympathectomy (CHUNG et al., 1975). As we were not interested in the size of neurons, we accepted R E X E D ' S division (1952), though the size of large neurons, found by us, went far beyond the upper limit given by R E X E D . Most of the morphological papers mentioning this region have been mainly concerned with the course of axons (MATSUSHITA, 1969, 1970 a). RAMON-MOLINER (1962) was concerned with the formula of dendrite division, but he did not ascribe it to definite centres and their connections in the spinal cord. Our observations of the dendrite system in the intermediate gray of the cord can be compared only with some information given by MATSUSHITA (1970 b). The latter considering the shape and way of division of dendrites in the cervical intumescence of cat described and illustrated the range of dendrites. Though his descriptions referred to another part of the cord, we think that they can be compared with our results. The dendrites of cells lying in the central region of the intermediate gray observed by MATSUSHITA penetrate laminae VII and VIII ventrally, and even reach the motor nuclei, while paramedially they run in the direction of the while commissure. In this respect our results confirm MATSUSHITA'S observations, though in the part described by us the arrangement of laminae is quite different. MATSUSHITA (1970b) could not see the connections of dendrites in this region with the thoracic nucleus as he examined the cervical part of the cord. According to us these connections often occur in the examined segments of Lx and L2. Besides, MATSISHITA did not show the dendritic connections with the intermedio-medial nucleus. Descriptions referring to the range of dendrites of cells of other regions into the central region of the intermediate substance are more numerous. In some cases, for instance, it has been found that dendrites of motoneurons and those of cells of lamina VIII penetrate this region (MATSUSHITA,

1970 a ;

MC L A U G H L I N ,

1973;

GROTTEL,

298

Grottel, K., and T. H o f m a n n

1 9 7 7 ) . Dendritic connections of neurons of the thoracic nucleus with this region have been also shown by HOFMAN (in print). JANKOWSKA a n d LINDSTROM ( 1 9 7 1 , 1972) o n

the

basis of physiological and morphological studies have stated that Renshaw's cells (JANKOWSKA and LINDSTROM, 1 9 7 1 ) and inhibitory interneurons mediating I a reciprocal inhibition of motoneurons of antagonistic muscles (JANKOWSKA and L I N D STROM, 1 9 7 2 ) lie dorsally to the motor nuclei, while their dendrites penetrate the central region of the intermediate gray. This has been confirmed by ZIMMERMAN, W O L F F and KLUBMAN (1973) who localized the interneurons mentioned above just in the intermediate substance. The dendrites of interneurons described by these authors penetrated the ventral and dorsal horns. It should be mentioned that JANKOWSKA and LINDSTROM examined segments of the spinal cord situated lower than we did, and ZIMMERMAN et al., carried out their studies on rats. A diverse range of dendrites of cells lying in the central region of the intermediate gray, even in the case of acceptance a certain selectivity in the impregnation of dendrites of neuron complexes and of individual neurons, indicates that this region does not contain the cells of the same function. According to OSCARSSON (1964) in the region studied by us, in mammals, are cells of origin of the VSCT for both the ipsi- and contra-lateral afferentations. It should be remembered, however, that the cells being the source for the same tract must not receive identical afferent connections (LINDSTROM, 1 9 7 3 ) , and thus they may differ in the range of receptive surfaces. We have also to remember that 90 per cent of the receptive surfaces of a neuron is on its dendrites (GELFAN, K A O and RUCHLIN, 1 9 7 0 ) . LINDSTROM (1973) stated that the influence of different afferentations and interneurons on the VSCT cells was not identical at this level, owing to the dissimilarity of entrances the information obtained by a cell becomes differentiated. No wonder, that the topographic mutability within the dendrites of VSCT cells is quite justified. In the intermediate gray of the spinal cord, especially in the central region, according to the latest studies of HANCOCK, RIGAMONTI and BRYAN (1973), as well as those of HANCOCK, FOREMAN and W I L L I S (1973) there are neurons to which visceral and cutaneous afferentations are brought. These neurons, being the source of the spinothalamic tract, most probably take part in transferring visceral pain. The wide range of dendrites of these neurons enables them reception from such different regions and integration of so many various kinds of information. The complexity of activities (HULTBORN, ILLERT

and SANTINI, 1976a, b, c) of la inhibitory interneurons in the pathway to antagonistic muscles and Renshaw's cells, found in this region (JANKOWSKA and

LINDSTROM,

1971;

ZIMMERMANN,

WOLFF

and

1973) may be reflected in the greatly differentiated arrangement of dendrites. The activity of these neurons is also controlled by supraspinal centers. According to NYBERG-HANSEN (1966) in the central part of lamina VII the rubro-spinal, lateral vestibulo-spinal, and tecto-spinal fibers terminate. These and other supraspinal tracts, as well as intraspinal afferentations and those from the periphery, require proper surfaces to make contacts with the neurons. The richness of function of the different neurons should be reflected in the connections and arrangements of their dendrites. KLUBMANN,

References K . C H U N G and R D . W U R S T E R : Sympathetic preganglionic neurons of t h e cat spinal cord: horseradish peroxidase s t u d y . Brain Res., 91, 126 — 131 (1975). G E L F A N , S., G . K A O a n d D. S. R U C H K I N : T h e dendritic tree of spinal neurons. J. Comp. Neurol., 139, 3 8 5 - 4 1 2 (1970). G R O T T E L , K . : D e n d r i t e bundles of t h e v e n t r a l h o r n cells of t h e thoracic p o r t i o n of t h e spinal cord in cats. Folia Morphol. (Warsz.), 35, 3 9 3 - 4 0 3 (1976). G R O T T E L , K . : Distribution of dendrites in t h e v e n t r a l h o r n of t h e thoracic p a r t of t h e spinal cord in t h e sagittal p l a n e in cats. Folia Morphol. (Warsz.), 36, 2 9 - 3 6 (1977). CHUNG, J . M . ,

HANCOCK, M. B . ,

R . D . FOREMAN

and

W . D . WILLIS:

Con-

vergence of visceral and c u t a n e o u s i n p u t o n t o spinot h a l a m i c t r a c t cells in t h e thoracic spinal cord of t h e cat. E x p . Neurol., 47, 2 4 0 - 2 4 8 (1975). HANCOCK, M . B . , D . D . RIGAMONTI a n d

R. N. BRYAN:

Con-

vergence in t h e l u m b a r spinal cord of p a t h w a y s a c t i v a t e d b y splanchnic nerve a n d hind limb c u t a n e o u s nerve stimulation. E x p . Neurol., 38, 3 3 7 - 3 4 8 (1973). H U L T B O R N , H . , M. I L L E R T and M. S A N T I N I : Convergence on interneurones m e d i a t i n g t h e reciprocal l a inhibition of motoneurones. I. D i s y n a p t i c l a inhibition of l a inhibit o r y interneurones. A c t a physiol. scand., 96, 193 — 201 (1976a). M. I L L E R T and M. S A N T I N I : Convergence on interneurones m e d i a t i n g t h e reciprocal l a inhibition of motoneurones. II. E f f e c t s f r o m segmental flexor reflex p a t h w a y s . A c t a physiol. scand., 96, 351 — 367 (1976b). H U L T B O R N , H . , M. I L L E R T a n d M. S A N T I N I : Convergence on interneurones m e d i a t i n g t h e reciprocal l a inhibition of motoneurones. III. E f f e c t s f r o m supraspinal p a t h w a y s . A c t a physiol. scand., 96, 3 6 8 - 3 9 1 (1976c). J A N K O W S K A , E., and S . L I N D S T R O M : Morphological identification of R e n s h a w cells. A c t a physiol. scand., 81, 428 t o 430 (1971). HULTBORN, H . ,

a n d S. L I N D S T R O M : Morphology of interneurones m e d i a t i n g I a recprocal inhibition of m o t o n e u r o nes in t h e spinal cord of t h e cat. J. Physiol., 226, 805 — 823 (1972). L I N D S T R O M , S.: R e c u r r e n t control f r o m m o t o r a x o n collaterals of l a inhibitory p a t h w a y s in t h e spinal cord of t h e cat. A c t a physiol. scand., suppl. 392 (1973). M A T S U S H I T A , M . : Some aspects of t h e i n t e r n e u r o n a l connecJANKOWSKA, E . ,

Dendritic ranges of neurons of the spinal cord tions in cat's spinal gray matter. Comp. Neurol., 136, 5 7 - 8 0 (1969). M A T S U S H I T A , M . : The axonal pathways of spinal neurons in the cat. J. Comp. Neurol., 138, 3 9 1 - 4 1 8 (1970a). M A T S U S H I T A , M . : Dendritic organization in cat's spinal gray matter. Acta Anat., 76, 263 — 288 (1970b). M C L A U G H L I N , B . J . : Propriospinal and supraspinal projections to the motor nuclei in the cat spinal cord. J . Comp. Neurol., 144, 4 7 5 - 5 0 0 (1972). N Y B E R G - H A N S E N , R . : Functional organization of descending supraspinal fibre systems to the spinal cord. Anatomical observations and physiological correlations. Reviews of Anatomy, Embryology and Cell Biology, SpringerVerlag, Berlin, Heidelberg, New York (1966). OSCARSSON, O.: Differential course and organization of uncrossed and crossed long ascending spinal tracts. Progress in Brain Research, Editors: J . P. Schade and J . C. Eccles, Physiology of spinal neurones., 12, 164 — 178 (1964). R A M O N - M O L I N E R , E . : An attempt at classifying nerve cells on the basis of their dendritic patterns. J . Comp. Neurol., 119, 2 1 1 - 2 2 7 (1962).

299

REXED, B . : The cytoarchitectonic organization of the spinal cord in the cat. J. Comp. Neurol., 96, 4 1 5 - 4 6 6 (1952). R E X E D , B . : A cytoarchitectonic atlas of the spinal cord in the cat. J. Comp. Neurol., 100, 2 9 7 - 3 8 0 (1954). W E S T M A N , J., and D . B O W S H E R : The fine structure of "nonspecific" gray matter (lamina V and VII) in the cat spinal cord. Exp. Brain Res., 12, 379 — 388 (1971). ZIMMERMANN, P . , H. W O L F F and F . W . K L U B M A N N : Changes in the activity pattern of spinal motoneurons and interneurons of the albino rat after long-lasting antidromic stimulation. Z. Zellforsch., 145, 2 2 9 - 2 4 5 (1973).

The author's

Adress:

Dept. of Normal Anatomy Institute of Biostructure Academy of Medicine in Poznan, 60-781 Poznan Av. Swi^cickiego 6. Poland

J . Hirnforsch. 19 (1978) 3 0 1 - 3 1 2

Division of Neuropathology. University Medical Center Lausanne, Switzerland (Head: Th. RABINOWICZ, Assoc. Prof.)

Postnatal development of the mouse cerebral neocortex III. Some dynamical aspects* By Genevieve

LEUBA,

Didier

HEUMANN

and Theodore

RABINOWICZ

With 3 figures and 2 tables (Received August 24, 1977)

Summary: In this paper we analyse our d a t a from the quantitative cytoarchitectonic study of motor and sensory areas 10 — 4 — 3 and 2 (Leuba and coll., 1977) and of visual and auditory area 5 —17 —18a —18 —41 and 20 (Heumann and coll., 1977). The analysis of neuronal densities and cortical depths shows the following facts during the postnatal maturation : 1. Generally the sequence of maturation of the cortical layers is the same in the 9 studied areas: first layers I and V, then V I b and V i a followed by I I I and IV and finally II. 2. This sequence is the same between 5 and 10 days as between 10 and 30 days. Still the maturation is much faster between 5 and 10 days. After 30 days differences between the layers are not very important. 3. For layers I, V and VI our 9 areas show an approximately similar degree of development from 5 days on. 4. Layers II, I I I and IV are in a faster period of development between 5 and 10 days. At this moment and for these layers, areas 17, 2, 3, 4 and 10 are less well developed than areas 41, 20, 18 and 18a. 5. One can thus consider t h a t in mice the maturation of the areas seems to be more correlated with their localization t h a n with their function. Effectively areas 41, 20 and 18a are in the vicinity of the rhinal fissure and a maturational gradient may well start in this fissure. 6. In terms of neuronal densities and cortical depths an adult aspect of the layers and of the areas seems t o be reached around 30 days. But some other phenomena of maturation exist after 30 days. Résumé : Nous comparons dans ce travail les résultats de cytoarchitectonie quantitative obtenus dans les aires motrices et sensorielles 10, 4, 3 et 2, L E U B A et al. (1977) et dans les aires visuelles et auditives 17, 18, 18a, 41 et 20, H E U M A N N et al. (1977). L'analyse des densités neuronales et des épaisseurs fait apparaître un certain nombre de caractéristiques dans la maturation postnatale des différentes aires et couches corticales. 1. De manière générale, l'ordre de maturation des couches est le même dans les neuf aires étudiées: couchesI etV, puis V I b et V i a , puis I I I et IV, puis finalement II. 2. Cet ordre est le même entre 5 et 10 jours et entre 10 et 30 jours, mais la maturation est beaucoup plus rapide entre 5 et 10 jours. Après 30 jours les différences entre couches sont minimes, 3. Si l'on considère uniquement les couches. I, V et VI, les neuf aires étudiées sont approximativement dans le même état de développement à partir de 5 jours. 4. P a r contre, si l'on considère les couches II, I I I et IV qui sont, entre 5 et 10 jours dans une phase de développement plus rapide, les aires 17, 2, 3, 4 et 10 présentent un retard de maturation sur les aires 41, 20, 18 et 18 a. 5. On peut en déduire que, chez la souris, la maturation des aires pourrait se faire selon la localisation plutôt que selon la fonction. E n effet les aires 41, 20 et 18a sont très proches de la scissure rhinale et un gradient de maturation pourrait diffuser à partir de là. 6. E n termes de densité neuronale et d'épaisseur corticale, l'état adulte des couches et des aires semble atteint autour de 30 jours. On peut néanmoins observer des différences fines après 30 jours.

Introduction In two previous papers (LEUBA and coll. (1977), HEUMANN and coll. (1977), we provided quantitative *) This work was made possible through grants from the Swiss National Science Foundation No 3.641 t o 0.71 and No 3 . 4 3 4 - 0 . 7 4

data on the cytoarchitectonic postnatal development of the mouse cerebral neocortex. We chose to study some regions representing as well motor as sensory and associative functions (areas 10, 4, 3, 2, 17, 18, 18 a, 41 and 20, KRIEG (1946). We want now to compare these areas between them during their postnatal development from 5 to 180 days.

302

Leuba, G., D. H e u m a n n and Th. Rabinowicz

I. Material The same material is used as in our previous papers and coll. (1977); H E U M A N N and coll. (1977).

(LEUBA

II. Methods 1. Quantitative

cytoarchitectonics

The methods have been described and discussed in our first paper, L E U B A and coll. ( 1 9 7 7 ) . The d a t a have been obtained in areas 10, 4, 3, 2 , 17, 18, 18a, 41 and 20 K R I E G (1946) a t the ages of 5, 10, 30, 60 and 180 days.

2. Measurements of cortical depths The thickness of the cortex was measured on cresyl violet stained sections cut serially and perpendicularly to t h e anteroposterior axis of t h e brain deleting t h e most anterior and posterior parts of the brain. Nevertheless t h e frontal sections are note rigorously perpendicular to the cortical pial surface due to t h e remaining curvature of t h e forebrain. As a consequence, in the latter the measured thickness does not correspond exactly to the real ones. We may, however, compare the same area through different ages or two or more areas of t h e same age on the same frontal level, L E U B A and coll. (1977). T h e evolution of t h e cortial depth of an area represents one of the functional criteria of maturation of t h a t area. I t is also interesting to know how t h e thickness of the different groups of layers or of isolated layers of an area increases (or decreases) during the maturation. To allow correlations between different areas or between different layers of the same area it was necessary to express these thicknesses in percentages of t h e total thickness of the cortex. Thus the d a t a obtained are independant from the variations due to the cerebral convexity or to the techniques.

We present here (Fig. 1) the differential patterns of evolution of the cellular densities for our 9 areas. The following observations can be made: The granular layers do not show the same dynamics of development in all the 9 areas. However layer II generally presents the biggest cellular density in all the areas at 5 days and presents also the most important decrease of cell density between 5 and 1.0 days. Remarkably enough at 10 days already it is no more layer II which shows the highest density, but layer IV in areas 2 and 3, while in area 1.7, differences between the two granular layers. are weak. In the other areas it is layer II which shows the highest density all along the development. In layer III the density is slightly less than that of layer II between 5 and 1.0 days. This is specially true for areas 4, 41 and 18 a. Layers I and V show in the 9 studied areas the smallest cellular density with the least decrease of density between 5 and 10 days. Finally layer VI presents a cellular density which shows on the whole an intermediate evolution between that of layer V and that of layer III, depending on the area. However in area 20, the density of layer VI is the highest after layer II between 5 and 10 days. Generally speaking for most of the areas the future aspect of the layers is being established between 5 and 10 days. Still some more variations can be evidenced between 10 and 30 days. For all the 9 areas the cellular densities reached at 30 days are going to be more or less stable. Nevertheless slight modifications depending on the layer and on the area occur between 30 and 180 days but without any specificity.

3. Slopes of the curves of cellular densities The cell densities of each layer of each area through time are presented in curves (fig. 1). As one m a y notice these curves do not exhibit very sharp differences from one area to another. As a consequence it was necessary to enhance these differences and for this purpose our results were expressed in terms of slopes. The slopes of the curves are calculated from the previously published quantitative data, L E U B A and coll. ( 1 9 7 7 ) , H E U M A N N and coll. ( 1 9 7 7 ) and given in arbitrary units: for each layer the slope represents the ratio: difference of neuronal densities between two successive ages / time (in days) elapsed between these two ages.

Results I. Quantitative

cytoarchitectonics

The quantitative data of the neuronal and glial densities have already been published in our two previous papers.

II.

Slopes of the curves of neuronal densities

The evolution of the neuronal densities (Fig. 1) will be better analysed in terms of slopes (see techniques). I. Analysis between layers (table 1) From 5 to 10 days: the slopes of the group of layers II, I I I and IV are more pronounced than those of the group of layers I, V, V i a and VIb. Among these

Fig. 1. Evolution of the cellular density (neurons and glial cells) f r o m 5 to 180 days. Areas 10, 4, 3, 2, 17, 18, 18 a, 41 and 2 0 according to K R I E G (1946). Values after A B E R C R O M B I E ' S (1946) correction. These curves reflect essentially t h e evolution of the neuronal densities. This is due t o t h e fact t h a t the number of glial cells is rather stable and relatively low during the development.

Postnatal development of the neocortex

303

304

Leuba, G., D. Heumann and Th. Rabinowicz

Table 1. Evolution of the neuronal densities in areas 10, 4, 3, 2 , 1 7 , 1 8 , 18 a, 41 and 20, expressed in terms of slopes, representing the ratio: difference of neuronal density between two successive ages / differences of age (5 to 10 days, 10 to 30 days, 30 to 60 days, 60 to 180 days). Slopes 5 - 1 0 D

10-30D 30-60D 60-180D

Area 10 I II III IV V Via VIb

0,04 0,14 0,07 0,04 0,01 0,15 0,06

0,01 0,01 0,02 0,04 0,02 0,01 0,01

9,6 70,8 42,0 40,7 8,8 18,5 7,4

0,88 2,53 1,96 3,21 0,88 1,47 0,88

0,07 0,09 0,05 0,22 0,12 0,22 0,11

0,01 0,01 0,03 0,04 0,01 0,04 0,04

0,44 1,80 0,83

0,10 0,37 0,24

0,01 0,01 0,01

Area 18 I II III IV V VI

7,3 67,2 21,9

5,8 70,7 43,4 48,1 9,4 18,3 5,4

0,40 2,31 2,01 1,95 0,75 1,53 1,25

—

—

—

8,7 11,5

0,57 3,34

0,16 0,18

0,02 0,04

0,44 2,44 1,51 1,06 0,72 0,96

—

—

0,01 0,03 0,01 0,04 0,01 0,01 0,02

5 , 5 - 9,6

5,9 70,0 41,5 40,9 9,8 16,8 4,5

0,32 2,10 1,75 1,94 0,73 1,54 1,29

0,03 0,37 0,09 0,18 0,06 0,19 0,16

0,01 0,02 0,02 0,04 0,01 0,01 0,01

0,05 0,13 0,15 0,19 0,04 0,13

0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,02

0,04 0,10 0,11 0,16 0,05 0,09

0,01 0,02 0,01 0,01 0,01 0,01

.6,1 74,6 44,6 44,1 13,7 19,2

0,11 2,52 2,57 2,93 0,78 1,45

0,01 0,05 0,05 0,16 0,05 0,16

0,01 0,01 0,04 0,04 0,01 0,02

0,37 2,52 1,46

0,02 0,25 0,19

0,01 0,00 0,02

Area 20 0,51 2,85 1,94 1,13 0,92 1,43

two groups a gradient of slopes can be distinguished. The following numbers give the minimal and maximal values of the slopes of all our areas for each of their six layers (For more details see table 1). Layer I :

0,03 0,31 0,20 0,11 0,07 0,18 0,12

Area 18 a

—

10-30D 30-60D 60-180D

Area 17

6,1 73,7 29,3 20,2 14,4 23,4

5,5 72,8 33,0 23,2 11,0 20,3

5-10D Area 4

Area 41

Area 2 I II III IV V Via VIb

10-30D 30-60D 60-180D

Area 3 0,35 2,40 1,86 2,10 0,75 1,40 1,34

6,0 59,2 37,3 35,7 9,0 14,9 4,3

5-10D

Layer V:

8,5-12,5

Layer V i a : 1 0 , 0 - 1 2 , 5

Layer V I b :

5 , 0 - 7,5

Layer I I :

55-75

Layer I I I : 1 5 - 4 5

Layer I V :

20-47,5

From 10 to 30 days: layers I and V, V i a and V I b have still a slight advance in development on layers II, I I I and IV. Layer I I tends to reduce its delay towards layers I I I and IV. After 30 days the slopes of all the layers vary between 0,001% and 0,5%. There are no important variations from 30 days on. This age can be considered as a more or less adult one from a quantitative cytoarchitectonic point of view. Still this does not mean that no modifications are any more present after 30 days: the table of slopes show still some sensible differences between 30 and 180 days.

7,7 58,2 16,0 —

—

—

—

12,8 22,2

1,07 1,56

0,12 0,19

0,02 0,02

2. Analysis between areas (Fig. 2 and table 1) From 5 to 10 days (Fig. 2) the slopes of areas 17, 2, 3, 4 and 10 follow more or less the same evolution particularly if one considers the homologous layers in each area. Nevertheless all the layers of area 10 look better developed. All these areas have at the adult age a well defined cytoarchitecture with well delimited layers and a distinct granular layer IV even in areas 4 and 10. These are projection areas responsible for sensory and motor functions. In this regard, area 41 (primary auditory) presents in terms of slopes a mode of development slightly different and nearer to that of area 18 a (visual associative) than to that of the other already mentioned projection areas 17, 2 and 3. In areas 18a and 41 the second layer is at the same stage of maturation as in the projection areas. The same is true for layers V and VI. On the other hand layers I I I and particularly IV seem to have some advance in maturation. The phenomenon is even more pronounced for areas 20 and 18 (auditory and visual associative for KRIEG, 1946), whose layers I I I present an even more advanced maturation. Layer I V is not consider-

Postnatal development of the neocortex

Fig. 2. Evolution of the slopes (ratio: difference of neuronal density between 5 and 10 days/difference of age) of the different layers in areas 10, 4, 3, 2, 17, 18, 18a, 41 and 20. Speed of maturation is quite different between the areas and in the same area between the layers (see text). This phenomenon is striking between 5 and 10 days. For the other ages, see table 2.

ed in areas 20 and 18 being not individualized from layer I I I . From 10 to 30 days the phenomena are similar but on a much reduced level (table 1). After 30 days the slopes of all the layers in all our areas vary between 0,001% and 0,5%, as we have already shown (table 1).'This makes it difficult to analyse subtle differences between areas at the adult age. III.

Depths of the layers

The measurements of the thicknesses of the layers through the postnatal development have been shown in our two previous papers. Hirnforschung, Bd. 19, Heft 4

305

We present here (Fig. 3) their dynamic evolution through time. All these 9 areas have a total thickness which is characterized by a very rapid increase between 5 and 10 days and by a less rapid one between 10 and 30 days. This increase is followed between 30 and 60 days by a clear decrease in areas 10, 4, 3, 2, 17, 18 and 18a and in areas 20 and 41 by a less important decrease which goes on slightly till 180 days. These two latter areas are also the only ones to have a • lesser cortical depth at 180 days than at 60 days. In the other areas the total cortical thickness is more at 180 days than at 60 days, but less than at 30 days. We will see in the discussion that this relative decrease in cortical thickness after 30 days may be considered as a sign of cortical plasticity. If the individual layers are considered, similar tendencies appear: the group of layers I I —III —IV follows the evolution of the total thickness with a less pronounced decrease between 30 and 60 days. In areas 18, 3 und 2, layer V presents also such an evolution. Layers I and VI show only a slight increase in thickness till 30 days and from this moment on are rather stable. Layer VI is stable as early as from 10 days on, in most of the areas. 22

306

Leuba, G., D. H e u m a n n and Th. Rabinowicz

Postnatal development of the neocortex

307

Table 2. Thickness of t h e layers in % of the total thickness, in areas 10, 4, 3, 2, 17, 18, 18a, 41 and 20 a t 5, 10, 30, 60 and 180 days. Explanations: see text. Thickness of layers in % of total thickness Days

5

Layers

Area 4

I II-IV V VI

5 23 33 39

10

30

60

180

7 31 30 32

9 33 29 29

9 32 30 29

9 29 29 33

8 32 24 36

12 30 34 24

9 39 27 25

11 31 38 20

5 29 30 36

12 43 25 20

12 43 26 19

11 49 26 14

6 29 30 35

60

180

7 35 28 30

8 37 27 28

8 38 25 29

8 38 27 27

12 30 38 20

11 32 37 20

13 32 36 19

10 31 31 28

Thickness of the layers in % of the total cortical depth (table 2)

Generally speaking in all our areas the group of layers II —III —IV increases in relative importance of the total thickness while layer VI decreases slowly with time. Layer V shows an intermediate evolution (see later).

Fig. 3. Evolution of t h e thickness of t h e whole cortex (in solid lines). Evolution of t h e depth of layers I, V and VI individually (in discontinued lines). Evolution of the group of layers I I - I I I - I V (in dotted lines). Areas 10, 4, 3, 2, 20, 41, 17, 18 and 18a according t o K R I E G (1946).

5

10

30

60

180

8 30 35 27

8 28 36 28

8 28 37 27

14 24 35 27

14 24 32 30

14 23 32 31

14 26 40 20

15 24 40 21

15 25 37 23

Area 10 5 26 35 34

7 29 35 29

Area 18 6 37 28 29

7 39 25 29

8 40 25 27

7 38 26 29

9 22 32 37

13 21 33 33

Area 20

Area 18a

In area 17 layer VI shows a maximum thickness at 5 days and then decreases progressively till 60 days, while at 180 days there appears again a slight increase. In area 18 a also the maximum thickness is already reached at 5 days. Thus in areas 17 and 18 a layer VI seems to have a rather different evolution than in the other areas. In summary the increase of the total cortical depth depends first on layers I I — I I I —IV and then on layer V, layers I and VI showing different evolutions. These facts are demonstrated by the evolution of the layer's thickness in % of total cortical depth. IV.

30

Area 2

Area 41 I II-IV V VI

10

Area 3

Area 17 I II-IV V VI

5

11 32 37 20

12 33 35 20

12 36 33 19

12 34 34 20

15 23 38 24

16 24 40 20

Layer I Motor and sensory areas have a relatively thinner first layer than visual and auditory areas. Area 20 has from all our areas the relatively thickest layer I. The increase is slow and progressive till 30 days for all our areas. Layers I I - I I I - I V In areas 2 and 3 a more important part of the cortex is occupied by layers II, I I I and IV than in areas 10 and 4 (because of the rather thick fourth layer in the sensory areas). This was found all along the development. In area 17, one third to half of the total depth of the cortex is due to the group of layers II —III —IV. The relative importance of these layers decreases in areas 41 and 18 a and is even less in areas 18 and 20. In fact in these latter areas there is no individualized layer IV. In terms of development the group of layers II, I I I and IV takes an increasing importance with time, more in areas 4, 3, 2 and 17 than in areas 10, 18, 18 a, 41 and 20. Layer V This layer takes a less important part of the total depth in areas 17, 3, 2 (sensory areas) than in motor areas 4 and 10. In auditory 41, 20 and visual areas 22*

308

Leuba, G., D. Heuniann and Th. Rabinowicz

1.8 and 18a the fifth layer is the most important one. The relative thickness of this layer during the postnatal development decreases slightly in sensory and motor areas and increases in visual and auditory areas. Layer VI On the contrary of layer V the relative thickness of layer V I is more obvious in the motor and sensory areas than in the auditory and visual areas. Generally speaking layer V I is decreasing in relative importance in all our areas between 5 and 180 days.

Discussion I. Differential maturation of the layers Our study begins at five postnatal days. It thus can not provide direct informations on the early differential migration of the neuroblasts in the future cortex. These events have been well studied by autoradiographic methods: A N G E V I N E and SIDMAN (1961), B E R R Y and R O G E R S (1965), H I C K S and D ' A M A TO (1968), B I S C O N T E and M A R T Y (1975), B R Ü C K N E R and coll. (1976). Neurons assigned to the cerebral cortex are born essentially during the gestation (E13—20). According to these authors the neuronal migration seems to be completed at birth in rat and mouse and cells labelled from the 20—21th day of the gestation appear to become glial cells. This has been confirmed by ALTMAN and D A S (1.966) who in their postnatal autoradiographic study of the rat's brain did not found any labelled neurons in the cortical layers. For H I C K S and D'AMATO (1968) the cells born after the 21th embryonic day will become glial; but, as the duration of the migration increases gradually with the thickenning of the cortical plate, the cells born between 1.9 and 21. embryonic days will enter the cerebral cortex at about the time of birth and will still need 5 — 7 days to reach their destination in the external layers of the cortex. Thus the settling down of the layers does not seem to be completed at birth in mouse and the maturation is far from being achieved. Our evaluation of the cortical maturation begins at 5 postnatal days as quantitative cytoarchitectonic methods necessitate well recognizable neurons and layers. We use frequently the criterion of cellular (neuronal) density as a mean to appreciate the degree of maturation of a layer. In fact it is the evolution of the neuronal density of a given layer during the

development which allows the quantitative estimation of its degree and speed of maturation. This criterion should naturally be confronted with the morphological criteria of the layer (structuration, limitations and thickness) and of the cells themselves (nucleus and cytoplasm, dendritic network). The proliferation of the dendritic field ( R A B I N O W I C Z and coll., 1977) explains mainly in our opinion the decrease of the neuronal density during the development. The number of neurons by unit of volume can thus be taken as an index of the degree of maturation of the layer as shown by numerous authors. Between 5 and 10 days (Fig. 2) in the nine studied areas (10, 4, 3, 2, 17, 1.8, 18a, 41 and 20) layers I and V have the slightest slope, layers V I b and V i a a slightly steeper one, layers I I I and I V a still steeper one and layer I I the steepest. We thus admit the following order of maturation of the cortical layers between 5 and 10 days: I and V, then V I b and V i a , then I I I and IV, and finally I I . After 10 days, the maturation is going on in the same order (Table 1) but at a slower pace. The order we suggest has already been described on the basis of morphological criteria in man by CONEL (1939-1.967), R A B I N O W I C Z (1964) and also by M A R I N - P A D I L L A (1.970a; 1970b) on a G O L G I study in the human premature and new-born. The last author has also suggested that the maturational order follows the sequential arrival of afferent fibers to the different cortical levels. The early maturation of the big pyramidal cells of layer V has also been reported by numerous authors: S U G I T A (1.918) in rat, E A Y R S and GOODHEAD (1.959) also in rat, P U R P U R A and coll. (1964) in cat, ASTRÒM (1967) in shesp, S T E N S A A S (1.968) in rabbit, M O R E S T (1.970) in oppossum, M O L L I V E R and VAN D E R LOOS (1970) in dog, CONEL ( 1 9 3 9 - 1 9 6 7 ) , R A B I N O W I C Z (1.964) in human. As a matter of fact it seems that the group of layers I I , I I I and I V follows a pattern of maturation different from that of layers I, V and IV. In our study the steepest slope is seen between 5 and 10 days, steeper for layers I I , I I I and I V than for layers I, V and VI. We have no quantitative data of the period before 5 days but R I C E (1974) showed with autoradiographic methods that layers V and V I are earlier mature than layers I I , I I I and IV. It is thus possible that the spurt of maturation occurs before 5 days for layers I, V and VI. The period between 5 and 10 days would therefore be a slowing down phase of maturation for these layers. On the contrary in layers I I , I I I and I V the period between 5 and 1.0 days appears to be very important for their maturation and organization in distinct layers. Indeed, at 5 days, the group of layers I I , I I I and I V is well delimited towards layers I and V

Postnatal development of the neocortex

but inside of this group clear demarcations between layers are not easy to be recognized. Our quantitative data at 5 days have been obtained in places which will correspond later (at 10 days) to the individualized layers II, I I I or IV. These three layers seem even to be the site of some intracortical reorganization between 5 and 10 days. At 5 days the place corresponding to the future layer IV in sensory areas is sometimes less dense, than that corresponding to the future layer I I I while at 10 days it is just the contrary. It is well known that layer IV is much denser in all the sensory areas and this is clearly confirmed by our quantitative data. Generally speaking at 5 days the .variability maturation for this three layers is much more striking than at 10 days. The less developed brains show most clearly this phenomenon. As suggested by H I C K S and D ' A M A T O (1968) the migration in layers I I , I I I and IV is not complete at birth. Our data (see table of the percentage of the layers' thicknesses in relation to the total cortical thickness), are in agreement with this hypothesis. Indeed between five and ten days and even till the adult age layers V and VI tend to loose part of their importance in the total cortical depth, while layers I I — I I I —IV tend to gain in relative thickness from 5 days up to the adult age. R I C E (1974) has shown in mice that the appearance of the barrels in layer I V of area 2 at the 3rd—4th postnatal day is correlated with the end of the migration in layers V and VI. However the phenomenon may not be completed even at 5 days: the presence at 10 postnatal days of more neurons in the white matter than at adult age below all the areas would speak in favour of a prolongation of the migration between 5 and 10 days after birth. There are probably more neurons at 5 days but we could not identify them with enough safety. If layers I, V and VI on one side and layers II, I I I and I V on the other side have really different patterns of maturation, an intracortical migration could be conceivable along with a reorganization of the layers. This late migration could take place between 5 and 10 days.

II.

Differential

maturation

of the areas

The analysis of the differential maturation of the studied areas has evidenced the two following main features: 1. Between 5 and 10 days and for layers I, V and VI all our areas except area 18 have approximately the same speed of development in terms of slope. All these areas are for these layers in a slower phase of maturation.

2. For layers II, I I I and IV and 10 days are in a rapid phase found that areas 17, 2, 3, 4 and well developed than areas 41, 20,

309

which between 5 of development we 10 seem to be less 18 and 18a.

It seems that in the mouse (Fig. 2) the maturation of the areas does not follow a pattern depending on the functional importance of these areas: primary areas as 17 (visual), 3 (sensory), 4 and 10 (motor), 2'(barrels) have a delay of maturation in comparison with associative areas as 20, 18 and 18 a. The analysis of the maturation of the auditory and visual areas at a same frontal level shows the following order: first area 20, then areas 41 and 18a, finally 17. This could lead us to an interpretation of the developmental sequence in mouse according to the localization rather than to the function. Indeed areas 20, 41 and 18 a are very near from the rhinal fissure laterally. Thus a latero-median gradient of maturation may start from the rhinal fissure (limited by the paleocortex). Such a gradient with an advance of the lateral part of the brain compared to the median part has already been described in the cerebral cortex in earlier stages: H I C K S and D ' A M A T O (1968) in rat, H I N D S and R U F E T T (1971) in mouse, F E R N A N D E Z and B R A V O (1974) in rabbit. H I N D S and R U F E T T (1971) described an advance of the development of the lateral cortex in comparison with the median one as early as at 13 — 14 embryonic days. Area 18 near the median fissure shows also some advance of maturation in comparison with area 17 and an other gradient of development may start from the median fissure to the convexity. As a matter of fact the new mapping of C A V I N E S S ( 1 9 7 5 ) brings some other interesting elements: The two areas 2 0 and 1 8 of K R I E G ( 1 9 4 6 ) which show the greatest advance of development are for C A V I N E S S ( 1 9 7 5 ) , rather retrohippocampic areas than neocortical association areas. Area 2 0 of K R I E G ( 1 9 4 6 ) corresponds to area 3 5 of C A V I N E S S ( 1 9 7 5 ) and area 1 8 of K R I E G ( 1 9 4 6 ) corresponds partially to area 2 9 d for C A V I N E S ( 1 9 7 5 ) . This new mapping would be well in accordance with the advance of development in areas 18 and 20, as the paleocortex is known to mature earlier, F E R N A N D E Z and B R A V O ( 1 9 7 4 ) . For H I C K S and d'AMATO (1968) there is a slight delay of maturation in the- frontal areas but our results in area 10 do not confirm this fact. The most evident gradient of maturation is for us lateromedian. A similar gradient has been described by other authors in different cerebral structures: in the thalamus by A N G E V I N E ( 1 9 7 0 ) , in the hypothalamus by SHIMADA and N A K A M U R A ( 1 9 7 3 ) , in the hippocampus and neocortex by F E R N A N D E Z and B R A V O ( 1 9 7 4 ) . In the paleocortex the gradient of

310

Leuba, G., D. Heumann and Th. Rabinowicz

maturation seems to be mediolateral starting from the rhinal fissure, FERNANDEZ and BRAVO (1974).

According to these results the lissencephalic brain may diffuse developmental gradients from the rhinal fissure, that is on an anatomical basis rather than on a functional basis. A gradient of development is also found in brains with circonvolutions. It has been observed in children from the Rolando fissure by CONEL (1939 — 1967) and in the human premature b y RABINOWICZ (1964). MARIN-PADILLA (1967) h a s

also shown an advance in the development of the auditory cortex of man.

III.

Cortical maturity

and some functional

correlations

In terms of cortical depths and cell densities most of the development is completed in all the layers around 30 days. However the maturation seems well to slow down already before this moment. We are now stuying the 20 days old animals to fill in the gap. Preliminary results show that layers I, V and VI have already reached an almost adult state in term of quantitative cytoarchitectonics while maturation is still delayed in layers II, III and IV. Moreover analysis at the level of the dendritic branching and of the spines shows an analogous phenomenon RABINOWICZ and coll., 1977). Our current

research

shows that there are still some maturational phenomena after 30 days. It is already known that the decrease of neuronal density during the development is correlated with t h e i n c r e a s e of t h e neuropile, HADDARA (1956)

in

mouse, PURPURA a n d coll (1964) in c a t , RABINOWICZ (1964)

in h u m a n

premature,

CONEL

(1939-1967)

in children. Other parameters may also be taken into consideration such as glial proliferation and neuronal death, HEUMANN and coll. (in print). For HADDARA (1956) the visual cortex of the mouse

reaches an adult interperikaryal space as early as a t 17 days. F o r EAYRS a n d GOODHEAD (1959)

the

cerebral cortex of the rat has reached its mature characteristics at 18 days but fine quantitative changes may still be produced later. For BRIZZEE and JACOBS (1959) neuronal density, cellular volume and gray coefficient approach their adult values at 20 days. MELLER and coll. (1968) have noticed that dendritic branching and the size of spines are adult a t 2 1 days. AGHAJANIAN a n d BLOOM (1967)

have

shown a great increase of synapses in layer I of the rat's cerebral cortex between 14 and 26 days. The period around 20 days seems to be a critical one for the morphological maturation. However our results on Golgi studies (RABINOWICZ and coll., 1977) suggest that the dendritic branching and specially

the number of spines increase till 30 days in layers III and V. On the other hand the neurophysiological maturation seems to be slightly earlier than the morphological one. In rats and mice the development of the EEG and of the evoked potentials corresponds to the adult patterns around the 16 —17th day, KoBAYASHI and coll. (1963), around the third week, DEZA a n d EIDELBERG (1967) or b e t w e e n 17 a n d 2 0

days, ROSE (1968). The behavioural maturation seems to appear even earlier. The main reflexes are acquired at 15 days, KOBAYASHI a n d coll. (1963), F o x ( 1 9 6 5 ) ,

OLIVERIO

NAGY a n d coll. ( 1 9 7 2 ) , a t a b o u t

days

(1974). The inception of long term memory in mouse appears at about 9—10 days for escape learning, 11.-13

for

T m a z e , NAGY a n d SANDMANN (1973).

On the contrary, the biochemical maturation comes later. FOLCH-PI (1955) has noticed that only at 50 days is the myelination indistinguishable from that of 180 days in the mouse's brain. DAVISON and coll. (1966) have found only at 30 days an almost adult contain of lipids in rat's brain. For WENDER and KOZIK (1968) myelinated fibers are present in all

cerebral structures at 20 days but in smaller number than at 70 days. Several enzymes show an increase of activity till 30 days HIMWICH (1962), or have a maximum at 17 days for the neurons and at 25 days for the glial cells, ARBOGAST and ARSENIS (1974). CAMPAGNONI a n d CAMPAGNONI (1976)

have

observed a maximum increase of proteolipid proteins between 10 and 33 days after birth in the rat's brain. All these results raise the problem of the links between morphological and functional parameters. Trying to find relationships between function and morphology is extremly difficult on the many levels of the cerebral cortical development. This is mainly due to the fact that with morphological studies we can study precise areas while most of the biochemical, electroencephalographical and behavioural studies are made on the brain as a whole. Still the maturation of morphological, electroencephalographical and behavioural components is rather well correlated during the period extending from birth to the end of the third week, according to most of the authors. This is not always true for some biochemical parameters. We have pointed out that the spurt of decreasing neuronal density is before 10 days for all the cortical layers in all the studied areas, and may be before 5 days for layers I, V ad VI. This coincides with the appearance of electrical activity, KOBAYASHI a n d coll. ( 1 9 6 3 ) , DEZA a n d EIDELBERG (1967), OLIVERIO a n d coll. ( 1 9 7 5 ) , w i t h t h e o n t o g e n y

of the first reflexes, KOBAYASHI and coll. (1963),

Postnatal development of the neocortex

F o x ( 1 9 6 5 ) , O L I V E R I O ( 1 9 7 4 ) and of the sp called long term memory, N A G Y and coll. ( 1 9 7 2 ) , N A G Y and S A N D M A N N ( 1 9 7 3 ) . The main connections begin to be established at that time. For us between 10 and 30 days and may .be later the maturation goes on in a way quantitative cytoarchitechtonic methods and G O L G I techniques are better able to apprehend. As we showed ( R A B I N O W I C Z and coll., 1977) in a G O L G I study there are some rather elaborate patterns of development (dendritic growth, spines) still in evolution after 30 days. These elements point to the fact that we have to admit the existence of a period of "adolescence" in mice, or in any case of a real cortical plasticity at adult age.

Bibliographie^ and F. E . B L O O M : The formation of synaptic junctions in developing rat brain: a quantitative electron microscopic study. Brain Res. 6, 716 — 727 (1967). A L T M A N , J., and G . D . D A S : Autoradiographic and histological studies of postnatal neurogenesis. I. A longitudinal investigation of the kinetics, migration and transformation of cells incorporating tritiated thymidine in neonate rats, with special reference to postnatal neurogenesis in some brain regions. J . Comp. Neurol. 126, 3 3 7 - 3 9 0 (1966). A N G E V I N E , J . B., and R. L. S I D M A N : Autoradiographic study of cell migration during histogenesis of cerebral cortex in the mouse. Nature 25, 7 6 6 - 7 6 8 (1961). A N G E V I N E , J . B. : Time of neuron origin in the diencephalon of the mouse. An autoradiographic Study. J . Comp. Neurol. 139, 1 2 9 - 1 8 8 (1970). A R B O G A S T , B. W„ and C. A R S E N I S : The enzymatic ontogeny of neurons and glial cells isolated from postnatal rat cerebral gray matter. Neurobiology 4, 21 — 37 (1974). Ä S T R O M , K.-E. : On the early development of the isocortex of fetal sheep. In: Progress in Brain Research 2 6 , B E R N H A R D and S C H A D E (eds.), 1 — 5 9 ( 1 9 6 7 ) . B E R R Y , M., and A. W. R O G E R S : The migration of neuroblasts in the developing cerebral cortex. J . Anat. (Lond.) 99, 6 9 1 - 7 0 9 (1965). B I S C O N T E , J , C., and R . M A R T Y : Analyse chronoarchitectonique du cerveau de rat par autoradiographie. I. Histogenèse du télencéphale. J . Hirnforsch. 16, 55 — 74 (1975). B R I Z Z E E , K . R . , and L . A . J A C O B S : Early postnatal changes in neuron packing density and volumetric relationships in the cerebral cortex of the white rat. Growth 23, 3 3 7 - 3 4 7 (1959). B R Ü C K N E R , G., V. M A R E S and D. B I E S O L D : Neurogenesis in the visual system of the rat. An autoradiographic investigation. J . Comp. Neurol. 166, 245 — 256 (1976). C A M P A G N O N I , A. T., and C . W. C A M P A G N O N I : A regional study of developing rat brain: The accumulation and distribution of proteolipid proteins, Journal of Neurobiology, 7, 3 1 3 - 3 2 4 (1976). C A V I N E S S , V . S . jr. : Architectonic map of the neocortex of the normal mouse. J . Comp. Neurol. 164, 247 — 264 (1975). C O N E L , J . L. : The postnatal development of the human cerebral cortex, Harvard University Press, Cambridge, Mass. 1939-1967. AGHAJANIAN, G . K . ,

DAVISON, A . N . ,

M . L . CUZNE'R.

N. L. BANIK

and

J.

311 OX-

Myelinogenesis in the rat brain, Nature 2 1 2 , 1 3 7 3 - 1 3 7 4 (1966). D E Z A , L., and L. E I D E L B E R G : Development of cortical electrical activity in the rat. Exp. Neurol. 17, 425 — 438 (1967). E A Y R S , J . T . , and B. G O O D H E A D : Postnatal development of the cerebral cortex in the rat. J . Anat. (Lond.) 93, 3 8 5 - 4 0 2 (1959). F E R N A N D E Z , V., and H. B R A V O : Autoradiographic study of development of the cerebral cortex in the rabbit. Brain, Behav., Evol. 9, 3 1 7 - 3 3 2 (1974). F O L C H - P I , J . : Composition of the brain in relation to maturation. In: Biochemistry of the Developing Nervous System, Waelsch (ed.), Academic Press, New York, 1 2 1 - 1 3 6 (1955). Fox, M. W. : Reflex ontogeny and behavioral development of the mouse. Animal Behaviour (Lond.) 13/1, 234—241 (1965). H A D D A R A , M. : A quantitative study of the postnatal changes in the packing density of the neurons in the visual cortex of the mouse. J . Anat. (Lond.) 90, 4 9 4 - 5 0 1 (1956). H E U M A N N , D . , G . L E U B A and Th. R A B I N O W I C Z : a) Postnatal development of the mouse cerebral neocortex. II. Quantative cytoarchitectonics of visual and auditory areas. J . Hirnforsch. 18, 4 8 3 - 5 0 0 (1977). b) Postnatal development of the mouse cerebral neocortex. IV. Evolution of the total volume and of the population of neurons and glial cells. J . Hirnforsch. (in print). H I C K S , P . , and C. J . D ' A M A T O : Cell migrations to the isocortex in the rat. Anat. Rec. 160, 619 — 634 (1968). H I M W I C H , W. A. : Biochemical and neurophysiological development of the brain in the neonatal period. Int. Rev. Neurobiol. 4, 1 1 7 - 1 5 8 (1962). H I N D S , J . W . , and T . L . R U F E T T : Cell proliferation in the neural tube: an electron microscopic and Golgi analysis in the mouse cerebral vesicle. Z. Zellforsch. Mikrosk. Anat. 115, 2 2 6 - 2 6 4 (1971). BERRY:

KOBAYASHI, T.,

Q . INMAN,

W . BUNO

and

H. E.

HIMWICH:

A multidisciplinary study of changes in mouse brain with age. Recent Advances Biol. Psychiatr. 5, 2 9 3 - 3 0 8 (1963). KRIEG, J . S.: a) Connections of the cerebral cortex. I. The albino rat. A. Topography of the cortical areas. J . Comp. Neurol. 84, 2 2 1 - 2 7 6 (1946). b) Connections of the cerebral cortex I. the Albino rat. B. Structures of the cortical areas. J . Comp. Neurol. 84, 2 7 7 - 3 2 2 (1946). LEUBA, G., D . HEUMANN and Th. R A B I N O W I C Z : Postnatal development of the mouse cerebral neocortex I. Quantitative cytoarchitectonics of some motor and sensory areas. J. Hirnforsch. 18, 461 — 481 (1977). M A R I N - P A D I L L A , M . : Number and distribution of the apical dendrite spines of the layer V pyramidal cells in man. J . Comp. Neurol. 131, 4 7 5 - 4 9 0 (1967). M A R I N - R A D I L L A , M . : a) Prenatal and early postnatal ontogenesis of the human motor cortex: a Golgi study..I. The sequential development of cortical layers. Brain Res. 23 1 6 7 - 1 8 3 (1970). b) Prenatal and early postnatal ontogenesis of the human motor cortex: a Golgi study. II. The basket pyramidal system. Brain Res. 23, 1 8 5 - 1 9 1 (1970). M E L L E R , K., W. B R E I P O H L and P. G L E E S : Synaptic organization of the molecular and the outer granular layer in the motor cortex in the white mouse during postnatal development. A Golgi and electron microscopical study. Z. Zellforsch. 92, 2 1 7 - 2 3 1 (1968).

312

Leuba, G., D. Heumann and Th. Rabinowicz

E., and H . VAN D E R L O O S : The ontogenesis of cortical circuitry: the spatial distribution of synapses in somesthetic cortex of new born dog. Ergeb. Anat. Entwicklungsgesch. 42, 5 - 5 3 (1970). M O R E S T , D. K . : A study of neurogenesis in the forebrain of opossum pouch young. Z. Anat. Entwickl.-Gesch. 130, 2 6 5 - 3 0 5 (1970). N A G Y , Z . M . , J . R . M I S A N I N and P . L . O L S E N : Development of 24 hours retention of escape learning in neonatal CH3 mice. Dev. Psychobiol. 5/3, 2 5 9 - 2 6 8 (1972). N A G Y ; Z . M . , and M . S A N D M A N N : Development of learning and memory of T-maze training in neonatal mice. J . Comp. Physiol. Psychol. 83/1, 1 9 - 2 6 (1973). O L I V E R I O , A.: Genetic and biochemical analysis of behavior in mice. Prog. Neurobiol. 3/3, 1 9 1 - 2 1 5 (1974). O L I V E R I O , A . , C . C A T E L L A N O and P . R E N Z I : Genotype or prenatal drug experience affect brain maturation in the mouse. Brain Res. 90, 3 5 7 - 3 6 0 (1975). MOLLIVER, M .

PURPURA, D . P.,

R . J . SHOFER, E . M . HOUSEPIAN a n d C. R .

: Comparative ontogenesis of structure-function relations in cerebral and cerebellar cortex. In: Growth and maturation of the brain, Progress in Brain Research 4, 1 8 7 - 2 2 1 (1964), Purpura and Schad6 (eds.), Elsevier Amsterdam. R A B I N O W I C Z , Th.: The cerebral cortex of the premature infant of the 8th month. In: Growth and maturation of the brain, Progress in Brain Research 4, 39 — 92 (1964), Purpura and Schad6 (eds.), Elsevier Amsterdam. R A B I N O W I C Z , Th., G. L E U B A and D . H E U M A N N : Morphologic maturation of the brain: a quantitative study. In: Brain, fetal and infant. 28 — 53 (1977). Berenberg (ed.), Nijhoff, The Hague. RICE, F. L . : Somato-sensory cortex of the mouse: time of origin and postnatal migration of neurons in the barrel field. A quantitative autoradiographic study. Anat. Rec. 178, 447 (1974). NOBAK

ROSE, G. H.: The development of visually evoked electrocortical responses in the rat. Develop. Psychobiol. 1/1, 3 5 - 4 0 (1968). S H I M A D A , M . , and T . N A K A M U R A : Time of neuron origin in mouse hypothalamic nuclei. Exp. Neurol. 41, 163 — 173 (1973). S T E N S A A S , L . J . : The development of hippocampal and dorsalateral pallial regions of the cerebral hemisphere in fetal rabbits. VI. ninety millimeter stage, cortical differentiation. J . Comp. Neurol. 132, 9 2 - 1 0 8 (1968). S U G I T A , N.: Comparative studies on the growth of the cerebral cortex. J. Comp. Neurol. 29, 1 1 9 - 1 6 2 (1918). W E N D E R , M . , and M . K O Z I K : Histochemistry of cerebral white matter in relation to myelination of mouse brain. J . Hirnforsch. 10, 7 9 - 8 8 (1968).

Aknowledgements Mrs M. M E I E R , Mrs R. L A C H A T and Miss Z . T R B O V I C prepared the microscopical slides; Mr B. M A U R E R did the photographic work; Miss L . D E P R E Z typed the manuscript.

A ddress of the authors : T h . RABINOWICZ, M . D . '

Assoc. Prof. Division of Neuropathology Centre Hospitalier Universitaire Vaudois 1011 Lausanne Switzerland

J . Hirnforsch. 19 (1978) 3 1 3 - 3 3 2

Aus dem Zoologischen Institut der Universität Basel (Direktor: Prof. Dr. H.

NÜESCH

und Prof. Dr. W.

STINGELIN)

Untersuchungen zur Embryonalentwicklung des Gehirns von Scyliorhinus canicula (L.). I. Bildung der Hirngestalt, Migrationsmodi und -phasen, Bau des Zwischenhirns. Von Hans-Peter

FARNER1

Mit 7 Abbildungen und 1 Tabelle (Eingegangen am 27. Juli 1977) Zusammenfassung: Untersuchungen über den Bau des Gehirns von Scyliorhinus canicula wurden an embryonalen Stadien durchgeführt. Die Aufzucht der Embryonen dauert bis zum Schlüpfen im Mittel 157 Tage bei einer Wassertemperatur von 1 5 ° ± 0 , 5 ° Celsius und einer Dichte von 1 , 0 2 6 . Das Studium der Ontogenese des Gehirns ergab folgende erste Ergebnisse: 1. Die äußere Hirngestalt zeichnet sich durch eine prominente Anlage von Tectum und Cerebellum einerseits und das frühe Auftreten der Hemisphären und des Nervus oculomotorius andererseits aus. I m Cerebellum bereich und im Prosencephalon treten neue Hirnbeugen auf, letztere sehr ausgeprägt. Die Nackenbeuge fehlt völlig. 2. Die Bildung des Stratum matricis erfolgt nicht in allen Gehirnteilen gleichmäßig. Generell sind dorsale Regionen gegenüber ventralen retardiert, d. h. Grundplattenmaterial wird früher gebildet als Flügelplattenmaterial. Sehr spät setzt die Matrixbildung im Cerebellum an, wo die Proliferation auch entsprechend länger dauert. Grundsätzlich decken sich diese Ergebnisse mit den von K A H L E ( 1 9 5 1 ) im menschlichen Gehirn gemachten Feststellungen. Eine Ausnahme ergibt sich im Telencephalon. Beim Menschen unterliegt es einer starken Retardierung, wogegen bei Scyliorhinus canicula kaum nennenswerte Verzögerungen auftreten. 3. Mächtig überragt der Hypothalamus alle übrigen Zwischenhirnteile. Sehr wenig entwickelt ist der Thalamus ventralis, nicht vorhanden der Thalamus dorsalis. Prominent ist die praetectale Region, die gut differenzierte Nuclei aufweist. 4. Die asymmetrische Gestalt des Epithalamus, die vergrößerte linke Habenula erweist sich als postnatale Elongation, gekoppelt mit einer verstärkten Myelinisation des linken Fasciculus retroflexus. Summary: Brain structure of the shark Scyliorhinus canicula has been studied on the basis of a series of embryonic stages. The incubation time was 157 days in average (under constant conditions of 15 centigrades and density of 1.026). 1. The first predominant characters of the external brain shape are the optic tectum, cerebellum, telencephali hemispheres and oculomotor root. In addition, the brain axis is characterized by new flexures in the cerebellar and prosencephalic level. A nuchal flexure in absent. 2. The ontogenetic pattern of the matrix layer differs in different brain parts. Generally, ventral columns develop earlier than dorsal ones. Matrix development and cell proliferation occur especially late in the cerebellum. For the most part the results agree with findings by K A H L E ( 1 9 5 1 ) concerning the human brain. . The telencephalon is an exception and shows a developmental retardation, while a regular development is observed in Scyliorhinus. 3. The hypothalamus overlaps the other regions of the diencephalon. The ventral thalamus is small, a dorsal thalamus is not observed. The pretectal region is remarkably differentiated and contains a rich set of nuclei. 4. The epithalamus is asymmetrical; a phenomenon that occurs after hatch. The left habenula is distinctly larger than the right-one.

1

Die vorliegende Arbeit entstand unter der Leitung von Herrn P. D. Dr. D. G. SENN, für dessen fruchtbare Anregungen und Hilfe ich herzlich danke. Herrn Prof. Dr. W . S T I N G E L I N bin ich für sein stetes Interesse an diesem Thema dankbar. Für die Materialbeschaffung bin ich dem Laboratoire Arago in Banyuls sur Mer und der Stazzione Zoologica in Neapel besonders aber den beiden Herren Dr. J . M A R T Y und Dr. D. F R O S C H zu großem Dank verpflichtet.

Einleitung In mancher Hinsicht bilden die Selachier innerhalb der Fische eine aberrante Gruppe. So erweisen sich das Skelett und die Körperdecke z. B. mit ihrer Beschuppung als eigenartig. Gestalt und Beschalungen der Eier mancher Haie und Rochen stehen im Tierreich einzigartig da. Der Bau des Zentralnerven-

314

Farner, H . - P .

systems, insbesondere seine Cytoarchitektonik und teilweise die Faserarchitektonik weichen von derjenigen der übrigen Fische ab. Grundlegende Untersuchungen von B U R C K H A R D T ( 1 9 0 7 , 1 9 1 1 ) , von K U P F F E R ( 1 9 0 6 ) , ARIENS K A P P E R S , H U B E R & CROSBY ( 1 9 6 0 ) , K U H L E N B E C K ( 1 9 6 9 — 1 9 7 5 ) wurden an adulten Selachiern durchgeführt. Untersuchungen an Embryonen geben in einzelnen Entwicklungsstadien die Genese von Hirnstrukturen, insbesondere von Schichtungen, Nuclei und Faserzügen deutlich wieder. Ein Teil der vorliegenden Arbeit ist der Aufklärung von Cyto- und Faserarchitektonik, i.b. den Proliferations-, Migrationsund Differenzierungsvorgängen im frühembryonalen Neurairohr gewidmet. In einem weiteren Abschnitt werden Schichtungen und Arealbildungen im Zwischenhirn dargestellt. Eine folgende Publikation befaßt sich mit der Genese und Schichtung des Tectum opticum.

Material und Methoden

1. Aufzucht der Embryonen F ü r die Untersuchungen an Scyliorhinus canicula Embryonen sind Wasser-, Temperatur- und Lichtverhältnisse, aufgrund ihres Verbreitungsgebietes abzuschätzen und zu imitieren, um eine Datierung der E m b r y o n e n zu ermöglichen. Als optimal erwiesen sich folgende W e r t e : die Salzkonzentration wurde auf eine Dichte von 1,026 eingestellt, die Wassertemperatur betrug während der ganzen Entwicklungszeit 15,5 ± 0 , 5 Grad Celsius, pH 8 bis 8,3. Das Laboratoires Arago in Banyuls Sur Mer lieferte in Abständen von ein bis zwei Wochen im Bassin abgelegte Eier, insgesamt 52 Stück, 48 E i e r lieferte die Stazzione Zoologica in Neapel. I n einem Aquarium von 150 Liter Inhalt wurden diese an einem Glasgestell so aufgehängt, daß jedes E i mittels Koordinaten bestimmt war. Keine Beachtung erhielt die Lage der E i e r ; d. h. die präsumtive Schlüpföffnung zeigte nach oben oder zum Boden.

2. Datierung der Embryonen Größere Schwierigkeiten bietet das Datieren der Embryonen, da der Ablagetag nicht als Entwicklungsanfang genommen werden kann. Stadienbeschreibungen

wurden

von

BALFOUR

u n d SCAMMON ( 1 9 1 1 ) g e m a c h t . BALFOUR b e s c h r e i b t

(1878) Pristi-

urus, Torpedo und Scyliorhinus canicula in einigen Entwicklungsstufen. Sehr e x a k t beschreibt SCAMMON die Entwicklung von Squalus acanthias. WENDLING (1975) gibt neben Angaben über Lebendbeobachtungen eine Einteilung der E m b r y o n a l z e i t in drei

Phasen.

ALLUCHON-GERARD

(1971)

bezieht bei der Feststellung des Entwicklungsstandes die gesamte Körperlänge mit ein. F ü r die vorliegende Arbeit wurden die E m b r y o n e n in der

Eihülle im Durchlicht beobachtet, mit WENDLING- und ScAMMON-Angaben verglichen, im gewünschten Stadium photographiert und fixiert in A F E ( A F E = 90 ml Alkohol 8 0 % , 5 ml F o r m o l 4 0 % , 5 ml Eisessig). Die Embryonen wurden fortlaufend numeriert, wobei die Embryonen mit den Nummern 1 — 42 der Eihülle entnommen wurden. Die Neonati tragen die Zahlen 43 — 52. Die Entwicklungszeit der Embryonen betrug im Schnitt 157 Tage. Die fixierten Embryonen wurden in Paraplast eingebettet, in Schnittserien verschiedener Schnittrichtungen verarbeitet und mit der Neurofibrillendarstellung nach Bodian mit Albumosesilber und anschließend mit Kresylviolett (SENN 1 9 6 6 ) g e f ä r b t .

Überblick über die Entwicklung des Gehirns Die Ontogenie der Elasmobranchier wurde von (1878) beschrieben. Die Untersuchungen erfolgten vorwiegend an Selachii (Pristiurus, Scyliorhinus u. a.). Eingehendere embryologische Betrachtungen des Zentralnervensystems der Selachii publizierte von K U P F F E R (1906). Er bezog sich in erster Linie auf Haie und Torpedo, anhand derer er die auf C. E. v. B A E R zurückgehende Segmentierung des embryonalen Gehirns darstellte, wofür allerdings in den vorliegenden Schnittserien Anhaltspunkte fehlen. Im Embryo 1 (Eml) sind die Augenkapseln kugelig gebildet, die Ohrplakoden deutlich verdickt und die Spinalganglien erkennbar. In Em3 treten die Linsenplakoden hervor. Die Wandungen des sich formierenden Zentralnervensystems sind in Eml bis Em4 rein zellulär; Faserlaminae fehlen noch durchweg. Die Zellkörper unterscheiden sich noch wenig. In Em5 senken sich die Riechplakoden ein, und erste periphere Faserschichten treten auf. Oculomotorische Axone bilden erste Faserbündel. Gleichzeitig differenziert sich ein Ependym aus, ohne die Anzahl der Mitosezellen merklich zu verkleinern. In Em 9 — 12Evagination des noch unpaaren Endhirns und Anlage der Bulbi olfactorii sowie der Habenulae. Eine deutliche Gliederung im Hirndach zwischen Tectum opticum und Cerebellum zeichnet sich ab. Im Übergangsbereich von Medulla oblongata und spinalis treten in Em3 die prominenten „Dorsalzellen" auf. J O H N B E A R D (1892, 1896) beschreibt dieselben Neurone von Raja batis als transitorische zentrale Ganglienzellen. Bei Scyliorhinus weisen sie stark myelinisierte Axone, die zu den Myomeren führen, auf. Sie entwickeln sich in der Mediane zu Doppelreihen bis Eml8, wo sie die größte Dichte erreichen. Synchron mit der Wirbelbildung, ab Em20, beginnt die Reduktion. Die Dorsalzellen bleiben in lückenhafter Doppelreihe bis zum Schlüpfstadium erhalten, werden jedoch in der Juvenilzeit vollständig reduziert; • so daß bei Adulttieren von 45 cm und 60 cm Körperlänge keinerlei Rudimente auszumachen sind. Auch die zugehörigen Fasern wurden durch BALFOUR

Embryonalentwicklung des Gehirns von Sc-yliorhinus C. I.

315

Tabelle 1. Übersicht über die verwendeten Tiere und deren Verarbeitung in Schnittserien. KörperLänge Kopf Schwanz in mm

Länge Rostrum-Dottergefäße in mm

Augenabstand über Corneae in mm

Schnitt-• Schnitt- Färbung Außenkiemen- und Dicke Richder frühembryonale in fi tung Schnitte Kiemenentwicklung

1

5,8

1,7

0,68

10

Tq

A/K

Kiemenbogen vorhanden keine Außenkiemen

2

7,0

1,85

0,72

10

sag

A/K

5 Kiemenspalten ausgebildet Spiraculum verschlossen

3

6,8

2,2

0,80

10

Tq

A/K

wie Nr. 2

4

7,9

3,2

1,20

10

hör

A/K

Kiemenbogen eng aneinander liegend Spiraculum noch nicht durchgebrochen

5

16,2

4,1

1,40

10

Tq

A/K

Kiemenfäden als Knospen vorhanden, 2 — 4 an den Bogen 3 — 5

dorsal und ventral erste Zellagen

6

16,8

4,6

1,50

15

Tq

A/K

An Kiemenbogen 1 — 3 kurze Fäden sichtbar, 1 Faden am Spiraculum als Knospe

Anlagen von Ventralis und Pektoralis als Knospen

7

18,0

4,8

1,68

15

Tq

A/K

Kiemenbogen verstärkt

Flossensaum abgehoben, Pektoralis und Ventralis 1 mm lang, Dorsalis I als Knospe

8

19,2

5,1

1,72

15

Tq

A/K

Kiemenfäden verlängert, Ansätze sind von den Kiemenbogen überdeckt

9

21,5

5,65

2,08

15

Tq

A/K

2 Kiemenfäden vom Spiraculum ausgehend

10

21,0

8,83

2,12

15

Tq

A/K

Kiemenfäden in allen Spalten dicht, Länge caudalwärts abnehmend

11

22,0

5,52

3,80

15

T

q

A/K

Kiemenfäden so dicht, daß Spalten ausgefüllt, Länge ca. 1 / i Spaltenlänge Spiraculumfäden kürzer

Flossensaum ca. 0,4 mm breit, bei Analis und Dorsalis unterbrochen Pectoralis weit ausgewachsen

12

32

6,65

4,10

15

Tq

A/K

Länge der Kiemenfäden ca. Kopfbreite 4 kürzere Fäden aus dem Spiraculum

Flossensaum ca. 0,6 mm breit, Flossen deutlich vom Saum abgesetzt

13

32,5

7,5

4,32

15

Tq

A/K

14

33,6

7,25

4,76

15

sag

A/K

15

33,1

7,3

4,92

15

hör

A/K

16

34,5

7,64

5,50

15

Tq

A/K

17

36,0

8,33

5,50

15

Tq

A/K

EmbryoNummer

Flossen- und Flossensaumentwicklung

—

—

—

Flossensaum durchgehend, Dorsalis I I als Knospe

Flossensaum 0,8 mm breit

Kiemenfadenlänge variabel maximal der Kiemenkorbbreite entsprechend

Starke Verbreiterung des Flossensaum 0,9 mm Kiemenkorbes Fäden breit Kontur leicht wellig nur halbe Querschnittbreite ausmachend

316

Farner, H.-P.

Tab. 1 (Fortsetzung) Embryo- KörperNummer länge Kopf Schwanz in mm

Länge RostrumDottergefäße in mm

Augenabstand über Corneae in mm

Schnitt- Schnitt- Färbung Außenkiemen- und Richder Dicke frühembryonale in ¡1 tung Schnitte Kiemenentwicklung

18

38,5

9,2

6,25

15

Tq

A/K

Reduktion der Kiemenfäden von rostral nach caudal fortschreitend

19

38,5

9,6

6,25

15

Tq

A/K

Fäden des Spiraculums noch als Stummel vorhanden

20 21

39,0

9,6

6,66

15

Tq

A/K

41,5

9,8

6,68

15

Tq

A/K

22

43,3

9,5

6,68

15

Tq

A/K

23

47,6

9,5

7,0

15

Tq

A/K

24

49,4

10,9

7,45

15

sag.

A/K

25

56,3

12,8

1; 48

15

hör.

A/K

Kiemenfäden des Spiraculums vollständig reduziert

26

64,5

13,5

8,0

15

Tq

A/K

Fädenabbau von rostral nach caudal fortschreitend, in Spalte 1 noch Stummel vorhanden

27

64

14

8,1

15

Tq

A/K

Kiemenfäden in Spalte 1 und 2 vollständig reduziert

28

64

14,2

8,33

15

Tq

A/K

29

69

14,5

8,33

70

14,8

8,45

15 15

Tq Tq

A/K

30

31

74

15

8,15

15

hör

A/K

32 33 34 35 36 37 38 39 40 42 43 45 49 51 100 110

75 74,5 77 79 81 83 76 76 79 81 82 85 90

15 15,5 15,3 15,8 16,1 16,5 16 16,6 17,3 17,2 17 16,5 17,5

8,66 8,67 8,75 8,82 8,83 8,83 8,38 9,0 8,84 8,5 8,6 8,4 9,18

15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15

Tq sag. Tq Tq q q q q q sag q q

A/K A/K A/K A/K A/K A/K A/K A/K A/K A/K A/K A/K

q q

A/K L/K

450

15 15

A/K

Flossen- und Flossensaumentwicklung

Dorsales und Analis überragen den Flossensaum

weiterer Abbau der Kiemenfäden Kiemenfäden auf Spaltenlänge abgebaut

Abbau des Flossensaumes je am caudalen Flossenende beginnend Caudalis nach dorsal aufgewölbt

Reduktion des Flossensaumes von Flossen aus caudalwärts fortschreitend

Dorsales haben die 6fache Breite des Flossensaumes Reste der Kiemenfäden Flossensaum im Caudanoch in Spalte 5 sichtbar lisbereich schmal vorhanden Kiemenfäden völlig redu - Flossensaum vollständig ziert reduziert

Neonatus Neonatus Neonatus Neonatus Adultus Adultus Tq q

= Tectum quer = quer

sag. = sagittal

hör. = horizontal A/K = Albumosesilber Kresylviolett L/K = Luxol/Kresylviolett

Embryonalentwicklung des Gehirns von Scyliorhinus

feinere Axone ersetzt, wobei ab Em 10 die endgültigen Faserstränge sichtbar werden. Die frühe, mit ca. 6 mm Körperlänge einsetzende Schlängelbewegung der Embryonen, welche die episodisch auftretenden Zuckbewegungen des Rupfes ablöst, erlaubt die Vermutung, daß die Dorsalzellen steuernd in den Bewegungsablauf eingreifen. Eine Massenzunahme der Bulbi olfactorii, das Wachstum des Nervus trochlearis, die Bildung der cerebellären Aurikel sowie eine deutliche Trennung zwischen Tectum opticum und Cerebellum setzen ab E m l 6 ein. Ab Em27 sind Fasern des Nervus abducens myelinisiert. Mit dem raschen Vorwachsen der Hemisphären, dem Strecken der Scheitelbeuge und der Differenzierung des Infundibulums erreicht das Gehirn mit dem Schlüpfstadium die endgültige Form. Besondere Aufmerksamkeit sei den verschiedenen Hirnbeugen gewidmet, weil sich mit ihrer Berücksichtigung einige in scheinbar aberranter Lage sich bildende Nuclei besser verstehen lassen. In Em3 ist eine eindeutige Scheitelbeuge vorhanden, die sich bis Em9 derart erweitert, daß sie dorsal der Plica ventralis erhalten bleibt, aber kaudal im Bereich des Cerebellum durch eine zweite ergänzt wird. Im selben Stadium zeichnet sich eine Brückenbeuge ab; wobei die Nackenbeuge, die frühembryonal prominent sein sollte, erst mit Em22 auftritt und bis zum Schlüpfling bleibt. Durch eine Beuge besonderer Art zeichnet sich die Zwischenhirnregion ab Em5 aus. Diese, als prosencephale Beuge bezeichnet, in Abb. 1 mit p. B. eingezeichnet, bildet bis Em33 einen spitzen Winkel. Durch die Evagination der Hemisphären wird diese Beuge nur geringfügig verändert, was ein starkes dorsales Ansteigen des Tegmentum impliziert. Dadurch ist der Nucleus interstitialis des Fasciculus longitudinalis medialis bezüglich der angrenzenden Kernareale dorsal verschoben. Die prätektale Region scheint ins mesencephale Tegmentum überzugreifen, und das Chiasma des Tractus opticus liegt weit kaudal. Auf Grund der prosencephalen Beuge wirkt das Zwischenhirn gedrungen, was wiederum einen Hinweis gibt, weshalb sich das Subcommissuralorgan, im Recessus des dritten Ventrikels fortsetzend, nach dorso-rostral um die Commissura posterior legt.

C. I.

317

Entwicklungen im Zwischenhirn und Ausblick auf andere Hirnregionen 1. Die

Matrixbildung

Aus dem Neuralepithel bildet sich die Matrix (Keimschicht) als eine dichtgepackte Schicht indifferenter Zellen. Die Zellfortsätze reichen bei den peripher liegenden Zellen sehr junger Embryonen bis zum Ventrikel, wo sie mit der Ventrikelrandzone Kontakt nehmen. Periventrikuläre Zellen bleiben teilweise bis Em20 mit der Peripherie in Verbindung und bilden als Spongioblasten das Stützgewebe. Die Wandung des frühembryonalen Gehirns besteht bis Em3 aus einem stets mächtiger werdenden Stratum matricis und dem noch hauchdünnen Stratum zonale (Abb. 3). Die größte Mitoseaktivität bleibt auf die ventrikelnahen Zellagen beschränkt. 2, Migrationen, Zelldifferenzierung bildung

und Schicht-

Die Gliederung des Gehirns in konzentrische Schichten ist einerseits vom Gehirnteil, andererseits vom ontogenetischen Entwicklungsstatus abhängig. KAHLE (1951) unterscheidet in Anlehnung an HIS drei verschiedene Zonen: 1. die periventrikuläre Matrix, 2. eine Differenzierungszone und 3. den zettarmen Randschleier. Die Zonen eins und zwei, liegen innerhalb der subzentralen Grenze und bilden zusammen das Stratum matricis, wobei die Differenzierungszone transitorischen Charakter aufweist. Im englischen Sprachgebrauch wird die Matrix (KUHLENBECK 1970) mit „ependymal layer" bezeichnet. Hierbei darf nicht übersehen werden, daß die Ependymzellen aus dem Stratum matricis hervorgehen und strukturell wie funktionell nicht mit der Keimschicht gleichzusetzen sind. Die Zone 3 ist dem Stratum zonale gleichzusetzen, das in einzelnen Hirngebieten die Mehrzahl der Neurone beinhaltet. Der Migrationsbegriff kann verschieden interpretiert werden. Um allen Hirnteilen zu genügen, werden für die vorliegende Untersuchung zwei Migrationsmodi unterschieden. Wandern die Zellen innerhalb des Stratum matricis, d. h. wird die embryonal dichte Keimschicht aufgelockert, so handelt es sich um eine interne Migration; wird hingegen von Zellen die subzentrale Grenze passiert, liegt der externe Modus vor. Oft werden beide Modi parallel vorkommen, so daß eine Unterteilung vorteilhaft scheint.

318

Farner, H.-P.

Abb. 1 a Abb. 1. Embryonale Hirnentwicklung bis zum Schlüpfstadium, die Zahlen beziehen sich auf Embryonummern der Tabelle 1. Die äußeren Linien geben die Kopfumrisse wieder. 1 —45 a Lateralprojektionen von Gehirn und Nn. optici, 45b Lateralprojektion der Hirnkonturen und der Hirnnerven. (Schnittrichtung parallel zum Blattrand.)

E m b r y o n a l e n t w i c k l u n g des Gehirns v o n Scyliorhinus

Abb. 1 b

C. I.

319

320

Farner, H.-P.

Abb. 2. Embryonen, deren Querschnittserien f ü r die Latcralprojektionen von Abb. 1 dienten. 1 — 33 Embryonen dem Ei entnommen, 'i5 Neonatus.

Embryo

1—3

Das Neurairohr der Stadien 1—3 zeigt eine kontinuierliche Zunahme der Zeilenzahl. In ventrikelnahen Zellen sind häufig Mitosen zu beobachten, so daß die peripheren Zellen älter sind. Die radiale Anordnung der Zellkerne wird in E m 3 manifest, sie weist auf eine peripherwärts gerichtete Proliferation hin. Ein rostro-kaudaler Vergleich zeigt lediglich Unterschiede in der Wandstärke; eine Faserzone ist kaum noch auszumachen. (Abb. 3A, B).

Embryo 4—9 An erster Stelle steht innerhalb dieses Entwicklungsschrittes noch die Zellvermehrung, die mit einer Größenabnahme der Zellen einhergeht. In E m 5 wird eine Stratum zonale in allen Hirnteilen evident. Die Mächtigkeit entspricht im Schnitt etwa dem Durchmesser eines Zellkernes. Am Rand der Matrix stehen erste Zellen im Differenzierungsstadium (Abb. 3, E, F). Die Spindelform wird mehr und mehr zur Kugelform umgestaltet. Retardiert erweisen sich die Zustände im Telencephalon und in den Medullae oblongata und spinalis. Bis Em9 treten kugelige Zellen im Telencephalon auf. Im Thalamus ventralis lockern sich die marginalen Matrixzellen auf, während im Hypothalamus die Kompaktheit bestehen bleibt. Im Tegmentum und im ventralen Bereich der Medulla oblongata zeich-

E m b r y o n a l e n t w i c k l u n g des Gehirns von Scyliorhinus

Str.

321

mat.

Ventr.

—

Hern.

bl.

Str.

C. I.

mat.-

Hern.

bl. -

Epph.

—

Ventr. — mig.

Ze.

Abb. 3. Matrixbiklung verschiedener H i r n a b s c h n i t t e . Quers c h n i t t e : A, B vom E m l ; C, 1) von E m 3 ; E, E von E m ö ; A, C Prosencephalon; F Diencephalon, S t r a t u m zonale im Ansatz. (Maßeinheit = 100 (x.)

nen sich erste Wanderungen ab. Auch in den Ventralzonen des Rückenmarks lockert sich das Zellgefüge, während nach dorsal ein deutlicher Rückstand auszumachen ist (Abb. 'I E).

Embryo 10—12 Mit Em 12 setzt eine paarige Entwicklung des Telencephalons ein. Die Strukturen des Epithalamus manifestieren sich in den Habenulae und in der ComHirnforschung. Bd. ly, Heft 4

missura habenularis. Das Stratum matricis des Endhirns ist deutlich zweischichtig. Der periventrikulären in radialen Reihen aufgebauten Zone, liegt eine gleich mächtige Differenzierungszone rundlicher Zellen auf. Externe Migration setzt im Praetectum mit vereinzelten Neuronen ein. Ein enormes Faserwachstum innerhalb des Stratum 1 matricis ermöglicht die Auflockerung der sich differenzierenden Zellen. Im Bereich der Massa cellularis reuniens bleibt das Stratum zonale schwach. Die marginale Faserschicht verbreitet sich im ventralen Thalamus und wird in Em 11 mit wenigen Zellen besiedelt. Der Hypothalamus beginnt im Prae- und Supraopticusbereich die Neurone in Schichten zu formieren und so die Matrix zu lockern. Das Tegmentum bildet eine deutliche 23

322

Farner, H.-P.

Epph.Ventr. Ventr.

diff.

Ze.

diff.

Ze.

sub.

Gr.

Praet.

Hypoth. Do.

Linse.

Ze.

Augb. Augb.

St. Mit. Ze.

Do.

Ze.

do. Ho-

ve.

Ho.

E

Str.

mat.

sub.

Gr.

Str.

zon.

Ventr. Com.

hab.

Ha b.

Fase.

re.

Prol. diff.

Zo.

Abb. 4. Schichtbildungen und Aufgliederung des Stratum matricis in eine Proliferationszone (Prol. Zo.) und eine Differenzierungszone (diff. Zo.). Querschnitte: A — D von Em9, E —G von E m i l ; A Prosencephalon, B Praetectum, C Augenbecher und Hypothalamus, D, E Medulla spinalis, F Praetectum, G Di-Telencephalon. (Maßeinheit = 100 (¿.)

Embryonalentwicklung des Gehirns von Scyliorhinus C. I.

Schicht tangentialer Fasern, die von einzelnen Zellen durchdrungen wird, wogegen sich das Cerebellum in der Proliferationsphase befindet. Kernareale der Medulla oblongta formieren sich, ohne extern zu migrieren, was auch für das Rückenmark zutrifft, wo dorsales und ventrales Horn evident werden.

Embryo

13—16

E m l 3 zeigt Ansätze des Matrixaufbrauches. Die lockere Zone der Zelldifferenzierung ist durchwegs mächtiger, sogar die verzögerten Areale des Cerebellums weisen einen Rückgang der Mitosezellen auf. In eine erneute Proliferationsphase treten in Eml6 die in Em 15 erstmals getrennten E n d h i r n h ä l f t e n . Einer dichten Schicht spindelförmiger Matrixzellen folgt eine nur wenig gelockerte Schicht rundlicher Zellen, so daß das Stratum zonale über längere Zeit konstant blieb. Prätektale Zellen wandern aus und beginnen sich, in Reihen angelegt, zu formieren. Gleichzeitig wird die Lamination des periventrikulären Systems in ventro-dorsaler Richtung verstärkt. Eine Lockerung der Cerebellummatrix wird von kaudal nach rostral evident. Die Entstehung motorischer Kernareale in der Medulla oblongata drängt die periventrikulären Schichten peripherwärts, ohne daß wesentliche Migrationen in die tangentialen Fasergebiete erfolgen. Hier verlaufen die weiteren Entwicklungen derart verschieden, daß nur eine weitere Untersuchung gesicherte Vergleiche erlaubt (Abb. 5B).

Embryo

17—21

Eine starke Expansion des Gehirns, bedingt durch massive Faserzunahmen zeichnet diese Phase aus. Die Zellkerngröße hat sich auf rund einen Drittel der Größe der Matrixkerne reduziert. Im Telencephalon beginnt von ventral nach dorsal die Erschöpfung der Proliferationszone sich abzuzeichnen. Erste ventrikelnahe Zellen differenzieren sich in Ependymzellen. Die dorsalen Regionen aller Hirnteile sind retardiert. Dies gilt besonders für den Dorsalteil des Bulbus olfactorius und das Cerebellum, wo sich eine dichte Proliferationszone länglicher Zellen findet. Der Epithalamus expandiert nach dorso-rostral, wobei die Commissura habenularis sich ebenfalls erweitert. Der medioventrale Teil weist in Em21 eine dichtere Zone teilungsfähiger Zellen auf. Noch wenig differenziert nehmen sich die Neurone des Nucleus geniculatus lateralis aus.

Embryo

323

22-28

Ausgedehnte Zellwanderungen im Endhirn führen einerseits zur einsetzenden Erschöpfung der Keimschicht und andererseits zu kortikoiden Zellanordnungen im ventralen" und,' vermindert, im dorsomedialen Telencephalon. Die "ventralen Strukturen werden von ARIENS KAPPERS (1960) als Area superficialis basalis bezeichnet. In Em28 ist die Proliferationszone erschöpft, nur vereinzelte Mitosen sind noch vorzufinden. Die Differenzierung des Ependyms und eine Vermehrung der Fasermassen setzen ein. Im Zwischen- und Mittelhirn ist die Hauptproliferationsphase abgeschlossen, obgleich vereinzelte Zellen noch in Teilung sind, da solche auch im neonaten Tier vorkommen, Die Migrationen in zentrale Schichten werden im Thalamus evident, ohne daß die Zellgruppierungen in jedem Fall eindeutig als bestimmte Kerngebiete eingereiht werden könnten. Die erheblichen Wanderungen im Cerebellum ergeben in Em28 eine klare Schichtung. Die paarigen Eminentiae dorsalis und ventralis bilden das Stratum granulosum cerebelli. Hier finden sich noch zahlreiche Mitosezellen. Lateral schließt die noch nicht differenzierte Purkinje-Zellschicht an. Das Stratum moleculare befindet sich in starkem Wachstum. Der zelluläre Teil der Aurikel wölbt sich rostalwärts. Ebenso dicht liegen die Körnerzellen im kaudaleren Teil, wo sich die beiden Blätter bilden, die durch eine Aderhaut überspannt werden. Diese reicht als häutiger Aurikel kaudalwärts über das Corpus cerebelli hinaus und geht in den Plexus chorioideus rhombencephali über. Im Rhombencephalon werden bis Em28 ein Großteil der Motoneurone differenziert. Eindeutiger als im Rückenmark erscheint die Erschöpfung der Proliferationszone im Rhombencephalon.

Em 30—43

(Schlüpfling)

Die pränatale Embryonalzeit ist durch ein vermehrtes Faserwachstum, sowie durch Zelldifferenzierungen und Verkleinerung der Perikaryen in allen Gebieten gekennzeichnet. Damit geht in verschiedenen Hirnteilen eine Stratifikation einher. Das periventrikuläre Fasersystem des thalamischen und tegmentalen Bereiches erfährt eine starke Erweiterung. Im präoptischen Hypothalamus geht die klare Mehrschichtigkeit im Wechsel von Stratum album und Stratum griseum periventriculare rostralwärts zugunsten einer diffusen Zellanordnung verloren. Allerdings bildet sich dorsal des VHB eine dichte Zellreihe, die offensichtlich durch das Vorderhirnbündel aufgehalten wird (Abb. 7A). 23*

324

Farner, H.-P.

Ventr. Mit.

Ze.

Prol.

Zo.

di f f

Zo.

mot.

A Epph. Tr.

F.

Ne. l.m.

sub.

Gr.

co-hab-

Hab. Z 6

Ventr.

sub.

Pl.

chor.

Bui.

olf.

plic.

Hypoth.

bas.

Purkz. Str

Pars

olf.

Fil. A.

Gr.

Em.d.str

gr.

Em.v. str.

¿r.

gr

Aur.

N. IV

Ventr

Nue.

Abb. 5. Differenzierungen und Kernbildungen. Querschnitte: A, B von E m l 6 , C von E m l 8 , D von Em20, E von Em23, F, G von Em28; A basale Hemisphärenregion, B Medulla oblongata, C Habenula, D Hypothalamus-Praetectum, E Hemisphäre mit Bulbus olf., F Cerebellum-Tectum opticum, G Cerebellum und cerebellare Aurikel. (Maßeinheit = 100 (i.)

Das Ependym ist beim Neonatus im wesentlichen ausdifferenziert und besteht in der Regel aus kubischen, meist in einer Schicht vorkommenden Zellen. Basale Zonen weisen in nicht durchgehender Linie

mes.

V

ein flaschenförmiges, oft zweischichtiges Ependym auf. In Abweichung zum allgemeinen Matrixaufbrauch zeichnen sich die medianen Areale der Emincn-

Abb. 6. Lateralprojektion des Diencephalons des Neonatus (Em45) A. Dorsoventrale Gliederung des Zwischenhirns. B. Darstellung der Nuclei. Pars ext. und Pars plic. sind Pars extensa und Pars plicata des Nucleus lentiformis praetectalis. Vom Ventrikel peripheriewärts folgt perivcntriculär die Pars plicata, darüber die Pars extensa und peripher der Nuc. gen. praet.

Embryonalentwicklung des Gehirns von Scyliorhinus

C om. pos t. Com.pal.post. Com.h ab.

Hyp. Com.ant.

Ch.opt.

Nue. lat. pr. m. Nue. lent. mes. Pars ex t. Nue. gen. praet. Pars plie.

1

B Nue. praeopt. Nue. ve. hypoth. Abb. 6

Nue. par av. Nue. lat. hypoth.

mm

C. I.

325

326

Farner, H.-P.

tia granulosum cerebelli durch eine noch mehrschichtig vorhandene Proliferationszone, mit reichlich Mitosezellen aus.

3. Areale und Nuclei im Zwischenhirn Die di-telencephale Verbindung wird von K U H L E N B E C K (1970) als „forebrain stalk" bezeichnet. Tatsächlich ist, wie so oft bei der Festlegung von Grenzen, zwischen dem Hypothalamus und dem Endhirn nur ein fließender Übergang auszumachen. Die Area superficialis basalis erstreckt sich weit nach caudal und leitet, die VHB dorsal umfassend, in den zellulären Teil des Hypothalamus über (Abb. 7A). Im diencephalen Bereich überwiegen der mächtig ausgebildete Hypothalamus und der Epithalamus mit dem rostral anschließenden Praetectum. Sehr klein und in wenigen Schnitten ersichtlich ist der .Thalamus ventralis. Nicht vorhanden ist das Areal eines Thalamus dorsalis. Alle Abgrenzungen werden auf Grund von Zelldifferenzierungen und -migrationen bestimmt. Die in frühen Embryonen klar ausgeprägten Längsfurchen werden bis zum Schlüpfen fast gänzlich eliminiert. Der Sulcus diencephalicus ventralis bleibt erhalten und wird — vermutlich durch die Fixation — beim Adultus noch ausgeprägter. Erhalten bleibt der Sulcus lateralis infundibuli, der distal in eine bilaterale Ventrikelerweiterung mündet. A)

Hypothalamus

Der Hypothalamus baut sich periventrikulär aus großen zusammenhängenden Zellarealen auf. Die angrenzende periphere Schicht führt gut entwickelte Faserzüge, die von wenigen Zellen durchsetzt sind. Die Überleitung zum Telencephalon manifestiert sich in einer Überlappung von der ventrolateral gelegenen Area superficialis basalis kaudal über den Rostraipol des Nucleus praeopticus. Medio-ventral verlaufen in dieser Ebene die sehr sporadisch auftretenden kaudalen Fasern der Commissura anterior. Auch sind hier die Vorderhirnbündel bereits reichlich mit Zellen durchsetzt, eine Auffächerung derselben zeichnet sich ab. Nucleus praeopticus und Nucleus

paraventricularis

Die beiden Nuclei praeopticus und paraventricularis bilden ein mehr oder weniger kontinuierliches Zellband. Die rostrokaudale Ausdehnung erstreckt sich etwa über dreiviertel des Hypothalamus. Eine Unterbrechung in der Schichtstruktur läßt sich im supraoptischen Gebiet, über dem Chiasma opticum,

erkennen; wo die Stratifikation einer diffuseren Cytoarchitektonik weicht. Gleichwohl ist keine Grenzlinie oder Zone zu finden, die die beiden Kerne deutlich trennt. Median des gesamten Zellbandes, dem Ependym aufliegend, befindet sich die innere Schicht des periventrikulären Fasersystems, zur Zone 2 gehörend. Der Nucleus praeopticus setzt rostral über dem letzten Drittel der Commissura anterior mit einem medioventralen Zellband an. Kaudalwärts erstreckt sich der Kern nach dorsal, verliert seine Reihenanordnung der Zellen und nimmt Kontakt mit den Fasern des VHB auf. Die Zellen sind vorwiegend rundlich, werden jedoch in dieser Zone durch spindelförmige ergänzt. Die spindelförmigen Perikaryen bilden etwa einen Viertel der Gesamtzahl dieser Region. Alle liegen in radialer Anordnung mit medianen Fortsätzen. Die lateralen Fortsätze biegen kurz nach dem Abgang vom Perikaryen in die Tangentiale um. Das Vorderhirnbündel stellt über den Nucleus praeopticus eine primäre, direkte Verbindung mit dem Telencephalon her. Wohl lassen sich noch ganze Faserbündel bis in den Nucleus paraventricularis verfolgen, doch bleibt der Hauptteil präoptisch. Sekundäre Verbindungen beider Kerngebiete sind über das periventrikuläre Fasersystem einerseits und über die peripheren Züge andererseits anzunehmen. Der Nucleus paraventricularis formiert über dem kaudalen Chiasmaniveau in Reihen angeordnete Zellagen, deren dorso-ventrale Ausdehnung sich distalwärts verringert. Gleichzeitig verdichtet sich die mediane Lage der Zone 3 im Bereich des Sulcus lateralis infundibuli. Die medio-ventrale Zellbrücke, die die linke mit der rechten Seite verbindet, wird ebenfalls kompakter. Bereits im postoptischen Bereich, noch vor Auftreten der seitlichen Trichterfurche werden im Stratum album periventriculare, stark myelinisierte Fasern evident. Diese lassen sich, vom Ventrikel durch das Ependym ziehend, dessen Zellen länglich flaschenförmig werden, bis in die Zone 3 verfolgen. Distal verdichtet sich das Ependym; eine einschichtige mächtige Zellage schiebt sich von dorsal in die Zone 2; diese Zellen sind bezüglich Form und Größe den Ependymzellen adäquat. Das Ependym wird mehrschichtig, und die kräftigen Fasern sind dichter. Lateral der Verdichtungszone bilden sie ein Neuropil. Der Zusammenhang dieser Fasern mit der Neurosekretion ist kaum zu bezweifeln; insbesondere liegen hier die Blutkapillaren dichter als in den angrenzenden Zonen (Abb. 7 E 1, 2). Der mehr lateral gelegene diffuse Teil des Nucleus paraventricularis tritt über tangentiale Fasern der Zone 6 des Praetectums mit diesem in Verbindung. Wobei ein Teil im Vorfeld des Nucleus interstitialis des Fasciculus longitudinalis medial anschließt.

Embryonalentwicklung des Gehirns von Scyliorhinus

C. I.

327

Ree. ve. Ill

Ventr.

Org.

sub.

VHB Fasc.

Hab.

re.

Nuc. 1. p. mes.

Nu c. gen. lat.

Nuc. lent. m.

Np. Thal.

Ventr Ep. Z 3

Fasc.

re.

Pars

plic.

Pars

ext

Nuc.

parav.

Nuc. ve. hyp. Tr. opt.

my. Fa.

E Pars

ext.

Com. p

Thai.

ve.

Org. sub —

Nuc. lat

hyp.

Nuc.gen.pr. Pars

plic

Nuc.

parav-

Abb. 7. Nuclei und Areale im Zwischenhirn. Querschnitte: A —F von Em45 (Neonatus), G von Adultus; A Zellreihen dorsal des VHB, B dorsal umgeklapptes Subcommissuralorgan, C Thalamus ventralis, D Diencephalon-Tectum opticum, E 1 + , Infundibulum mit stark myelinisierten Fasern (my. Fa.), die vom Ependym peripherwärts ziehen, F r o s t r a l e Zwischenhirnregion, G Zwischenhirn des Adultus. (Maßeinheit = 100 fJL.)

Die embryonale Gliederung des periventrikulären Zellbandes setzt mit E m l 6 ein. Die Zellkörper werden stark verkleinert, wandern unter Auflockerung

Nuc. Str alb.

praeopt. peri.

aus und bilden in Em20 Ansätze der Schichtung. Mit Em23 wird das periventrikuläre Fasersystem evident, und die lateralen Zellmassen heben sich deutlich vom Nucleus paraventricularis ab. Eine deutliche, dem Schlüpfstadium sehr nahe kommende Separation von Stratum album und Stratum griseum periventriculare wird mit Em26 erreicht. In diesem Stadium hat der Nucleus praeopticus seine Differenzierungsverzögerung beinahe aufgeholt. Bis Em33 werden die Perikaryen verkleinert, und die in Reihen angeordneten Schichten derart auf-

328

Farner, H.-P.

gelockert, daß bis zum Schlüpfling (Em43) kaum nennenswerte Veränderungen in der Cytoarchitektonik der Nuclei praeopticus und paraventricularis auszumachen sind. Die postembryonale Auflockerung, bedingt durch Faserwachstum ist derart eminent, daß das gesamte Zellband oft als aus einer einzigen Zellreihe bestehend erscheint. Nucleus ventralis hypothalami Der Nucleus ventralis hypothalami liegt vorwiegend im Praeopticusgebiet, ventro-lateral des Nucleus praeopticus. Rostrai läßt er sich nicht eindeutig abgrenzen. Die dorsolateral Zellanordnung hebt sich deutlich ab, wogegen medianwärts ein fließender Übergang in den Nucleus lateralis hypothalami erfolgt. Die Zellen entsprechen denjenigen des Nucleus praeopticus; allerdings neigen viele zu spindelförmigen Habitus. Diese sind radial orientiert (Abb. 6B, 7D). In E m l 2 beginnen Zellen im präoptischen Hypothalamus zu migrieren, die sich in E m l 3 in diffuser Anordnung zeigen und in Em 16 eine erste Zellgruppe des Nucleus ventralis hypothalami bilden. Der Kern istiin Em23 noch kompakt, erreicht bis Em26 eine erhebliche Auflockerung und ist in Em33 bezüglich Größe und Struktur demjenigen des Schlüpflings aequivalent. Nucleus lateralis hypothalami Der Nucleus lateralis hypothalami hebt sich durch erhöhte Zelldichte von den angrenzenden Gebieten ab. Noch stärker als beim Nucleus ventralis neigen die Zellen zur Spindelform und sind teilweise in Reihen angeordnet. Der Kern wird lateral von Zellgebieten des Praetectum überlappt. Rostrai beginnt er auf demselben Niveau wie der Thalamus ventralis; setzt sich dann kaudalwärts fort und leitet dorsal in das Zellgebiet des Nucleus lentiformis praetectalis über, derart, daß keine eindeutige Abgrenzung möglich ist. Im kaudalen Anteil liegen die Zellen lockerer als rostral und neigen zur rundlichen Form, wie sie für die Zellen des Nucleus paraventricularis charakteristisch ist. Der Kern liegt in Zone 5, er wird lateral von Fasern des Tractus opticus überlagert. Auf die äußerste periventrikuläre Zone folgt direkt die superfizielle Schicht. Vorwiegend rostral des Kernareals nehmen Fasern des VHB Kontakt auf. Weitere Fasern ziehen in kleinen Bündeln dorso-medialwärts zum Tegmentum. Frühembryonal wandern Zellen des Nucleus lateralis hypothalami mit Em 13 in die Fasermassen ein und werden in tagentialen Reihen formiert bis Eml6.

In Em30 sind die Reihen völlig aufgelöst, die kleinen Migrationszellen liegen stark gestreut, behalten aber bis Em30 ihre radiale Anordnung bei. Erst mit Em35 setzt eine sekundäre reihenförmige Schichtung ein, die durch das Eindringen von tangentialen Faserzügen eingeleitet wird und bis zum adulten Tier in abgeschwächter Form erhalten bleibt.

B) Thalamus ventralis Nicht eindeutig erkennbar ist der Thalamus ventralis. Rostro-kaudal ist er nur über 16 Schnitte (15 (xm) ausgebildet. Der direkte Anschluß an den Hypothalamus erlaubt embryologisch eine eindeutige Abgrenzung, obgleich eine deutliche Furche im Ependym fehlt. Nach dorsal schließt sich die Habenula an, deren Areale durch eine evidente Migrationsrichtung klar angeordnet werden können. Kaudalwärts leitet der Thalamus ventralis gleitend in das Praetectum über, so daß eine Abgrenzung unmöglich und, wegen der Kleinheit des Gebietes, wenig sinnvoll ist. In charakteristischer Weise liegen die Zellen stark lateral in zentralen Schichten. Das Stratum album periventriculare ist von wenigen Zellen durchsetzt. Der Thalamus ventralis weist generell eine einheitliche Cytoarchitektonik mit mittelgroßen Zellen auf; lediglich die Zellen des Nucleus geniculatus lateralis sind spindelförmig und radial orientiert. Das zugehörige Neuropil liegt lateral nach ventral etwas verschoben (Abb. 7C). Rostrale Fasern des Tractus opticus, die vom Chiasma opticum stark rostrodorsal verlaufen, nehmen hier Kontakt auf. Der Nucleus ist entsprechend dem ventralen Thalamus sehr klein, ebenso ist die Anzahl der optischen Afferenzen sehr gering und verstreut. Eine weitere Unterteilung des Thalamus ventralis in Kernareale würde den Differenzierungsgrad überschreiten. Die Entwicklung des Thalamus ventralis setzt, seiner Größe entsprechend, mit E m l 6 ein. Hier kann eindeutig die zugehörige Matrix ausgemacht werden. In E m l 8 migrieren Zellen, die sich bereits in Em20 differenzieren und dabei vergrößern. Sehr auffällig hat der Thalamus ventralis damit seine Retardation aufgeholt und steht bezüglich Differenzierungsgrad im Diencephalon an erster Stelle. Die periphersten Zellen sind bis in die Faserzüge des Tractus opticus eingewandert. Sie formieren sich bis Em26 zu einer kompakten Zellgruppe, wovon einzelne Zellen sich in Spindelform ausdifferenzieren, wie sie für Zellen des Nucleus geniculatus typisch ist. Das laterale Neuropil des Nucleus geniculatus lateralis ist bereits in Em33 in seiner endgültigen Ausdehnung entwickelt, was auch für den gesamten Thalamus ventralis

Embryonalentwicklung des Gehirns von Scyliorhinus

zutrifft. Post embryonal wird die Verstreuung der Zellen derart getrieben, daß nur mit Mühe Kernareale erkannt werden.

C)

Epithalamus

Der Epithalamus, i. B . das Ganglion habenulare, nimmt einen Großteil des dorso-rostralen Zwischenhirns ein. Die beiden Kerne reichen weit rostralwärts. Das paarige Ganglion wird von A R I E N S K A P P E R S , H U B E R & C R O S B Y ( 1 9 6 0 ) für die Selachii generell als asymmetrisch beschrieben und an Acanthias vulgaris illustriert, wobei sich der linke Kern als prominent erweist. Diese Beobachtung kann an Scyliorhinus canicula bestätigt werden. Eine unterschiedliche Größenentwicklung zeichnet sich in pränatalen Stadien ab und erreicht bis zum Schlüpfen eine kaum auszumachende Differenz. Im Gehirn des Adultus findet man diesbezüglich eindeutige Verhältnisse. Die linke Habenula überragt die rechte weit rostralwärts und übertrifft letztere in der dorsoventralen Ausdehnung. Kaudal leiten beide Ganglien auf demselben Niveau in das Praetectum über. Die Matrix ist bereits im pränatalen Stadium erschöpft, so daß eine bevorzugte Proliferation im linken Ganglion habenulare entfällt. Auch sind die Zelldichten in beiden Teilen beim Neonatus gleich. Die rechte Habenula, die weniger rostralwärts reicht und insgesamt schwächer ist, weist eine bedeutend höhere Zelldichte im Adultus auf. Die kompakte Zellmasse der linken Habenula wird demzufolge während der postnatalen Entwicklung durch ein verbreitetes Faserwachstum aufgelockert. Die durchwegs diffus erscheinende Cytoarchitektonik zeigt lediglich in der Mediane eine reihenförmige Zellverdichtung. Der Fasciculus retroflexus, nach A R I E N S K A P P E R S , H U B E R & C R O S B Y ( 1 9 6 0 ) das bedeutendste efferente System der Habenula, wird von den Autoren auf der linken Seite als mächtiger und mit mehr myelinisierten Fasern versehen, beschrieben. Den diametralen Massen entsprechend, trifft diese Beschreibung für Scyliorhinus canicula ebenso zu wie die Angaben bezüglich der Myelinisation. Die Untersuchungen an den vorliegenden Präparaten ergeben eine geringe Abweichung der Faseranzahl beider Seiten; jedoch benötigen die markhaltigen Fasern wesentlich mehr Raum, was einen kräftigeren Faszikel ergibt. Das Ganglion habenulare wird durch die Kommissuren gleichsam in zwei Anteile zerlegt, ohne daß eine eigentliche Gliederung anhand der Cytoarchitektonik in zwei Areale möglich wird. Die Fasern der Commissura habenularis verlaufen von ventrolateral zum Ganglion. Darüber liegt die Commissura

C. I.

329

pallii posterior, deren Fasern lateral der Habenula nach dorsal umbiegen. Im Übergangsbereich zum Praetectum sind die Zellen aufgelockert. Die Commissura posterior bildet eine dorsale Abgrenzung des Epithalamus. Eigenartig ist das Organon subcommissurale ausgebildet. Es umfaßt die Kommissur von kaudal, indem sich ein Recessus des dritten Ventrikels, Recessus pinealis nach A R I E N S K A P P E R S , H U B E R & C R O S B Y (1960) rostralwärts über diese vorwölbt. Charakteristische Zellen des Subcommissuralorgans kleiden diese Verwölbung aus, so daß das ganze Gebilde einer Oberflächenvergrößerung des Organon gleichkommt (Abb. 7 B ) . Der Größe des Epithalamus entsprechend, sind im Em9 erste Wandverdickungen evident, die sich bis E m i l zum spezifischen Habenulahabitus formen. Auch die bereits myelinisierten Fasern der Commissurae habenularis und posterior sind in diesem Stadium mächtig. Daneben differenzieren sich die Zellen des Organon subcommissurale zwischen E m 9 und 11 aus. Zu einem unmyelinisierten, dem Entwicklungsgrad entsprechend kräftigen Bündel formieren sich die Fasern des Fasciculus retroflexus bis Em 16. In derselben Phase wachsen die pallialen Fasern aus, die sich in der Commissura pallii poste ior kreuzen. Mit E m l 8 ist die bilaterale Ausdehnung annähernd derjenigen des Neonatus; die rostro-kaudalen Ausmaße liegen noch weiter zurück. In der Medianebene findet sich noch eine Proliferationsschicht mit Mitosezellen. Erheblich ist die Massenzunahme, die unter Zellvergrößerung des Subcommissuralorganes und Ausprägung des Fasciculus retroflexus bis Em28 erfolgt; wobei die Stärke der beiden Faserzüge und der Myelinisationsgrad für die linke und rechte Hälfte sich als äquivalent erweisen und dem neonaten Zustand sehr nahe kommen. Die Elongation der linken Habenula sowie die verstärkte Myelinisierung des linken Fasciculus retroflexus erfolgen erst in postnatalen Stadien.

D) Praetedale Region Das Praetectum als Zwischenglied leitet von thalamischen Gebieten in das Tectum opticum über. Seine Hauptgebiete liegen ventral des Tectum und kaudal von Thalamus ventralis und Epithalamus. Entsprechend seiner Lage setzen sich die Schichtungen des Tectum opticum ventralwärts im Praetectum weitgehend kontinuierlich fort. Obgleich einige Zellgruppen sich zu Nuclei formieren und dadurch eher thalamischen Charakteristika aufweisen, erweist sich die generelle Cytoarchitektonik ähnlich derjenigen des Tectums; weshalb für Scyliorhinus canicula der

330

Farner, H.-P.

Begriff Praetectum dem Thalamotectum vorzuziehen ist. Die Nuclei sind nur partiell m a r k a n t und oft andeutungsweise geschichtet, so der Nucleus lentiformis praetectalis, der Nucleus lentiformis mesencephali und der Nucleus geniculatus praetectalis. Die Ausdehnung des Praetectum erweist sich als mächtig (Abb. 6A). Ventral überlappen laterale Gebiete den Nucleus lateralis hypothalami. Kaudalwärts findet sich ein Übergang, sowie eine deutliche Überlagerung des mesencephalen Tegmentums; insbesondere wird der periventrikulär gelegene Nucleus interstitialis des Fasciculus longitudinalis medialis zu dreiviertel lateral überdeckt. Der ventrale Anteil des Nucleus lateralis profundus mesencephali erstreckt sich ventro-lateral über praetectale Zonen. Ventral und kaudal ist das Praetectum abgrenzbar. Rostrai schließt es im Ventralbereich an den Thalamus ventralis, inform einer fließenden Überlappungszone. Im dorsaleren Gebiet kann ein deutlicher Unterschied zu epithalamischen Strukturen festgestellt werden. Die Festlegung einer Grenze zum Tectum opticum, also dorso-rostralwärts scheint bezüglich veränderter Strukturen im Folgegebiet wenig sinnvoll. Wohl kann eine aproximative Zuordnung vorgenommen werden, wenn wir Zonen derselben Schichtbestandteile auf Grund ihrer andersartigen Differenzierungen als Kriterien wählen. Nucleus geniculatus

-praetectalis

Die Umrisse des Nucleus geniculatus praetectalis können nicht durchweg exakt bestimmt werden. Rostrai und dorsal ist die Abgrenzung nur in den lateralen Kernanteilen möglich. Mediale Partien gehen ohne wesentliche Unterschiede in angrenzende Areale über. Dies insbesondere, weil die mediale Zellplatte keine charakteristisch differenzierten Zellen des Nucleus geniculatus aufweist, und die Zellen sehr verstreut liegen. Einerseits besteht sie aus mittelgroßen rundlichen Zellen, andererseits fehlen diesen die eindeutigen medialen und lateralen Zellfortsätze. Ventromedian geht der Nucleus geniculatus praetectalis in den Nucleus lentiformis praetectalis über, wobei ersterer beide Partes des Nucleus lentiformis lateral zu etwa dreiviertel überlappt. Das laterale Neuropil ist gut entwickelt und reicht bis nahe an die Peripherie. Die superfiziellen optischen Fasern ziehen, von ventral kommend, median abbiegend ins Neuropil ein. Im Neuropil eingestreut finden sich spindelförmige Zellen des Nucleus geniculatus. Eine zonale Zuordnung gemäß den Zonen des Tectum opticum ist nicht einwandfrei möglich. Rostrai grenzt der Nucleus lentiformis mesencephali an, wodurch die ventrale Ausdehnung tectaler Zonen unterbrochen wird.

Das Praetectum entwickelt sich weitgehend als kompakte Einheit, so daß Migrationen bis Em24 keine eindeutigen Zellgruppierungen erkennen lassen. In Em26 sind die Zellen des Nucleus geniculatus praetectalis differenziert und zum Neuropil gewandert, das gleichfalls in Em26 evident wird. Bis zum Schlüpfstadium sind Zellen und Neuropil des Kerns noch wenig ausgeprägt; mit Em28 sind Struktur und Organisation des Nucleus abgeschlossen.

Nucleus lentiformis

praetectalis

Der zweiteilige Nucleus lentiformis praetectalis liegt innerhalb des Praetectum. Ventralwärts grenzt er an den Hypothalamus. Lateral wird der teilweise vom Nucleus geniculatus praetectalis überlagert. Der Nucleus lentiformis praetectalis — bei Reptilien als Nucleus lentiformis thalami bezeichnet ( K U H L E N BECK 1931) — besteht aus zwei cytoarchitektonisch verschieden aufgebauten Anteilen. Die Pars plicata liegt medial und weist beim Neonatus eine innere Schichtung in Form von Zellreihen auf. Diese bleibt wenn auch in lockerer Form im Adultus erhalten. Lateral, schwach dorsal ziehend, grenzt im rostralen Bereich die Pars extensa an, deren Zellen unterschiedlich verstreut in einzelnen Gruppen auftreten, wobei diese Gruppenanordnung im adulten Tier durch eine faserbedingte innere Schichtung etwas überdeckt wird. Pars plicata und Pars extensa liegen median der subzentralen Grenze, bilden einen Hauptteil des praetectalen Stratum periventriculare. Die mittelgroßen rundlichen Zellen der Pars plicata bilden gleichsam die dorsale Fortsetzung des Nucleus paraventricularis; wobei die arealmäßige Zuordnung anhand der geringeren Zellgröße und Zelldichte im letzteren eindeutig ist. Dorsal begrenzt der Fasciculus retroflexus die Pars plicata im medianen Teil. Lateralwärts leiten die verstreut liegenden Zellen in die Pars extensa über, wo lediglich noch eine grobe Zuordnung gesichert ist. Die Zellen dieser Pars unterliegen — bezüglich ihrer Größe — denselben Schwankungen wie die in der medianen Kernzone. Allerdings finden sich hier spindelförmige, radial orientierte Neurone, die vereinzelt eingestreut sind. Auch sind sie sichtlich größer. Die radiale Lage deutet auf radial verlaufende Fasern hin, deren Existenz beim Neonatus in geringer Zahl bestätigt, beim Adultus evident ist. Die mäßig myelinisierten Fasern lassen sich von Zellen der Pars plicata bis in zentrale, vereinzelt in superfizielle optische Schichten verfolgen. Inwiefern synaptische Kontakte mit den praetectalen Zellen des Nucleus geniculatus bestehen, kann hier nicht eindeutig festgestellt werden (Abb. 6B, 7D, G).

Embryonalentwicklung des Gehirns von Scyliorhinus

Als deutlichste diencephale Bildung in frühembryonalen Stadien erweist sich die Pars plicata des Nucleus lentiformis praetectalis. In Em9 besteht noch eine einheitlich mächtige Zellplatte mit wenigen Migrationszellen. Ein enormer Zellteilungsschub überhöht im Plicatabereich die Proliferationsschicht derart, daß in E m i l dieselbe etwa doppelt so mächtig und lateral ausgebuchtet ist. Auch finden in den angrenzenden praetectalen Zonen verbreitet Zellwanderungen statt. Die wachsende Faserschicht wird synchron mit Zellen beschickt. Erkennbar wird die Area der Pars extensa in Eml6, die mit Em1.8 sich gut abhebt. Die Struktur der Pars plicata ähnelt hier dem neonaten Zustand sehr. Mit Em26 sind Cytoarchitektonik und Zelldifferenzierung auf dem Stand des Schlüpflings. Lediglich die Faserarchitektonik und das im Bereich des Nucleus lentiformis praetectalis zweischichtige Ependym weisen noch pränatale Charakteristika auf. Nucleus lentiformis

mesencephali

Der Nucleus lentiformis mesencephali, lateral und kaudal der Commissura posterior, ist aus dichtliegenden Zellen aufgebaut. Der Hauptanteil besteht aus mittelgroßen, nicht spezifisch differenzierten Zellen; eingestreut sind wenig größere polygonale Neurone. Als flacher Kern schließt er medial an die superfiziellen optischen Bahnen an. Medio-dorsal liegt der Nucleus lateralis profundus mesencephali, dem vorigen fast völlig median unterlagert. Der Kontakt mit marginalen optischen Fasern und die Verbindungen zu superfiziellen Zonen des Tectum opticum werden erst im Adultus evident. Auch werden die polygonalen Zellen erst in postembryonalen Stadien prominent. Der im Neonatus als eng beschriebene Kontakt zum Nucleus lateralis profundus mesencephali wird, bedingt durch die Elongation des Gehirns und das Faserwachstum, wesentlich gelockert. Die in E m l 3 in das betreffende Areal migrierenden Zellen bilden noch keine abgrenzbare Struktur. Mit Em'16 haben einerseits die Fasermassen stark zugenommen, andererseits haben sich die in großer Zahl migrierten Zellen teilweise differenziert und sich im wesentlichen zum Kerngebiet gruppiert. Auf Grund der Zelldichte kann der Nucleus in Em23 am deutlichsten beobachtet werden. Die folgende Entwicklung bringt ein Auseinanderrücken der Zellen, sowie einen kleineren Zwischenraum zum Nucleus lateralis profundus mesencephali, so daß in Em28 eine dem neonaten Zustand ähnliche Cytoarchitektonik besteht.

C. I.

331

A bkürzungen A. bas. Augb. Augb. St. Aur. cer. Bul. olf. Brf. Cer. Ch. do. Ch. opt. Com. ant. Com. hab. Com. pal. post Com. post, diff. Ze diff. Zo do. Ho. Do. Ze. E m . d. str. gr.

Area superficialis basalis Augenbecher Augenbecherstiel Auriculum cerebellaris Bulbus olfactorius Branchialfilamente Cerebellum Chorda dorsalis Chiasma opticum Commissura anterior Commissura habenularis Commissura Pallii posterior Commissura posterior differenzierende Zellen Differenzierungszone Dorsalhorn Dorsalzellen

Eminentia dorsalis s t r a t u m granulosum d. Cerebellum Eminentia ventralis Stratum granulosum Em. v. str. gr. d. Cerebellum Epph. Epiphyse Fase. re. Fasciculus retroflexus Fil. olf. Fila olfactiva F. 1. m. Fasciculus longitudinalis medialis Hab. Ganglion habenulare Hem. Hemisphäre Hem. bl. Hemisphärenblase Hyp. Hypophyse Hypoth. Hypothalamus Med. obl. Medulla oblongata mig. Ze. migrierende Zellen Mit. Ze. Mitosezellen mot. Ne. motorische Neurone Na. kap. Nasenkapsel N. I I I Nervus oculomotorius N. IV Nervus trochlearis N. V,_ 3 Nervus trigeminus, 1 = R a m u s ophthalmicus 2 = R a m u s maxillaris 3 = R a m u s mandibularis Nervus abducens N. VI Nervus facialis N. V I I N. V I I I Nervus octavus N. I X Nervus glossopharyngeus N. X Nervus vagus Np Neuropil Nsk Nasenkapsel Nuc. gen. lat. Nucleus geniculatus lateralis Nuc. gen. praet. Nucleus geniculatus praetectalis Nuc. lat. hyp. Nucleus lateralis h y p t h a l a m i Nuc. lat. pr. m. Nucleus lateralis profundus mesencephali Nuc. lent. mes. Nucleus lentiformis mesencephali Nuc. mes. V Nucleus mesencephalicus trigemini Nuc. parav. Nucleus paraventricularis Nuc. praeopt. Nucleus praeopticus Nuc. ve. hyp. Nucleus ventralis hypothalami Pars ext. Nucleus lentiformis praetectalis pars extensa Pars plic. Nucleus lentiformis praetectalis pars plicata Plexus chorioideus PI. chor. Praetectum Praet. Proliferationszone Prol. Zo.

332

Farner, H.-P.

Purkz. Rad. n. lat. ant. Rad. n. lat. post. Ree. ve. I I I SP sub. Gr. Str. alb. peri. Str. gr. Str. mat. Str. zon. Tee. Teg. Tel. Thal. ve. Tr. co-hab. Tr. opt. ve. Ho. V. H. B. Z3. Z6

Purkinj ezellschicht Radix nervus lateralis anterior Radix nervus lateralis posterior Recessus des I I I . Ventrikels Spiraculum subzentrale Grenze Stratum album periventriculare Stratum granulosum Stratum matricis Stratum zonale Tectum opticum Tegmentum Telencephalon Thalamus ventralis Tractus cortico-habenularis Tractus opticus Ventralhorn Vorderhirnbündel Zonennummer nach P. Ramon

Literatur M. J . , et J . M E L L I N G E R : Mise en évidence de plusieurs phases distinctes dans la croissance embryonnaire de la roussette (Scullium canicula CUV.). Ann. d'Embr. et Morph. 4, 1 9 - 3 5 (1971). A L L U C H O N - G E R A R D , M . J . : Type cellulaires et étapes de la différenciation de l'adenohypophyse chez l'embryon de rousette. (Scyllium canicula) Z. Zellf. 120, 525 — 545 (1971). ALLUCHON-GERARD,

ARIENS

K A P P E R S , C. U . ,

G. C. H U B E R

and

E . C. C R O S B Y :

The comparative anatomy of the nervous system of vertebrates including man (Hafner, New York 1960). A R I E N S K A P P E R S , C. U. : Teleostean and selachian brain. Jour. comp. Neur. 16, 1 - 1 1 2 (1906). B A L F O U R , F . M . : A monograph on the development of elasmobranch fishes, London (1878). B E A R D , J . : The transient ganglion cells and their nerves in R a j a batis, Anat. Anz. 7, 1 9 1 - 2 0 6 (1892). B E R G Q U I S T , H. : Ontogenesis of diencephalic unclei in vertebrates. Lunds Universitets Arsskrift 50, 1 — 33 (1954). B U R C K H A R D T , R. : Das Zentralnervensystem der Selachier I. Teil: Acta Leopoldino-Carolinae nat. curios 73 (1907). II. Teil: daselbst Bd. 94 (1911). E B B E S S O N , S. O. E . , and S. J . R A M S E Y : The optic tracts of two species of Sharks (Galeocerdo cuvier and Ginglymostoma cirratum). Brain Res. 8, 36 — 53 (1968). E B B E S S O N , S. O. E . , and L. H E I M E R : Projections of the olfactory tract fibers in the Nurse Shark (Ginglymostoma cirratum) Brain Res. 17, 45 — 55 (1970). E B B E S S O N , S. O. E . : Connections of the Nurse Shark's Telencephalon. Science 173, 2 5 4 - 2 5 6 (1971). E B B E S S O N , S . O . E . : New insights into the organisation

of the shark brain. Comp. Biochem. Physiol. 42 A, 121 to 129 (1972). E B B E S S O N , S. O. E., and C. B. G. C A M P B E L L : On the organisation of Cerebellar Efferent Pathways in the Nurse Shark ('Ginglymostoma cirratum) J . comp. Neur., 152, 233 — 254 (1973-1974). K A H L E , W. : Studien über die Matrixphasen und die örtlichen Reifungsunterschiede im embryonalen menschlichen Gehirn 1. Mitteilung (1951), 2. Mitteilung (1956). Deutsche Zs. f. Nervenheilk. 166, 2 7 3 - 3 0 2 (1951) und 175, 2 5 9 - 3 1 8 (1956). K A H L E , W . : Über die längszonale Gliederung des menschlichen Zwischenhirn. Pathophysiol. Dienceph. (Wien, 1958). K U H L E N B E C K , H. : The central nervous system of vertebrates, Vol 4 (Karger, Basel, New York 1975). K U P F F E R , K . V O N : Die Morphogenie des Zentralnervensystems; in Hertwig Hb. der vergl. experiment. Entwicklungslehre der Wirbeltiere Vol. 2, Teil 3, 1 — 119 (Fischer, Jena 1906). K U S U N O K I , T., Y. T S U D A and F. T A K A S H I M A : The chemoarchitectonics of the shark brain. J . Hirnforsch. 14, 1 3 - 2 6 (1973). M A R I N E L L I , W., und A. S T R E N G E R : Vergleichende Anatomie und Morphologie der Wirbeltiere, I I I . Lieferung, Superklasse Guathostomata, Chondrichthyes (Deuticke, Wien 1969). SCAMMON, R. E. : The development of Squalus acanthias, in Normentafeln zur Entwicklungsgeschichte der Wirbeltiere Heft 12, Keibel, Jena 1911. S C H R O E D E R , D. M., and S. O. E. E B B E S S O N : Nonolfactory telencephalic afferents in the Nurse Shark (Ginglymostoma cirratum) Brain, Belav. Evol. 9, 1 2 1 - 1 5 5 (1974). SENN, D. G. : Bau und Ontogenese von Zwischen- und Mittelhirn bei Lacerta sicula (Rafinesque) Acta anat. Suppl. 55/1 ad 71: 1 - 1 5 0 (1968a). SENN, D. G. : The stratification in the reptilian central nervous system. Acta anat. 75, 521 — 552 (1970). SENN, D. G. : Notes in the amphibian and reptilian thalamus. Acta anat. 87, 5 5 5 - 5 9 6 (1974). S T A R K , D.: Embryologie, Stuttgart (1965). W I L L I A M S , H A Y E S T. : The telencephalon of the newborn dogfish shark, Squalus acanthias, J . Hirnf. 14, 261 — 285 (1973).

A dresse des A utors : Dr. H.-P.

FARNER

Zoologisches Institut der Universität Basel CH 4051 Basel, Rheinsprung 9

J . Hirnforsch. 19 (1978) 3 3 3 - 3 4 4

Aus dem Zoologischen Institut der Universität Basel ( D i r e k t o r : P r o f . D r . H . NÜESCH u n d P r o f . D r . W . STINGELIN)

Untersuchungen zur Embryonalentwicklung des Gehirns von Scyliorhinus canicula II. Das Tectum opticum und dessen Stratifikation.

Von Hans-Peter

(L.).

FARNER1

Mit 7 Abbildungen (Eingegangen am 27. J u l i 1977)

Zusammenfassung: Die vorliegenden Studien über das T e c t u m opticum haben eindeutig ergeben, daß die von P. RAMÖN (1896) an Chamaeleon durchgeführte Zonierung auch für Scyliorhinus canicula angewandt werden kann, und daß die von HUBER & CROSBY (1933 b) beschriebene Stratifikation des Vertebratenmittelhirndach.es ihre Allgemeingültigkeit bestätigt. 1. Die Zusammenfassung einzelner Zonen in die S t r a t a periventriculare, centrale und superficiale ist sinnvoll. 2. Die einzelnen Zonen treten in verschiedener Deutlichkeit hervor. a) von den periventrikulären Zonen 1 — 5 sind die ersten drei prominent, 4 und 5 teilweise durchmischt. Das Ependym wird erst postnatal ausdifferenziert. b) Die zentralen Zonen 6 — 8 sind stark durchmischt, Zone 6 grenzt peripherwärts an Zone 9, Zone 7 ventrikelwärts nahe an Zone 5; Zone 8 ist von sieben nicht trennbar. c) Die superfiziellen Zonen 9 — 13 sind im Neonatus gut entwickelt, werden jedoch bis zum erwachsenen Zustand, vor allem durch Faserzunahme wesentlich erweitert. Die Zone 9 führt vom Tractus marginalis medialis einstrahlende stark myelinisierte Fasern. Die Zonen 10 — 12 sind gut ausgebildet, jedoch unter sich nicht deutlich separierbar. Zone 13 grenzt an die Peripherie, Zone 14 ist nicht ausgebildet. 3. Der Nucleus mesencephalicus trigemini wird frühembryonal angelegt und erlangt vor dem Schlüpfen seine endgültige Zellenzahl, die über die Gesamtlänge median gestreut liegen. Die Ontogenese; Matrixbildung, Migrationen und Faserwachstum erweisen sich in rostrocaudaler Richtung etwas retardiert. Summary: T h e stratification of the optic tectum of the shark Scyliorhinus canicula is comparable to patterns of other vertebrates. Thus it is possible to homologize part of the cortex layers with those described by P. RAMON ( 1 8 9 6 ) a n d H U B E R & C R O S B Y

(1933b).

1. As for other vertebrates, it makes sense to collect the large number of zones (layers) into three groupes: periventricular, central and superficial. 2. R a m o n ' s periventricular zones 1 — 3 are distinct; fibrous zone 4 and cellular zone 5 are partially mixed. The central zones (6, 7) are mixed. All superficial zones are recognized, with the exception of zone 14, which was not found. 3. T h e trigeminal mesencephalic nucleus develops in the early embryo.

Einleitung Der Bauplan des optischen Mittelhirndaches der niederen Vertebraten weist grundlegende Gemein1 Unter der Leitung von Herrn P. D. Dr. D. G. SENN entstand die vorliegende Arbeit, für dessen fruchtbare Diskussionen und Hilfe ich herzlich danke. Herrn Prof. Dr. W. STINGELIN danke ich für die zur Verfügung gestellte Schnittserie eines ausdifferenzierten Gehirns in Luxol/ Kresylviolett gefärbt. Die Anlieferung der E i e r verdanke ich den H e r r e n D r s . J . M A R T Y u n d D . FROSCH

Arago, Banyuls sur Mer).

(Laboratoires

samkeiten auf, die sich auch bei Vögeln aufzeigen lassen und bezüglich genereller Schichtung auch für Säugetiere zutreffen. Die von P. R A M O N (1896) durchgeführte Zonierung des Tectum opticum von Chamaeleon wurde in verschiedenen Untersuchungen bei Amphibien, Reptilien und Vögeln in teilweise modifizierter Art erfolgreich angewandt. Auch für die Teleostier erwies sich diese Gliederung als sinnvoll. Wie in vielen anderen Belangen nehmen die Plagiostoma auch bezüglich der Stratifikation des Mittelhirndaches eine Sonderstellung ein. A R I E N S K A P P E R S , H U B E R & C R O S B Y

334

Farner, H . - P .

N. IX

Hyp.

Abb. 1. Ausschnitt eines adulten Gehirns von Scyliorhinus canícula. (Körperlänge 48 cm.) Das Cerebellum weist nur geringfügige Faltenanlagen auf, überragt das T e c t u m opticum rostral. Der schmächtige Vorderhirnstiel verbindet Telencephalon und Diencephalon, er weist überwiegend hypothalamische Strukturen auf.

(1960) fassen die deutlich ausgebildeten Schichten nach anderen Gesichtspunkten zusammen, beziehen s i c h t e i l w e i s e a u f STERZI ( 1 9 0 5 ) u n d HOUSER ( 1 9 0 1 ) , l a s s e n a b e r die v o n H U B E R & CROSBY ( 1 9 3 3 a) v o r -

genommenen Schichtgruppierungen beiseite. Andererseits erachteten die beiden Autoren (1933 b) ihr sechsgliedriges Schichtsystem als „fundamental pattern" für die Wirbeltiere sowohl in morphologischer wie in funktioneller Hinsicht als zutreffend. Die vorliegende Untersuchung beinhaltet neben der Cytoarchitektonik des Tectum opticum dessen Schichtstruktur und Schichtbildung anhand embryologischer Studien. Material und Methoden Die in der vorliegenden Arbeit zur Untersuchung verwandten E m b r y o n e n wurden in künstlich angesetztem Meerwasser von 1,026 Dichte herangezogen. Die vom L a b o ratoires Arago in Banyuls sur Mer (52 Stück) und von der Stazzione Zoologica in Neapel (48 Stück) angelieferten Eier wurden in einem 150 Liter Aquarium bei 1 5 , 5 ^ 0 , 5 ° Celsius und bei pH 8 — 8,3 „ b e b r ü t e t " . Auf Grund stetiger Kontrollen im Durchlicht wurden die E m b r y o n e n nach Entwicklungsgrad gestaffelt, jeweils der Eischale entnommen und

fixiert. Die e x a k t e Datierung ist bei Scyliorhinus canicula zum voraus nicht möglich, da sowohl die Anzahl Entwicklungstage wie das Ablagedatum keine signifikanten W e r t e darstellen. Die Datierung einschließlich der Vermessung der Embryonen wurde in der vorangehenden Arbeit FARNER (1976) publiziert. Die Tiere wurden in den Eihüllen beobachtet, mit WENDLING- und ScAMMON-Angaben verglichen, im gewünschten Stadium photographiert, mit MS 222 narkotisiert und in A F E (90 ml Alkohol 8 0 % , 5 ml Formol 4 0 % , 5 m l E i s e s s i g ) fixiert. Die Embryonen mit den fortlaufenden Nummern 1 bis 42 wurden den Eihüllen entnommen. E m 4 3 — 52 sind Schlüpflinge, deren durchschnittliche Entwicklungszeit 157 Tage betrug. Das adulte Gehirn wurde einem Tier von 45 cm Länge entnommen, das zur Sektion mit MS 222 narkotisiert wurde. Die ganzen Köpfe der Embryonen E m 2 1 bis 45 wurden von 18 — 48 Stunden in Titriplex ( A D T E = Aethylendiamintetraessigsäure) entkalkt. Alle Präparate in Paraplast eingebettet, in Schnittserien verschiedener Schnittrichtungen und -dicken verarbeitet und m i t der Neurofibrillendarstellung nach Bodian mit Albumosesilber imprägniert und anschließend mit Kresylviolett (SENN 1966) gefärbt.

Lagebeziehung und Gestalt des Tectum Opticum Im Schlüpfstadium noch dicht anliegend, zeigt das Tectum opticum zum Telencephalon einen deutlichen Abstand. Obgleich das Mittelhirndach nicht die Höhe des Vorderhirns erreicht und vom Cerebellum nahezu zur Hälfte dorsal überlappt wird, ist das Tectum opticum bezüglich Quantität und Struktur ein bedeutender Hirnteil (Abb. 1). Ventral schließt das Zwischenhirn, mit dem weit nach kaudal reichen Hypothalamus an; lediglich der kaudale Abschnitt des optischen Tectum leitet ins Tegmentum

Embryonalentwicklung des Gehirns von Scyliorhinus C. II.

335

Strsuperf. Str.centr. Tr.marg.

Str.periv. sub.G.

Co. Nuc.mes.V

Tr. tec.

bulb.

Tvmarg.l.

Abb. 2. Querschnitt durch das Tectum opticum. Übersicht über Schichtstrukturen und wesentlichste Faserzüge. (Maßeinheit = 200 (x)

über, wo die Wurzel des Nervus oculomotorius liegt. Rostralwärts führt der Vorderhirnstiel, im wesentlichen hypothalamische Strukturen aufweisend, ins Telencephalon über. Im direkten Anschluß liegt der Epithalamus, der seinerseits im Velum transversum an das Vorderhirn anschließt.

Struktur und Ontogenese der Schichten im Tectum Opticum 1. Schichtstruktur im adulten Tier Mit der vorliegenden Arbeit sollen mögliche Übereinstimmungen der Cytoarchitektur des Mittelhirndaches von Scyliorhinus canicula mit derjenigen bei Reptilien und Vögeln untersucht werden. Grundlage dazu bildet die Arbeit von P. RAMON (1896), basierend auf dem optischen Tectum des Chamaeleon. Die Befunde wurden im optischen System squamater Reptilien (SENN 1966) und an Lacerta sicula (SENN 1968) wesentlich erweitert, aber auch bestätigt. Übereinstimmung der durch P. RAMON und SENN gemachten Zonierungen ergaben die Untersuchungen von Natrix natrix und Rana temporaria (SENN 1970 u. 1972), sowie an einigen Vogelarten (THALI 1972).

Das Tectum opticum von Scyliorhinus canicula weist mehrere Schichten auf. Die von HUBER & CROSBY (1933 a) beschriebene Stratifikation des Vertebratentectum erweist sich in ihrer Dreiteilung evident (Abb. 2, 3). Das Stratum periventriculare weist molekulare und zelluläre Zonen auf. Das angrenzende Stratum centrale besteht vorwiegend aus stark myelinisierten tangential verlaufenden Fasern, wobei die Neuronendichte peripherwärts steigt. Die äußere Schicht, das Stratum superficiale, führt im inneren Bereich tangential verlaufende optische Bahnen. Die Neuronendichte nimmt gegen die Peripherie ab. Im äußeren zentralen und inneren superfiziellen Bereich ziehen rostrokaudal verlaufende Bahnen, die sich gruppenweise zu Faserbündeln formieren und kaudalwärts abnehmen. Dorsomedian verlaufen in beiden Tectumhälften retinale Fasern, die sich an den rostralen Polen der Sehhügel aus einer plexoiden Struktur zu medialen Bündeln formieren. Die beiden Fasciculi ziehen dorsal über der Commissura colliculi superioris kaudalwärts, wobei stets Fasern in die superfiziellen Schichten abzweigen, so daß eine rostro-kaudale Abnahme resultiert.

2. Die tektalen Zonen und, deren A) Stratum

Embryonalentwicklung

periventriculare

Die inneren periventrikulären Zonen 1 — 5 machen in frühembryonalen Stadien das Stratum matricis aus. In E m l —4 bestehen die tektalen Abschnitte aus-

33fi Farner, H.-P. schließlich aus dichtliegenden, in Ventrikelnähe zahlreiche Zellmitosen, die streng radial gerichtete Fortsätze aufweisen. Mit Em5 setzt die Bildung eines Randschleiers ein, d. h. eine zellfreie periphere Zone, in der jedoch noch keine Fasern zu erkennen sind, wird angelegt. Einige Neurone lassen interne Migration erkennen. Diese bilden in Em7 die periphere Schicht aus kugeligen großen Zellen bestehend, deren Fortsätze noch überwiegend bis zum Ventrikel reichen (Abb. 3A). Diese Zellage grenzt an die subzentrale Zone, die bis Em9 ohne Bedeutung ist. Dann jedoch ziehen retinale Fasern ins Tectum und bilden erste Anlagen einer superfiziellen Schicht, die in E m i l evident wird. Im selben Stadium werden Elemente des Stratum centrale erkennbar. Die dünne Schicht retinaler Fasern wird durch solche zentraler Anteile erweitert, so daß bereits in E m l 3 tangential verlaufende gut myelinisierte Fasern der Zone 6 deutlich werden. Auch finden mit E m i l externe Migrationen vereinzelter Zellen statt. Die Differenzierungszone, die sich als innerhalb des Stratum periventriculare liegend, erweist, wird mächtiger, was einer Abnahme der Matrix entspricht. Allerdings bleibt die Dichte der Mitosezellen hoch, wodurch eine relative Abnahme der Matrix nicht mit einem Proliferationsrückgang identisch ist. Sind es nur wenige Neurone, die bis Eml.3 die subzentrale Grenze passieren (Abb. 3B), so setzt mit E m l 4 eine starke Migrationsaktivität ein und nimmt bis E m l 6 noch zu. Die Mächtigkeit des Stratum centrale steigt in dieser Zeit enorm an unter gleichzeitiger Zunahme der Zelldichte und Abnahme der Zellgröße. Die Differenzierungszone buchtet sich bilateral nach dorsal weit aus, derart, daß bereits im Zellgefüge die Ausbildung der tektalen Colliculi einsetzt. Bis Em18 findet ein weiterer Wanderungsschub statt. Die Zelldichte im Stratum periventriculare nimmt vor allem im kaudalen Teil ab und lockert sich auf. Nur noch wenige Lagen bilden die Proliferationszone, auch läßt sich eine deutliche Abnahme der Mitosezellen feststellen. Vorwiegend medianwärts geht diese Entwicklung bis Em20 weiter. In einem dritten Schub wird durch die Wanderung der zentralen und superfiziellen Zellen aus dem periventrikulären Bereich die Proliferationszone fast vollständig erschöpft bis Em23. Innerhalb desselben Entwicklungsschrittes werden zwei zelluläre Laminae des periventrikulären Anteils gebildet. In der Zwischenzone finden sich vereinzelte Nervenfasern, die jedoch nicht raumfüllend sind. Eine weitere Reduktion der Neuronengröße geht mit dieser Entwicklung einher. Mit Em26 findet eine Stratifikation des Stratum periventriculare statt, obgleich noch sporadisch Mitosezellen anzutreffen sind, und die Migration aus der abnehmenden Matrix noch offen-

sichtlich ist. Diese Situation dauert in unvermindertem Maße in den dorsolateralen Abschnitten bis Em39; erst mit diesem Stadium zeichnet sich die, in ventralen und ventrolateralen Gebieten viel früher auftretende Erschöpfung der Matrix ab. Die Gliederung in Ramonsche Zonen zeichnet sich in den periventrikulären Strata bereits in Em23 ab und wird in den Folgestadien evident.

Zone 1

Das Ependym (Zone 1), von verschiedenen Autoren als Überbleibsel der Matrix bezeichnet, ist im adulten Tectum opticum nur in lateralen Bereichen einschichtig. Ventralwärts und im gesamten. Dorsalgebiet ist es zweischichtig. Im Verlaufe der postembryonalen Entwicklung unterliegen die Ependymzellen ebenso einer Differenzierung aus Matrixzellen wie die neuronalen Zellen der verschiedensten Schicht- und Kerngebiete im Gehirn. Mit der eintretenden Stratifikation der ventrikelnahen Schichten ab Em26, wird eine drei bis fünf Zellagen umfassende Matrix von den übrigen Zonen geschieden (Abb. 3E). Diese bleibt mit den typisch länglichen Zellen über das Schlüpfen hinaus in aktiver Form erhalten, erschöpft sich erst in postnatalen Stadien und formt die Ependymzellen mit rundlichem Perikaryon und einem teilweise in zentrale Schichten reichenden Fortsatz aus. Zone 2

Die Zone 2 stellt die Hauptmasse des periventriculären Fasersystems dar. Sie entspricht dem Stratum album periventriculare H U B E R , CROSBY ( 1 9 3 3 a) und besteht einerseits aus Dendritenverästelungen der darüberliegenden zellulären Laminae, andererseits aus tangential verlaufenden, wenig myelinisierten Fasern. Die Schicht wird von den zahlreichen ependymalen Zellfortsätzen rechtwinklig durchstoßen. Ventralwärts schließen die Fasern in Form einer kontinuierlichen Schicht an die Nuclei paraventricularis und lentiformis über das prätektale und hypothalamische periventrikuläre Fasersystem an. Auch besteht ein enger Faserkontakt mit dem Fasciculus retroflexus. Stärker myelinisierte Fasern biegen im Bereich des Nucleus oculomotorius rechtwinklig ab und stellen eine Verbindung mit der 2. Zone her. Dorsomedian ist die Faserschicht auslaufend; die großen Neurone des Nucleus mesencephalicus trigemini liegen in der Medianebene dem Ependym direkt auf. Kaudalwärts kollabieren die zellulären Strata in dorso-lateraler Richtung mit dem Ependym, so daß gegen das Cerebellum hin die Zone 2

Embryonalentwicklung des Gehirns von Scyliorhinus C. II.

337

diff.Zo. Prol.Zo Nuc.mes.V Mit. diff. Ma.tr. Ventr.

sub.G. d i f f . Zo. Prol.Zo.

Str.superf. Str.centr. Prol. diff Zo.— Z6 — sub.G.— Z9 —

Abb. 3. Querschnitte durch das Tectum opticum. Stratifikation während der Embryonalzeit; A: Em7 erste Zellen in Differenzierung; B: E m l 3 Separation des Stratum matricis in eine Proliferations- und eine Differenzierungszone; C: E m l 6 große Anzahl Zellen in Migration; D: Em23 und E : Em2G deutliche Gliederung in die Strata periventriculare, centrale und superficiale; E: Em28 Ramön'sche Zonen sind im periventrikulären und zentralen Bereich evident. (Maßeinheit 100 jj.)

ausläuft. Die ventro-lateralen Anteile werden partiell von tegmentalen Zellen besetzt und leiten unter steigendem Myelinisationsgrad in das periventriculare Fasersystem des Tegmentum über. Die Ontogenese der zweiten Zone wird mit Em23 evident. Die schon früher bestehende Phasentrennung der Matrix in eine Proliferations- und eine Differenzierungsschicht spaltet sich in Em23 auf (Abb. 3D). Die Zellkerne weichen auseinander, so daß ein „Spalt" entsteht, der durch die aneinanderstoßenden Perikaryen noch geschlossen ist. Einstrahlende Fasern trennen die Zellgebiete in Em2 / i. In diesem Stadium treten die ersten rostro-kaudal verlaufenden Fasern dieser Zone auf. Faserdichte und Schichtmächtigkeit nehmen bis Em42 kontinuierlich zu. Die Mächtigkeit erfährt knapp vor dem Schlüpfen eine sprunghafte Erweiterung und wird bis Hiniforschung. Bd. ly, H r f t 4

Str. pe'riv. Ma.tr.

mig.

Ze

zum Adultus nur noch geringfügig dicker. Der Myelinisationsgrad wird postnatal noch erheblich verstärkt. Auch wandern vereinzelt Zellen ein.

Zonen 3—5 Diese Schichtgruppe wird von H U B E R und C R O S B Y (1933) als Stratum griseum periventriculare bezeichnet. P . R A M O N beschreibt Zone 3 als eine zelluläre —, zwei bis drei Zellreihen enthaltende Zone beim Chamaeleon, Zone 4 ist eine molekulare Schicht und Zone 5 eine drei bis fünf Lagen umfassende zelluläre Schicht. Beim vorliegenden Tectum ist eine circumventriculäre Trennung der drei Zonen nicht möglich. Insbesondere liegen postembryonal die Zellen gestreut. Im Verlaufe der Ontogenese bilden sich transitorisch eindeutige Trennungen aus. Die Schichtgruppe der Zonen 3—5 tritt mit Em23 erstmals als gesonderte Einheit hervor. Die Zellen liegen noch sehr dicht. In der weiteren Entwicklung lockern sich die Neurone auf; dabei werden in Em26 erste Laminationen angedeutet. Einwachsende Fasern und vor allem peripher ausstrahlende Axone füllen die gebildeten Zwischenräume. Im frontalen Tectum opticum von Em28 trennen sich die Zonen 3 und 5 derart, daß eine molekulare Schicht — die Zone 4 — evident wird (Abb. 3F). Die Zone 3 besteht aus drei bis fünf 24

338

Farner, H.-P.

Zellagen, die sich stellenweise an die Zone 5, welche aus zwei bis drei Zellagen besteht, anlagern. Die recht deutliche Trennung der drei Zonen wird in den Folgestadien dadurch verwischt, daß migrationsbedingt einerseits die Zone 4 undeutlich ist und andererseits die zellulären Zonen ihre Neuronenzahl reduzieren. Im Neonatus umfaßt die Zone 3 noch zwei bis vier Lagen. Die Zone 5 ist vorwiegend einschichtig und schließt lateral an die innern Zellagen an, so daß lediglich eine nicht durchgehend zusammenhängende Faserschicht im dorsalen und dorsolateralen Abschnitt ausgebildet ist. Im rostralen Tectum schließen die zellulären Strata an das periventrikuläre Grau des Praetectum an und kaudalwärts findet ein kontinuierlicher Übergang in tegmentale Zellareale statt; so zum Beispiel liegen die Nuclei oculomotorius und trochlearis in derselben Schichtgruppe. Ventralwärts findet ein Anschluß an den Nucleus paraventricularis des Hypothalamus statt. Im Adultus werden, bedingt durch die eminente Faserzunahme, die zellulären Zonen reduziert. Eine bis zwei Zellreihen können jeweils den Zonen drei und fünt zugeordnet werden, wobei die beiden die Zone vier durchdringen und einzelne Neurone, die in der molekularen Schicht liegen, nicht eindeutig einer zellulären zuzuordnen sind (Abb. 4A). Die Zelltypen der beiden Zonen ähneln sich sehr. Allen gemeinsam ist das streng zur Peripherie gerichtete Axon und die zum Stratum album periventriculare führenden Dendriten. In beiden Gruppierungen finden sich mittelgroße eiförmige Zellen, nebst vereinzelten tri- bis polygonalen Zellen, letztere sind durchschnittlich um Einviertel größer und treten nur dorsal bis dorsolateral auf. Die Zellkerne in Zone 5 sind allgemein kleiner als diejenigen von Zone 3. In sehr geringer Zahl sind in alle drei Zonen kleine spindelförmige Zellen mit teilweise tangential gerichteten Fortsätzen eingestreut.

B) Stratum centrale Diese Schichtgruppe umfaßt einen molekularen und einen zellulären Anteil. Das Stratum album centrale mit dichtliegenden myelinisierten Fasern und das Stratum griseum centrale HUBER & CROSBY (1933a) können mit der Ramonschen Zonierung verglichen werden. Das erste wird zu Zone 6, das zweite zu Zone 7. Die beiden Zonen durchdringen sich gegenseitig derart, daß lediglich die Randgebiete überlappungsfrei separiert werden können.

Zone 6 Diese mächtige Zone umfaßt eine Schicht stark myelinisierter Fasern, die im wesentlichen tangential verlaufen. Allerdings weichen sie aus der Querschnittebene nach caudal ab. Am Rostraipol der Colliculi superiores bilden die Fasern eine querlaufende flächige Commissur, die caudalwärts in die Commissura collisuperioris überleitet. Letztere besteht aus stark myelinisierten Fasern und erstreckt sich über die gesamte rostro-kaudale Ausdehnung des Tectum opticum. Sie verbinden die Zone 6 der beiden Sehhügel, d. h. die zentralen zellulären Schichten, da die Fasern vorwiegend der Zone 7 entstammen und zu geringem Anteil der Zonen drei und fünf. Ventralwärts streuen die Fasern und ziehen mit dem peripheren Anteil in hypothalamische Regionen, wogegen die inneren, dichteren Bündel gegen den Fasciculus longitudinalis medialis und dessen Nucleus interstitialis führen, Gemeinsam bilden sie den Tractus tectobulbaris. Erste Fasern, die der Zone 6 angehören, werden lateral in E m 9 angelegt. Dorsal sind wenige Fasern den bis zur Mediane reichenden retinalen Afferenzen in E m i l unterlagert. Beide Anteile sind in E m l 3 gleichmächtig und lassen sich gut separieren, wobei bereits eine gute Myelinisation vorliegt. Bis E m 1.6 migrieren derart viele Neurons, daß die Zone 6 von den aufliegenden superfiziellen Molekularzonen eindeutig trennbar ist. Die Commissura colliculi superioris wird in E m l 8 mit ersten Fasern evident, Bis Em26 weitet sich die Zone 6 aus, so daß deren Faserdichte diejenige der radial laufenden überragt. Retardiert ist die dorsale Commissur, wodurch das im ausdifferenzierten Gehirn vorliegende Größenverhältnis angenähert wird. Die Ausweitung der Zone 6 bleibt bis E m 30 verhältnismäßig konstant, erstreckt sich jedoch mit E m 33 in die zelluläre Zone 7. Erst postembryonal findet ein erhebliches Faserwachstum und die kräftige Myelinisation statt, sowie eine zum kaudalen Pol reichende Erweiterung der Commissura colliculi superioris. Zone 7 Das Stratum griseum centrale durchdringt im Adultus die Schichten tangentialer Fasern, die Zone 6, mit sporadisch auftretenden Zellen fast vollständig. Ventralwärts leitet die Zone 7 in den Nucleus lentiformis mesencephalicus über, wobei allerdings lateral die Zelldichte abnimmt. Die Zellen der Zone 7 reichen mit ihren Axonen in die Zone 6. Rundliche Neurone bilden mit spindelförmigen mittelgroßen und großen polygonalen Zellen die siebente Zone. Die rundlichen Neurone liegen

Embryonalentwicklung des Gehirns von Scyliorhinus

Pol Ze

C. II.

339

Z7

Venir. Kap.

S tr super f. Str. cent r.

Z6 7.9

Str.

di f f . Zo

Ma f r

Ventr.

4

c l

Abb. 4. Querschnitte durch verschiedene Stadien des optischen Mittelhirndaches, A: Adultus, die Zahlen 1 — 6 beziehen sich auf die Ramönschen Zonen, Z4 ist nicht völlig zellfrei; B : Adultus, große Polygonalzellen der Zone 7 (auch bei Reptilien evident, bei Vögeln bilden sie eine P a r s magno cellularis der Z7); C: Em33; D : E m i l Z6 und Z9 sind lateral klar getrennt; E : Em20 Z6 und Z9 durchweg separiert, eminente Migrationstätigkeit. (Maßeinheit = 50 fj.)

peripher dichter; die spindelförmigen bevorzugen mittlere und innere Gebiete, sie sind meist radial orientiert und liegen sporadisch tangential. Die Fortsätze der radial gerichteten Zellen reichen vom periventrikulären Grau einerseits bis in superfizielle Schichten andererseits. Die spindelförmigen tangential liegenden Neurone strahlen mit ihren Fortsätzen faserparallel zu Zone 6 aus. Die vereinzelt eingestreuten großen polygonalen Zellen haben stark markhaltige Axone, die einerseits weit peripher reichen und andererseits sowohl an periventrikuläre Schichten anschließen wie auch mit Fasern der Zone 6 tangential ziehen. Lateral überwiegen die rundlichen Zelltypen und beherrschen ventralwärts die Schicht fast ausschließlich (Abb. 4B).

Ventr. Ma fr

Ontogenetisch lassen sich erste Migrationen in die Faserzone in E m 13 erkennen. In E m 16 sind zahlreiche, noch indifferente Zellen peripher der subzentralen Grenze. Vereinzelt können Neurone, deren Axone die Zone 6 aufbauen, in E m l 8 bereits eindeutig dem Stratum centrale zugeordnet werden, d. h. die zahlreichen noch entstehenden und in superfizielle Zonen wandernden Zellen müssen die sich formierende Zone 7 durchziehen. Bis Em23 findet eine Vermehrung der tangential gerichteten Zellen statt und erste große polygonale Neurone differenzieren sich aus. In Em26 werden radial gerichtete spindelförmige Zellen evident, rundliche Perikaryen etablieren sich in Em28, so daß die Cytoarchitektur der Zone 7 vollständig erscheint, obgleich zur Peripherie hin eine einheitliche Zelldichte besteht. Eindeutig zeigt sich eine Grenzlinie zu superfiziellen Strata in Em33. Die zentralen Zellen sind reichlich aufgelockert und die peripher anschließenden liegen noch dicht (Abb. 4B, C). Diese klare Grenze zwischen den beiden peripheren Schichtgruppierungen sind auch im Neonatus in aufgelockerter Form noch vorhanden. Erst durch die postnatale Faserzunahme wird die Trennlinie durch Auflockerung der superfiziellen Schichten verwischt. 24*

340

Farner, H.-P.

C) Stratum

superficiale

Das Stratum superficiale nach H U B E R & CROSBY (1933 a) umfaßt mehrere zelluläre und molekulare Schichten. Die von P . RAMON ( 1 8 9 6 ) vorgenommene Zonierung kann beim Tectum opticum von Scyliorhinus canicula nur noch bedingt angewandt werden, da sich die superfiziellen Schichten einerseits stark durchdringen und andererseits die Cytoarchitektur eine nicht eindeutige Schichtstruktur aufweist. Auch ist im Adultstadium eine klare Gliederung zwischen zentralen und superfiziellen Schichten sehr schwierig. Der zelluläre Anteil der peripheren Schichten stellt zahlenmäßig die Mehrheit der tektalen Zellen dar. Das Zellband läuft lateral aus, d. h. ventralwärts besteht kein Übergang in tegmentale Zellareale. Die zelluläre Zone 8 ist nicht abgrenzbar. Zwischen Zone 7 und der molekularen Zone 9 besteht ein fließender Übergang, innerhalb dieser die Neurone der Zone 8 liegen. Zone 9

Die dicht liegenden gut myelinisierten Fasern der Zone 9 stellen vorwiegend optische Bahnen dar, die größtenteils der Retina entstammen und der Größe der Nuclei geniculates lateralis und praetectalis entsprechend, wenige Fasern dieser Kerne führen. Neben den tangential verlaufenden Fasern ziehen viele bündelweise in rostrokaudaler Richtung lateralwärts, die von dem bilateral angeordneten paramedianen retinalen Bündeln, dem Tractus marginalis medialis ( E B B E S S O N et al. 1968) ausgehen. Dieser Tractus kann der Zone 9 zugeordnet werden. Er überzieht in sphärischer Anordnung den Rostraipol des Tectum opticum, wo er zur Medianebene einstrahlt, sich dort zu einem Bündel formiert und kaudalwärts in die Zone 9 einbiegt. Retinale Axone des Tractus marginalis lateralis ziehen in Em9 ins Tectum ein. Diese nehmen bis E m i l stark zu; erste Migrationszellen erscheinen in der Faserschicht (Abb. 4D). In E m i l entwickelt sich eine marginale, nichtoptische lexiforme Faserschicht, die sehr dünn ist und bis Eml6 unverändert bleibt. In diesem Stadium erscheinen jedoch die beiden molekularen Zone sechs und neun klar getrennt durch eine migrierende Zellamina. Bis Eml8 wandern derart viele superfizielle Neurone ein, daß die Faserschicht 9 stark überdeckt ist (Abb. 4E). Das retinale Faserwachstum erweist sich in Em23 bezüglich der Zellvermehrung retardiert. Die Neurone liegen so dicht, daß einerseits die direkt in Zone 9 einstrahlenden Axone überlagert werden, anderseits setzt in-diesem Stadium der Einzug, der von rostral kommenden retinalen Fasern des Tractus marginalis

Abb. 5. Querschnitt durch das adulte Tectum. Die Zahlen beziehen sich auf die Ramönschen Zonen. Links die zusammengefaßten Zonen in Strata. (Maßeinheit = 100 (i)

medialis erst ein. Eine Angleichung an die neonaten Verhältnisse setzt mit Em28 ein, wo die paramedialen optischen Bündel evident sind und rostrale Gebiete mit Fasern anreichern. Eine kontinuierliche Zunahme erfahren die medialen Bündel bis zum Schlüpfstadium, ohne große Erweiterung der Zone 9; auch verläuft dieser Tractus noch sehr nahe der Peripherie. Die Abgrenzung von Zone 9 zu peripher liegenden Schichten ist im Neonatus durchaus klar, da die überliegenden zellulären Schichten noch dichter sind. Postembryonal ziehen Fasern des Tractus marginalis medialis in periphere superfizielle Schichten. Zonen 10 und 12

Die beiden zellulären Zonen und das Stratum griseum superficiale sind derart ineinander verzahnt, daß keine klare Separation möglich ist. Die Zone 1.1

Embryonalentwicklung des Gehirns von Scyliorhinus

ad

Em

45

37

33

28

Abb. 6. Entwicklungsreihe des Mittelhirndaches, anhand einer Querschnittscquenz E m 3 = Embryo-Nummer 3, E m l ä ist der Neonatus. Die subzentrale Grenze, zwischen Z5 und ZG liegend, wurde als Gerade gewählt. Der Adultus wies eine Körperlänge von A5 cm auf. (Maßeinheit = 100 |i)

wird dadurch gänzlich durchdrungen und tangentiale retinale Fasern kreuzen mit den radial verlaufenden. Die Zellen häufen sich in Vierer- bis Sechser-Gruppen. Zwei Zelltypen bauen die beiden Schichten auf, dabei sind beide Typen in beiden Zonen zu finden. In die Zone 9 eingestreut liegen pyramidenförmige Neurone und rundlich ovale. Peripheriewärts treten häufiger spindelförmige Zellen auf, die radial gerichtet sind und nur sehr sporadisch eine tangential laufende Längsachse aufweisen. Dazwischen liegen Dendritenverästelungen, radiale Fasern und zu Bündeln gefaßte optische Axone, die teilweise tangential aber auch schräg rostro-kaudal ziehen.

23

20

16

13

11

C. I I .

341

7

5

Entsprechend der peripheren Lage migrieren Zellen erst ab Em 16 in diese Zonen, mit Em18 läßt sich eine sprunghafte Zunahme der Zelldichte feststellen, die sich bis Em26 erstreckt. Gleichzeitig mit der Auflockerung findet die typische Ausbildung der Zellformen statt und Fasern des Tractus marginalis medialis strahlen ein. Das im Neonatus dichte Zellband formiert sich in Em28, wo bereits eine Abnahme der peripheren Strata evident wird, d. h. in diesem Stadium ist der Großteil der superfiziellen Zellen bereits migriert. Ein Vergleich der Matrices erhärtet diese Feststellung. Postnatal wandern noch Neurone ein, doch ist das eminente Faserwachstum für diese Entwicklungsphase bedeutend.

Zone 13 Diese periphere Zone besteht aus einem sehr lokkeren Faserplexus. Einige spindelförmige Zellen sind neben pyramidenförmigen vorhanden. Letztere

342

Farner, H . - P .

13

10-12

ei^

\

>f-

: » (k

¿Iii7*8

Abb. 7. Schematische Darstellung der Ontogenese des Tectum opticum. Die Zahlen der Ordinate 1 — 13 beziehen sich auf die Ramonschen Zonen; diejenigen der Abszisse E m 3 bis E m 4 5 sind Embryonennummern, wobei E m 4 5 dem Neonatus entspricht. Die kontinuierliche Erweiterung des Stratum matricis erfährt ab E m i l eine sprunghafte Zunahme. Dieser folgt mit E m l 6 ein starker Anstieg der Migration. Mit der Spaltung von Z3 und Z5 fällt eine erste Erschöpfung der Matrix zusammen. I m Neonatus ist die Matrix noch nicht vollständig erschöpft, Mitosezellen sind noch vorhanden. Die Ependymdifferenzierung erfolgt postnatal.

treten in viel geringerer Zahl auf. Vereinzelte radiale Fasern und etwas dichter liegende tangentiale Axone des Tractus marginalis medialis ziehen in die Schicht. D) Vergleich der

Schichteinteilung

Die Feingliederung des Tectum opticum, anhand der von P . RAMON (1896) am Chamaeleon beschriebenen Zonierung, läßt sich bei Scyliorhinus canicula an-

wenden. Obgleich die Zone 14 fehlt und die zentralen und superfiziellen Schichten sich teilweise stark durchdringen, ist die Cytoarchitektonik derart differenziert, daß zweifellos die periventrikulären Zonen 1 — 5 klar vorliegen und die Gliederung peripherwärts folgender Strata in Zonen sinnvoll ist. ARIENS K A P PERS, H U B E R & CROSBY ( 1 9 6 0 ) beschreiben beim Tectum opticum von Plagiostomen vier Hauptschichten, wobei das Stratum zellulare externum in Anlehnung an STERZI ( 1 9 0 5 ) in eine Zona externa und eine Zona interna unterteilt wird. E B B E S S O N et al. ( 1 9 6 8 ) übernehmen diese Fünfgliederung für Galeocerdo cuvier und Ginglymostoma cirratum. Hier wird allerdings das Schwergewicht auf den Verlauf der Tractus optici gelegt. Dasselbe Gliederungsschema wurde von SCHROEDER et al. ( 1 9 7 5 ) auf das Tectum opticum beim Ammenhai (Glinglymostoma cirratum) angewandt. Embryologische Studien rechtfertigen in der vorliegenden Untersuchung die Ramonsche Gliederung. In frühen Embryonalstadien bilden sich schön Schichten, die auf die von H U B E R & CROSBY (1933b)

Embryonalentwicklung des Gehirns von Scyliorhinus

zurückgreifende Stratifikationsbeschreibung des Tect u m opticum der Wirbeltiere, schließen läßt. Insbesondere erscheint es angebracht, die Dreiteilung in Stratum periventriculare, Stratum centrale und Strat u m superficiale auch auf Haie anzuwenden. Beim Neonatus zeigt sich eine detailiertere Schichtung, die bis zum ausdifferenzierten Zustand, vor allem im superfiziellen Bereich, noch evidenter wird. Weitere Untersuchungen über die Cytoarchitektur des optischen Tectum von Selachai wären für eine allgemeingültige Aussage notwendig. Es sei hier lediglich bemerkt, daß die Stratifikation im Tectum opticum von R a j a miraletus mit derjenigen von Scyliorhinus canicula sehr wohl vergleichbar ist. 3. Nucleus mesencephalicus

trigemini

Die Riesenzellen dieses Kerns, der sich über die ganze Länge des Tectums erstreckt, sind in einschichtiger Lage zu 2 — 6 Zellen nebeneinander in der Medianebene angeordnet. Sie liegen ventral der Commissura colliculi superioris nahe dem Ependym. Die paramedianen Zellen können dem Stratum griseum periventriculare zugeordnet werden; die in der Medianebene liegenden lassen nur wenigen Fasern der Zone 2 Platz, gehören jedoch zur selben Schicht wie die lateralen. Die dicken kräftig myelinisierten Axone ziehen in Zone 6 latero-kaudalwärts, verbleiben im Dorsalbereich bis zur Kreuzung der Nervi trochleares und ziehen ventral derselben in die Medulla oblongata. Die Differenzierung der mesencephalen Trigeminusneurone wird in E m 9 im rostralen Tectum durch vereinzelte Zellen evident. Diese bilden in E m i l eine dorsomediane Gruppe und werden mit E m l 3 eindeutig größer und in ihrer typischen Gestalt mit übergroßem Zellkern prominent. Auch sind die Axone myelinisiert und bis zur Decussatio nervi trochlearis festzustellen, wo sie ventralwärts auslaufen. Mit E m 2 3 werden die bis dahin mehrschichtig, sich in der Medianebene gruppierten Zellen, lateral verlagert und einschichtig angeordnet. Die Perikaryengröße erreicht mit Em26 die Ausmaße im adulten Gehirn, bleibt im kaudalen Abschnitt etwas retardiert, da die Differenzierung und die bilaterale Wanderung in rostro-kaudaler Richtung verläuft. Die frühembryonale Entwicklung des Nucleus mesencephalicus trigemini zeigt eindeutig dessen frühe Funktionsfähigkeit an, da auch die prominenten Axone ausgebildet sind. Abkürzungen Abkürzungen Aur. cer Cer.

Auriculum cerebellaris Cerebellum

Co. coll. sup. diff. Ze diff. Zo Em Epend. Hab. Hyp. Kap. Matr. mig. Ze Mit. Ze N. I I I N. IV N. V N. VI N. V I I N. V I I I N. I X PL chor. Pol. Ze Prol. Ze r. Fas. Str. periv. Str. centr. Str. superf. sub. G. Tee. Tel. Tr. marg. 1. Tr. marg. m. Tr. opt. Tr. tec.-bulb. Ventr. ZI— Z13

C. I.

343

Commissura colliculi superioris differenzierende Zellen Differenzierungszone Embryo Ependym Ganglion habenulare Hapophyse Blutkapillaren S t r a t u m matricis migrierende Zellen Mitosezellen Nervus oculomotorius Nervus trochlearis Nervus trigeminus Nervus abducens Nervus fascialis Nervus octavus Nervus glossopharyngeus Plexus chorioideus große Polygonalzellen Proliferationszone radiale Fasern S t r a t u m periventriculare S t r a t u m centrale S t r a t u m superficiale subzentrale Grenze Tectum opticum Telencephalon Tractus marginalis lateralis Tractus marginalis medialis Tractus opticus Tractus tecto-bulbaris Ventrikel Zonennummern im optischen Tectum nach P. R a m o n

Literatur et J . M E L L I N G E R : Mise en évidence de plusieurs phases distinctes dans la croissance embryonnaire de la rousette (Scullium canicula CUV.). Ann. d ' E m b r . et Morph. 4, 1 9 - 3 5 (1971).

ALLUCHON-GERARD, M. J.,

ARIENS

KAPPERS, C. U . ,

G. C. H U B E R

and

E . C. CROSBY:

The comparative a n a t o m y of t h e nervous system of vertebrates including man (Hafner, New York 1960). A R I E N S K A P P E R S , C . U . : Teleostean and selachian brain. Jour. comp. Neur. 16, 1 - 1 1 2 (1906). B E C C A R I , N.: Neurologia comparata anatomo-funzionale dei vertebrati, compreso l'uomo (Sansoni, Firenze 1943). B E R G Q U I S X , H. : Ontogenesis of diencephalic unclei in vertebrates. Lunds Universitets Arsskrift 50, 1—33 (1954). B U R C K H A R D T , R. : Das Zentralnervensystem der Selachier I. Teil: Acta Leopoldino-Carolinae nat. curios 73 (1907), II. Teil daselbst Bd. 94 (1911). E B B E S S O N , S. O . E . , and S. J . R A M S E Y : The optic tracts of two species of Sharks (Galeocerdo cuvier and Ginlymostoma cirratum). Brain Res. 8, 36 — 53 (1968). E B B E S S O N , S. O. E . : New insights into the organisation of the shark brain. Comp. Biochem. Physiol. 42 A, 121 to 129 (1972). E B B E S S O N , S. O. E., and C. B. G. C A M B P E L L : On the organisation of Cerebellar Efferent P a t h w a y s in the Nurse Shark (Gingly mo stoma cirratum) J. comp. Neur., 152, 2 3 3 - 2 5 4 (1973-1974).

344

Farner, H.-P.

H.-P.: Untersuchungen zur Embryonalentwicklung des Gehirns von Scyliorhinus canícula (L.) I. Teil. H A L L E R , B . : Vom Bau des Wirbeltier-Gehirns. I . Salmo und Scyllium. Morph. Jb. 26, 3 4 5 - 6 4 1 (1898). H U B E R , G. C . , and E. C . C R O S B Y : The reptilian optic tectum. J . comp. Neurol. 57, 57 — 163 (1933a). H U B E R , G. C . , and E. C . C R O S B Y : A phylogenetic consideration of the optic tectum. Proc. nat. Acad. Sei. 19, 15 — 22 (1933b). K A H L E , W . : Über die längszonale Gliederung des menschlichen Zwischenhirns. Pathophysiol. Dienceph. (Wien, 1958). K U H L E N B E C K , H . : The central nervous system of vertebrates, Vol 4 (Karger, Basel, New York 1975). K U P F F E R , K . VON : Die Morphogenie des Zentralnervensystems; in Hertwig Hb. der vergl. experiment. Entwicklungslehre der Wirbeltiere Vol. 2, Teil 3, 1 — 119 (Fischer, Jena 1906). K U S U N O K I , T . , Y. T S U D A and F. T A K A S H I M A : The chemoarchitectonics of the shark brain. J . Hirnforsch. 14, 1 3 - 2 6 (1973). L A U F E R , M., H. V A N E G A S and J . A M A T : The optic tectum of a perciform teleost. I General configuration and cytoarchitecture, II Fine structure, I I I Electron microscopy of degenerating retino-tectal offerents. J . comp. Neurol. 154, 4 3 - 1 1 5 (1974). M A R I N E L L I , W., und A. S T R E N G E R : Vergleichende Anatomie und Morphologie der Wirbeltiere, I I I . Lieferung, Superklasse Guathostomata, Chondrichthyes (Deuticke, Wien 1969). R A M O N , P . : Estructura del encefalo del camaleón. Rev. trimest. micrograf. 1, 46 — 82 (1896). SCAMMON, R. E . : The development of Squalus acanthias, FARNER,

in Normentafeln zur Entwicklungsgeschichte der Wirbeltiere Heft 12, Keibel, Jena 1911. S C H R O E D E R , D . M . , and S . O . E . E B B E S S O N : Nonolfactory telencephalic afferents in the Nurse shark (Ginglymostoma cirratum) Brain, Belav, evol. 9, 1 2 1 - 1 5 5 (1974). S C H R O E D E R , D. M., and S . O. E . E B B E S S O N : Cytoarchitecture of the optic tectum in the Nurse Shark. J . comp. Neurol. 160, 4 4 3 - 4 6 1 (1975). SENN, D. G.: Über das optische System im Gehirn squamater Reptilien. Acta anat., Suppl. 52/1 ad 65 (1966). SENN, D. G.: Bau und Ontogenese von Zwischen- und Mittelhirn bei Lacerta sicula (Rafinesque) Acta anat. Suppl. 55/1 ad 71, 1 - 1 5 0 (1968a). SENN, D. G.: Zur Ontogenese des Tectum opticum von Natrix matrix (L.) Acta anat. 76, 545 — 563 (1970). SENN, D. G.: The ontogenesis of the optic tectum of a frog. Acta anat. 82, 2 6 7 - 2 8 3 (1972). S E N N , D . G.: Notes on the amphibian and reptilian thalamus. Acta anat. 87, 5 5 5 - 5 9 6 (1974). STARK, D.: Embryologie, Stuttgart (1965). THALI, L.: Vergleichend morphologische und embryologische Untersuchungen am optischen Zentrum im Gehirn der Vögel. Diss. Basel 1972.

A dresse des A utors : Dr. H.-P.

FARNER

Zoologisches Institut der Universität Basel CH 4051 Basel, Rheinsprung 9

J. Hirnforsch. 19 (1978) 345-370

Aus der Abteilung für Neuroanatomie des Department Anatomie der Medizinischen Hochschule Hannover (Abteilungsvorsteher: Professor Dr. H . - J . KRETSCHMANN)

Qualitative und quantitative Untersuchungen des Corpus geniculatum laterale an einer ontogenetischen Reihe von männlichen Tupaia belangen'*12

Von Gerhard KIP Mit 22 Abbildungen und 4 Tabellen Eingegangen am 29. Juli 1977)

Zusammenfassung: In einer qualitativen lichtmikroskopischen Untersuchung werden die Cyto-, Fibrillo- und Myeloarchitektonik des Corpus geniculatum laterale nucl. dorsalis und nucl. ventralis bei männlichen Tupaia belangeri anhand einer ontogenetischen Reihe beschrieben. Die Reifungsabläufe zeigen eine Heterochronie, wobei sich der ventrale Kern früher als der dorsale Kern entwickelt. Eine quantitative Analyse des Frischvolumenwachstums der beiden Hirnregionen zeigt ebenfalls eine Heterochronie. E s treten zwei unterschiedliche Wachstumsverläufe auf. Das Corpus geniculatum laterale nucl. dorsalis zeigt einen überschießenden Wachstumsverlauf, der mit der Mehrkomponentenanalyse g(Ps+Ps'i)

y

1 + g(Pt+P.-!)

approximiert wird. Das Corpus geniculatum laterale nucl. ventralis zeigt einen monoton steigenden, S-förmigen Wachstumsverlauf, der mit der verallgemeinerten logistischen Wachstumsfunktion

y

=

1

Pi {p% + p, t + p, f + pt f)

e

approximiert wird. Eine Analyse des Frischvolumenwachstums der sechs Schichten des Corpus geniculatum laterale nucl. dorsalis ergibt eine Beteiligung aller Schichten am überschießenden Wachstumsverlauf.

Summary: The cyto-, fibrillo- and myeloarchitectonics of the dorsal and ventral lateral geniculate body are described in an ontogenetic series of male Tupaia belangeri using light microscopy. The qualitative maturational changes show a heterochronical development. The ventral nucleus is developing earlier than the dorsal nucleus. A quantitative analysis of the fresh volume growth of the two brain regions also shows a heterochronical development. Two different kinds of growth curves were found. The dorsal lateral geniculate body has an overshooting growth which is approximated by the 6-parametric growth function y =

1

(P, + P, t)

e

h 1 -f ¿(Ps+Ps'i)

The ventral lateral geniculate body shows a monotonously increasing s-shaped growth curve which is approximated by the generalized logistic growth function 1 + gCPi + Pai + P.-i'+Pfi 3 ) An analysis of the fresh volume growth of the six layers of the dorsal lateral geniculate body demonstrates all layers to take part in the overshooting growth type.

1 Thema und Leitung der Arbeit: Prof Dr H J K R E T S C H M A N N P r o f . D r . H . - J . KRETSCHMANN 2 Unterstützt' Unterstützt durch die D DE EU T S C H E F O R S C H U N G S -

GEMEINSCHAFT.

Einleitung Corpus geniculatum laterale ist wegen seiner Afferenzen aus dem Tr. opticus und seiner efferenten

Verbindungen über die Radiatio optica unmittelbar

346

Kip, G.

zwischen Retina und Area striata eingeschaltet und ist somit ein wichtiges subcorticales Zentrum des optischen Systems, von dem eine hohe Differenzierung bei Tupaia bekannt ist (CAMPBELL, 1966). Die Morphologie des Corpus geniculatum laterale ist von CLARK (1929, 1932) an Tupaia minor, von

L Fi

FEREMUTSCH (1.963) u n d ABLANALP ( 1 9 7 1 ) a n

F V =

Tupaia

glis beschrieben worden. Diese Autoren befassen sich ausschließlich mit adulten Tieren. Quantitative Volumenmessungen am Corpus geniculatum laterale liegen von STEPHAN (1969) an einer phylogenetischen Reihe von Prosimier- und Simierspezies und von SCHULZ (1967) an tag- und nachtaktiven Primaten vor. ELGETI et al. (1976) untersuchen das postnatale Wachstum des Corpus geniculatum laterale nucl. dorsalis der Katze. Eine Analyse des Frischvolumenwachstums in der Ontogenese des Corpus geniculatum laterale bei Tupaia gibt es bisher nicht. Die Aufgabe der vorliegenden Arbeit ist es, 1. Topographie und Abgrenzkriterien des Corpus geniculatum laterale zu benachbarten Kerngebieten zu untersuchen und seine Cytologie, seine Cyto-, Fibrillo- und Myeloarchitektonik im Verlauf der Ontogenese zu beschreiben sowie 2. quantitativ das Frischvolumenwachstum des Corpus geniculatum laterale nucl. dorsalis, seiner einzelnen Schichten und des Corpus geniculatum laterale nucl. ventralis zu untersuchen.

= Anzahl der planimetrierten Schnitte = Fläche des i-ten Schnittes in mm 2

berechnet. Das Frischvolumen der Hirnregion ergibt sich aus der Formel

Die Schrumpfungsfaktoren, die sich aus dem Quotienten aus Frischvolumen und planimetriertem Volumen der Gesamthirne

L

PV

=

PV

=

h

= Schrittweite (Abstand zwischen zwei planimetrierten Schnitten in mm)

Fi

berechnen,

wurden

von

JAKOB

und

RICHTER

(1976) übernommen. Nach der hier beschriebenen Methode werden die Frischvolumina vom Corpus geniculatum laterale nucl. dorsalis und nucl. ventralis auf beiden Seiten sowie von den einzelnen Schichten des Corpus geniculatum laterale nucl. dorsalis auf der linken Seite bestimmt. Auf Grund der planimetrischen Meßfehler ergibt die Addition der einzelnen Schichtenvolumina ein Summenvolumen, das von dem ermittelten Gesamtvolumen des dorsalen Kerngebietes geringgradig abweicht. Da der Wert des Gesamtvolumens als der genauere angesehen werden muß, wurden zur Korrektur die prozentualen Anteile der Einzelschichten am Summenvolumen ermittelt und anschließend auf das Gesamtvolumen bezogen. Zum Vergleich der Frischvolumina der rechten und linken Seite kommt der WILCOXON-Test zur Anwendung. Das Frischvolumenwachstum kann bei monoton steigendem, S-förmigem Datenverlauf mit der verallgemeinerten logistischen Wachstumsfunktion

P,

i

(3)

(i>2 + iY