Невруляция - Neurulation
| Невруляция | |
|---|---|
 Поперечные срезы, которые показывают продвижение нервной пластинки к нервной борозде снизу вверх.
| |
| Идентификаторы | |
| MeSH | D054261 |
| Анатомическая терминология | |
Нейруляция относится к процессу сворачивания эмбрионов позвоночных , который включает преобразование нервной пластинки в нервную трубку . Эмбрион на этой стадии называется нейрулой .
Процесс начинается, когда хорда вызывает формирование центральной нервной системы (ЦНС), сигнализируя зародышевому слою эктодермы над ней, чтобы сформировать толстую и плоскую нервную пластинку . Нервная пластинка складывается сама по себе, образуя нервную трубку , которая позже дифференцируется на спинной и головной мозг , в конечном итоге формируя центральную нервную систему. Компьютерное моделирование показало, что расклинивание клеток и дифференциальная пролиферация достаточны для нейруляции млекопитающих.
Различные части нервной трубки формируются двумя разными процессами, называемыми первичной и вторичной нейруляцией, у разных видов.
- При первичной нейруляции нервная пластинка сгибается внутрь, пока края не соприкоснутся и не срастутся.
- При вторичной нейруляции трубка формируется путем выхода изнутри твердого предшественника.
Первичная нейруляция
Первичная нейронная индукция
Концепция индукции возникла в работе Pandor в 1817 Первые эксперименты , доказывающие индукцию были приписаны Виктором Гамбургером независимых открытий как Шпеман Германии в 1901 году и Уоррен Льюис США в 1904. Это был Шпеман который первый популяризировал Термин «первичная нервная индукция» относится к первой дифференцировке эктодермы в нервную ткань во время нейруляции. Это было названо «первичным», потому что считалось первым индукционным событием в эмбриогенезе. Эксперимент, удостоенный Нобелевской премии, был проведен его ученицей Хильдой Мангольд . Эктодерма из области дорсальной губы бластопора развивающегося эмбриона саламандры была трансплантирована в другой эмбрион, и эта ткань «организатор» «индуцировала» образование полной вторичной оси, изменяя окружающую ткань в исходном эмбрионе с эктодермальной ткани на нервную ткань. Поэтому ткань донорского эмбриона называли индуктором, потому что она вызывала изменение. Важно отметить, что хотя организатором является дорсальная губа бластопора, это не один набор клеток, а скорее постоянно меняющаяся группа клеток, которые мигрируют по дорсальной губе бластопора, образуя апикально суженные бутылочные клетки. В любой момент времени во время гаструляции организатором будут разные клетки.
Последующая работа ученых ХХ века над индукторами показала, что индуктором может выступать не только дорсальная губа бластопора, но и огромное количество других, казалось бы, не связанных между собой предметов. Это началось, когда Йоханнес Хольтфретер обнаружил, что вареная эктодерма все еще может вызывать . Такие разнообразные предметы, как низкий pH, циклический АМФ, даже пыль с пола, могут действовать как индукторы, вызывающие сильное беспокойство. Даже ткань, которая не могла образоваться при жизни, могла образоваться при кипячении. Другие предметы, такие как сало, воск, банановая кожура и свернувшаяся кровь лягушки, не вызывали. Молекула-индуктор на химической основе была занята молекулярными биологами, занимающимися вопросами развития, и обширная литература, посвященная объектам, обладающим индукторными способностями, продолжала расти. Совсем недавно молекула-индуктор была приписана генам, а в 1995 году прозвучал призыв к каталогизации всех генов, участвующих в первичной нейронной индукции, и всех их взаимодействий, чтобы определить «молекулярную природу организатора Спемана». Некоторые другие белки и факторы роста также использоваться в качестве индукторов , включая растворимые факторы роста , такие как костный морфогенетический белок , а также требование для «ингибирующих сигналов» , таких как башке и фоллистатин .
Еще до того, как термин индукция был популяризирован, несколько авторов, начиная с Ганса Дриша в 1894 году, предположили, что первичная нервная индукция может иметь механическую природу. Основанная на механохимии модель первичной нервной индукции была предложена в 1985 году Brodland & Gordon . Было показано, что реальная физическая волна сокращения происходит из точного местоположения организатора Спемана, который затем пересекает предполагаемый нервный эпителий, и полная рабочая модель того, как первичная нервная индукция была предложена в 2006 году. поле, чтобы рассмотреть возможность того, что первичная нейронная индукция может быть инициирована механическими воздействиями. Полное объяснение первичной нейронной индукции еще предстоит найти.
Изменение формы
Поскольку нейруляция продолжается после индукции, клетки нервной пластинки становятся высокостолбчатыми и могут быть идентифицированы с помощью микроскопии как отличные от окружающей презумптивной эпителиальной эктодермы ( эпибластической энтодермы у амниот). Клетки перемещаются в стороны и от центральной оси и принимают форму усеченной пирамиды. Эта форма пирамиды достигается за счет тубулина и актина в апикальной части клетки, которая сужается при движении. Изменение формы клеток частично определяется расположением ядра внутри клетки, вызывая выпуклость в областях клеток, что приводит к изменению высоты и формы клетки. Этот процесс известен как апикальное сужение . В результате дифференцирующаяся нервная пластинка уплощается, что особенно заметно у саламандр, когда ранее округлая гаструла превращается в округлый шар с плоской вершиной. См. Нервную пластину
Складной
Процесс складывания плоской нервной пластинки в цилиндрическую нервную трубку называется первичной нейруляцией . В результате изменения клеточной формы нервная пластинка образует медиальную точку шарнира (MHP). Расширяющийся эпидермис оказывает давление на MHP и заставляет нервную пластинку складываться, что приводит к нервным складкам и образованию нервной борозды . Нервные складки образуют дорсолатеральные шарнирные точки (DLHP), и давление на этот шарнир заставляет нервные складки встречаться и сливаться по средней линии. Слияние требует регуляции молекул клеточной адгезии. Нервная пластинка переключается с экспрессии E-кадгерина на экспрессию N-кадгерина и N-CAM, чтобы распознавать друг друга как одну и ту же ткань и закрывать трубку. Это изменение экспрессии останавливает связывание нервной трубки с эпидермисом. Складывание нервной пластинки - сложный этап.
Хорда играет важную роль в развитии нервной трубки. Перед нейруляцией, во время миграции клеток эпибластной энтодермы к гипобластической энтодерме, хордовый отросток открывается в дугу, называемую хордовой пластинкой, и прикрепляется к нейроэпителию нервной пластинки. Затем хордальная пластинка служит якорем для нервной пластинки и толкает два края пластинки вверх, удерживая при этом среднюю часть. Некоторые из нотходральных клеток включаются в центральную часть нервной пластинки, чтобы позже сформировать пластинку дна нервной трубки. Пластина хорды отделяется и образует твердую хорду.
Сворачивание нервной трубки в настоящую трубку не происходит сразу. Вместо этого он начинается примерно на уровне четвертого сомита на стадии 9 Карнеги (около 20-го дня эмбриона у человека ). Боковые края нервной пластинки соприкасаются по средней линии и соединяются вместе. Это продолжается как краниально (к голове), так и каудально (к хвосту). Отверстия, которые образуются в краниальной и каудальной областях, называются краниальными и каудальными нейропорами . У человеческих эмбрионов краниальные нейропоры закрываются примерно на 24 день, а каудальные нейропоры - на 28 день. Неспособность закрытия краниальных (верхних) и каудальных (нижних) нейропор приводит к состояниям, называемым анэнцефалией и расщелиной позвоночника , соответственно. Кроме того, неспособность нервной трубки закрыться по всей длине тела приводит к состоянию, называемому рахишизисом .
Узор
Согласно модели французского флага, где стадии развития управляются градиентами генных продуктов, несколько генов считаются важными для индукции паттернов в открытой нервной пластинке, особенно для развития нейрогенных плакод . Эти плакоды впервые становятся очевидными гистологически в открытой нервной пластинке. После того, как передача сигналов sonic hedgehog (SHH) от хорды индуцирует его образование, нижняя пластинка зарождающейся нервной трубки также секретирует SHH. После закрытия нервная трубка образует базальную или нижнюю пластину и крышу или крыловую пластину в ответ на комбинированные эффекты SHH и факторов, включая BMP4, секретируемые кровельной пластиной. Базальная пластинка образует большую часть вентральной части нервной системы, включая двигательную часть спинного мозга и ствол головного мозга; пластинка крыльев формирует спинные части, предназначенные в основном для сенсорной обработки.
Дорсальный эпидермис экспрессирует BMP4 и BMP7 . Верхняя пластинка нервной трубки реагирует на эти сигналы экспрессией большего количества сигналов BMP4 и другого трансформирующего фактора роста бета (TGF-β) с образованием дорсального / вентрального градиента между нервной трубкой. Нотохорд выражает SHH. Плита пола реагирует на SHH, создавая свою собственную SHH и образуя градиент. Эти градиенты учитывают дифференциальную экспрессию факторов транскрипции.
Сложности модели
Закрытие нервной трубки до конца не изучено. Закрытие нервной трубки зависит от вида. У млекопитающих закрытие происходит путем встречи в нескольких точках, которые затем закрываются вверх и вниз. У птиц закрытие нервной трубки начинается в одной точке среднего мозга и движется вперед и назад.
Вторичная нейруляция
Первичная нейруляция перерастает во вторичную нейруляцию, когда каудальные нейропоры окончательно закрываются. Полость спинного мозга переходит в нервный канатик. При вторичной нейруляции нервная эктодерма и некоторые клетки энтодермы образуют костномозговой канатик . Медуллярный шнур уплотняется, отделяется и затем образует полости. Затем эти полости сливаются, образуя единую трубку. Вторичная нейруляция происходит в заднем отделе у большинства животных, но у птиц она лучше выражена. Трубки первичной и вторичной нейруляции в конечном итоге соединяются примерно на шестой неделе развития.
У людей механизмы вторичной нейруляции играют важную роль, учитывая их влияние на правильное формирование заднего спинного мозга человека. Ошибки на любом этапе процесса могут привести к проблемам. Например, задержка спинного мозга возникает из-за частичной или полной остановки вторичной нейруляции, которая создает нефункциональную часть на рудиментарном конце.
Раннее развитие мозга
Передняя часть нервной трубки образует три основные части мозга: при регистрации переднего мозга ( передний мозг ), средний мозг ( мезенцефалон ) и задний мозг ( ромбовидный ). Эти структуры первоначально появляются сразу после закрытия нервной трубки в виде выпуклостей, называемых мозговыми пузырьками, в соответствии с паттерном, определяемым передне-задними генами формирования паттерна, включая гены Hox , другие факторы транскрипции, такие как гены Emx, Otx и Pax, и секретируемые сигнальные факторы, такие как рост фибробластов. факторы (FGFs) и Wnts . Эти мозговые пузырьки далее делятся на субрегионы. Передний мозг приводит к телэнцефалону и диэнцефалону , а ромбовидный генерирует задний мозг и продолговатый мозг . Задний мозг, который является эволюционно наиболее древней частью хордового мозга, также делится на различные сегменты, называемые ромбомерами . Ромбомеры генерируют многие из наиболее важных нервных цепей, необходимых для жизни, в том числе те, которые контролируют дыхание и частоту сердечных сокращений, а также производят большую часть черепных нервов . Клетки нервного гребня образуют ганглии над каждым ромбомером. Ранняя нервная трубка в основном состоит из зародышевого нейроэпителия , позже названного желудочковой зоной , который содержит первичные нервные стволовые клетки, называемые радиальными глиальными клетками, и служит основным источником нейронов, образующихся в процессе развития мозга в процессе нейрогенеза .
Неневральная ткань эктодермы
Параксиальная мезодерма, окружающая хорду по бокам, разовьется в сомиты (будущие мышцы, кости и способствует формированию конечностей позвоночного ).
Клетки нервного гребня
Масса ткани, называемая нервным гребнем, которая расположена на самых краях боковых пластинок складывающейся нервной трубки, отделяется от нервной трубки и мигрирует, чтобы стать множеством различных, но важных клеток.
Клетки нервного гребня будут мигрировать через эмбрион и давать начало нескольким популяциям клеток, включая пигментные клетки и клетки периферической нервной системы.
Дефекты нервной трубки
Нарушение нейруляции, особенно нарушение закрытия нервной трубки, являются одними из наиболее распространенных и приводящих к инвалидности врожденных дефектов у людей, которые встречаются примерно у 1 из каждых 500 живорождений. Неспособность закрыться ростральным концом нервной трубки приводит к анэнцефалии или отсутствию развития мозга и чаще всего приводит к летальному исходу. Неспособность закрыть хвостовой конец нервной трубки вызывает состояние, известное как расщепление позвоночника , при котором спинной мозг не закрывается.
Смотрите также
использованная литература
дальнейшее чтение
- Almeida, Karla L .; и другие. (2010). «Нейронная индукция» . В Хеннинге, Ульрихе (ред.). Перспективы стволовых клеток: от инструментов для изучения механизмов дифференцировки нейронов к терапии . Springer. ISBN 978-90-481-3374-1.
- Basch, Martín L .; Боннер-Фрейзер, Марианна (2006). «Сигналы, индуцирующие нервный гребень» . В Сен-Женне, Жан-Пьер (ред.). Индукция и дифференцировка нервного гребня . Springer. ISBN 978-0-387-35136-0.
- Харланд, Ричард М. (1997). «Нейронная индукция у Xenopus » . В Cowan, W. Maxwell (ред.). Молекулярные и клеточные подходы к нервному развитию . Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-511166-8.
- Ladher, Raj; Schoenwolf, Гэри С. (2004). «Изготовление нервной трубки» . В Якобсоне, Маркус; Рао, Махендра С. (ред.). Возрастная нейробиология . Springer. ISBN 978-0-306-48330-1.
- Тиан, Цзин; Сампатх, Каруна (2004). «Формирование и функции плиты перекрытия». В Гун, Чжиюань; Корж, Владимир (ред.). Развитие и генетика рыб: модели рыбок данио и медака . World Scientific. С. 123 , 139–140 . ISBN 978-981-238-821-6.
- Чжан, Су-Чун (2005). «Нейронная спецификация из человеческих эмбриональных стволовых клеток» . In Odorico, John S .; и другие. (ред.). Эмбриональные стволовые клетки человека . Наука о гирляндах. ISBN 978-1-85996-278-7.