Розвиток нервової системи
Розвиток нервової системи
Нервові клітини набувають свої унікальні властивості і утворюють чітко організовані і навдивовижу точні синаптичні зв'язку під час розвитку під впливом генетичних факторів і факторів середовища. Такими факторами є: походження клітин; індукційні та трофічні взаємодії між клітинами; мітки, завдяки яким здійснюються міграція і зростання аксонів; специфічні маркери, за допомогою яких клітини пізнають один одного, а також постійна реорганізація зв'язків залежно від активності клітини.
Розвиток нервової системи хребетних починається з формування нервової пластинки з дорзальной ектодерми. Нервова пластинка потім згортається, формуючи нервову трубку і нервовий гребінь. Нейрони і гліальні клітини в ЦНС утворюються в результаті поділу клітин-попередників вентрікулярной зони нервової трубки. Постмітотіческіе нейрони мігрують від вентрікулярной поверхні нервової трубки і утворюють сіра речовина НС дорослих хребетних. У межах кожної з областей в розвивається нервовій системі доля клітин в значній мірі залежить від їх розташування. Нещодавно з'явилася можливість встановити механізми розвитку мозку на молекулярному рівні, що дозволило пояснити такі механізми, як рострокаудальний і дорзовентральний патерни розвитку, які до цього були описані тільки феноменологічна, без будь-яких ідей про механізми. Наприклад, експресія серії гомеобоксних генів вздовж рострокаудальной осі сприяє диференціювання сегментів заднього мозку; дорзовентральний патерн визначається почасти градієнтом протеїну, відомого як Sonic hedgehog.
Клітини нервового гребеня утворюють периферичну нервову систему. Фенотип, в який диференціюються клітини нервового гребеня, визначається сигналами, які надходять від сусідніх клітин. Таким чином, якщо клітини нервового гребеня були пересаджені в ранньому віці, вони будуть диференціюватися у відповідності зі своїм новим розташуванням.
Для встановлення синаптичних контактів зі своїми мішенями, нейрони утворюють аксони, які мають на кінцях конуси росту, якими вони досліджують навколишній простір. Було ідентифіковано два класи молекул, що грають важливу роль в просуванні конусів росту: молекули клітинної адгезії надродини імуноглобулінів і молекули адгезії позаклітинного матриксу. Навігація конуса росту контролюється за допомогою атрактантів та репелентів, що діють на коротких і довгих дистанціях. Хемоаттрактанти управляють зростанням аксона або до кінцевої, або до проміжної мети, наприклад до клітини-орієнтиру (guidepost cell). Хеморепелленти не допускають вторгнення аксонів до певних «несприятливі» зони. Проекції аксонів під час розвитку найчастіше більш сильно розвинені, ніж такі в дорослих, у яких здійснюється усікання зв'язків на основі механізмів, пов'язаних з активністю і трофічними факторами.
Функціональні синаптичні контакти формуються швидко, однак спочатку вони не мають характерної спеціалізації, властивої синапсах дорослих. Тільки після декількох тижнів синапси дозрівають і набувають властивостей синапсів дорослих.
Характерною рисою розвитку центральної нервової системи всіх хребетних є початкове утворення надмірної кількості нейронів, частина з яких надалі гине. Загибель нейронів регулюється за допомогою конкуренції за трофічні фактори. Фактор росту нерва є представником сімейства протеїнів (нейротрофінів, neurotrophins), які здатні підтримувати активність певних популяцій нейронів.
Упорядкованість зв'язків, утворених нервовими клітинами між собою, а також між ними та іншими тканинами на периферії є однією з умов для нормального функціонування нервової системи. Для створення такої точної нервової архітектури під час розвитку необхідно, щоб сформувалися нейрони певних типів у необхідній кількості і в суворо визначених місцях нервової системи, які потім повинні утворити зв'язку зі своїми унікальними клітинами-мішенями. спинномозгового ганглия послал свой аксон к определенному месту в области мышечного веретена, а другой аксон, идущий в ЦНС, должен образовать синаптический контакт исключительно с тем мотонейроном, который иннервирует мышцу, где находится это мышечное веретено.
Наприклад, щоб працював рефлекс розтягування, необхідно, щоб аферентних сенсорний нейрон типу I a спинномозкового ганглія послав свій аксон до певного місця в області м'язового веретена, а інший аксон, що йде в ЦНС, повинен утворити синаптичний контакт виключно з тим мотонейронів, який іннервує м'яз, де знаходиться це м'язове веретено. Інші гілочки цього центрального аксона закінчуються на спінальних інтернейронах або йдуть у дорзальний стовпи для іннервації клітин, розташованих в ядрах спинного мозку. Крім того, кількість сенсорних і моторних нейронів має знаходитися в певному співвідношенні залежно від розмірів м'язи і кількості м'язових веретен, які цей м'яз містить.Великий спектр питань виникає при розгляді даного прикладу. Яким чином клітини диференціюються в нейрони або клітини глії? За якими мітках слід нейрон, мігруючи до свого місця розташування? Які клітинні механізми дозволяють нейрону направляти свій аксон строго до певної мети, однією з Міріада можливих, щоб утворити на ній синапс? У пошуку відповідей на ці питання ми згадуємо, що в нервовій системі є 1010-1012 нервових клітин, химерно пов'язаних один з одним, при цьому кількість генів, які можуть визначати цю структуру, складає всього 105 або близько того. Більш того, ЦНС демонструє велику гнучкість під час критичних періодів розвитку і навіть у дорослих, у яких утворюються нові синапси, а старі або змінюють свої властивості, або просто зникають, - і все це як результат зміни активності клітин.
Спектр проблем, що відносяться до розвитку, освіти синапсів, нервової специфічності і зміни властивостей зв'язків, настільки широкий, що дати їх повний огляд не представляється можливим. Багато аспектів цього вже докладно висвітлено в інших посібниках. У цьому розділі ми здійснимо короткий екскурс в нейроембріологію і опишемо окремі експериментальні підходи до питань розвитку нервової системи. Теми будуть висвітлюватися нами в тому порядку, як відбувається процес розвитку НС: починаючи з нейроектодерми та раннього морфогенезу нервової системи, потім ми розглянемо регіональну специфікацію нервової тканини і фактори, які визначають ідентифікацію окремих нейронів і клітин глії, і в кінці ми поговоримо про механізми росту аксонів, іннервації ними певної мети, освіті синапсів, а також про роль чинників зростання і конкуренції в остаточному формуванні нервової системи.
Термінологія
Основна термінологічна проблема виникає при вивченні розвитку на молекулярному рівні. В останні роки описується все більше і більше молекул, для яких відомий механізм їх дії. Сюди відносяться також білки і гени, важливі для виживання клітини, її росту і диференціювання, для формування аксона і його навігації, для утворення синапсу і управління його властивостями. также к бесконечному числу сокращений, типа "N-CAM", "BDNF" и "Elf-2", ни одно из которых непосредственно не говорит о функции того или иного агента.
Для того, щоб ще більше ускладнити ситуацію, більшість цих білків та генів отримали своєрідні імена, пов'язані з історією їх відкриття або завдяки вигадці їх першовідкривачів в лабо повинен був познайомитися з таким чужорідним поняттям, як «уповільнене випрямлення» (delayed rectification) з нашої дискусії про передачу сигналу, зараз змушений звикати до серії нових незвичайних назв, таких як "Sonic hedgehog" («звучний їжачок») і ефрін ("Ephrin"), a також до нескінченного числа скорочень, типу "N-CAM", "BDNF" і "Elf-2", жодне з яких безпосередньо не говорить про функції того чи іншого агента. Ми постаралися представити тут мінімальна кількість генів і білків і, де можливо, використовувати їх повні імена.Генетичні підходи до розуміння процесу розвитку
Основні досягнення останніх років призвели до значного стрибка в нашому розумінні молекулярних механізмів тих процесів і явищ, які раніше були тільки констатовано. Першим досягненням є розробка нових молекулярних біотехнологій для контролю і управління експресією генів. Другим є відкриття механізмів і молекул, які керують розвитком нервової системи дивно подібним чином у різних тварин. Наприклад, як ми вже згадували в главі 1, гени, які керують розвитком очі в розвивається курчати, мишеняти або людини дуже подібні з генами, що визначають формування ока дрозофіли. Таким чином, гени, що визначають розвиток дрозофіли, грибів-дріжджів і нематод (C.elegans), часто мають гомологів серед генів, що визначають розвиток хребетних. Третім досягненням є використання смугастої коралової риби (zebra fish, офіційна російська назва «смугастий даніо», Brachydanio rerio), вперше запропонованої Страйзінгером, як особливо вдалого об'єкта для вивчення розвитку хребетних. Ембріон смугастого даніо прозорий, що дозволяє безпосередньо спостерігати за окремими клітинами під час ембріогенезу, який біля даніо відбувається досить швидко. Найбільш важливим є те, що були розроблені прийоми, за допомогою яких у даніо можуть бути викликані, контрольовані і підтримані на певному рівні спрямовані мутації, що відкриває дорогу до виявлення важливих генів хребетних, які можуть мати гомологів у деяких видів більш просто влаштованих безхребетних.
Розвиток нервової системи в ранньому періоді
У ранньому періоді морфогенезу хребетних область гаструли, з якої в подальшому формується нервова система, являє собою просту смужку ектодерми (рис. 1). Клітини цієї смужки знаходяться під впливом факторів росту (включаючи два білки з сімейства кісткових морфогенетичних білків, ВМР-2 і ВМР-4), які пригнічують нервову диференціювання і призводять до розвитку епідермальної тканини. Потім з особливого «організаційного» регіону гаструли, названого Шпемановскім організаційним центром (Spemann organizer, в яйцях амфібій) або Гензеновскім вузликом (Hensen's node, у ембріонів курчати і ссавців), відбувається виділення вільно дифундують білків, які блокують дію цих чинників зростання. Ці білки (відомі як фоллістатін (follistatin), ноггін (noggin) і хордін (chordin)) активують сигнальні каскади в клітинах, розташованих поряд з організаційним центром, що призводить до диференціювання клітин в нейрони і формування ванию нервової пластинки. Нервова пластинка являє собою смужки довгастих нейроектодермальні клітин, з яких у подальшому буде сформована нервова система.
Рис. 1. Ранній морфогенез в ембріоні хребетного. Вид ззаду на розвивається ембріон курчати в перший день життя. (А) 5-6 ч.: освіта та подовження первинної смужки (У) 15-16 ч.: освіта первинного жолобка і Гензеновского вузлика. (С) 19-22 ч.: освіта головного відростка і нервової пластинки. (D) 23-24 ч.: освіта нервового валика, хорди і мезодермальних сомітов.
Рис. 2. Освіта нервової трубки в ембріоні курчати. (А) Діаграма нейруляции (В-Е) Мікрофотограмми утворення нервової трубки, зроблені за допомогою скануючого електронного мікроскопа. (В) Нервова пластинка, утворена довгастими клітинами в дорзальной області ектодерми. (С) Нервовий жолобок, утворений довгастими неірозпітеліальнимі клітинами і оточений мезенхімальних клітинами. (D) Нервові валики, вкриті сплощеними зпідермальнимі клітинами. (Е) Нервова трубка, покрита епідермісом з розташованими по обидва боки сомітамі і хордою внизу.
Рис. 3. Ранній період розвитку головного мозку людини. Вид збоку на мозок і схематичний горизонтальний зріз через бульбашки. (А) На 4 тижні розвитку ЦНС людини складається з трьох первинних бульбашок. (В) До 6 тижні розвитку можна розрізнити п'ять вторинних бульбашок. (С) У віці 2 місяців серії складок, звужень і потовщень утворюють різні області мозку. Подальший розвиток характеризується переважним зростанням кінцевого мозку у формі літери «С» (показано стрілками).
Нервова пластинка потім товщає по своєму краю, краю її піднімають, утворюючи нервові валики, які зливаються один з одним по середній лінії, утворюючи порожню нервову трубку (рис. 2). Процес, завдяки якому здійснюється формування нервової пластинки і перетворення її в нервову трубку, називається нейруляции Деякі з клітин, розташовані по краях нервових валиків, залишаються між нервової трубкою і вищерозміщеної ектодерми. Ці клітини формують нервовий гребінь. Клітини нервового гребеня мігрують у напрямку від нервової трубки і утворюють велику різноманітність периферичних тканин, в тому числі нейрони і клітини-супутники в сенсорній, симпатичної і парасимпатичної нервової системи, клітини наднирника, пігментні клітини епідермісу, кістки і сполучні тканини в області голови.
У міру розвитку в передній (головний чи ростральної) частини нервової трубки формується серія потовщень, звужень і вигинів, утворюють окремі анатомічні області мозку (рис. 3). Каудальная частина нервової трубки залишається відносно простий за будовою, зберігаючи вигляд порожнистої трубки, і в подальшому на її основі формується спинний мозок.
Освіта попередників нервових клітин і глії
Стінка нервової трубки спочатку складається з одного шару швидко діляться клітин. Кожна клітина простирається від порожнинного, вентрикулярного краю до зовнішньої, пиальной поверхні. У міру того, як кожна клітина проходить свій клітинний цикл, її ядро мігрує вгору і вниз від вентрікулярной (шлуночкової) до пиальной поверхні (рис. 4А). Синтез ДНК відбувається в той час, коли ядро розташоване біля пиальной поверхні; під час поділу клітини (cytokinesis) ядро лежить у вентрікулярной поверхні і на деякий час клітина втрачає зв'язок з пиальной поверхнею. Після поділу одна або обидві дочірні клітини можуть втратити контакт з вентрікулярной поверхнею і мігрувати вгору. Цей момент є переломним: вони перетворюються або в нейрони, або в клітини глії. Якщо вони мігрують у напрямку від вентрікулярной зони, більшості цих клітин судилося стати нейронами в постмітотіческой фазі (тобто вони вже ніколи не зможуть ділитися. Попередники гліальних клітин, з іншого боку, можуть ділитися навіть після досягнення свого остаточного місця розташування.
У міру того, як все більше і більше формується постмітотіческіх клітин, нервова трубка товщає і набуває тришарове будову: найбільш глибоко розташована вентрнкулярная зона (де триває поділ клітин), потім середня зона у вигляді мантії (плащова зона), де знаходяться тіла мігруючих нейронів, а також поверхневий крайової (маргінальний) шар, що складається з відростків більш глибоко розташованих клітин (рис. 4В). Така тришарова структура зберігається в спинному і довгастому мозку (рис. 4С). В інших областях, таких як кора великих півкуль і мозочок, деякі нейрони мігрують в крайову зону і формують корковую платівку, яка після цього дозріває і формує доросле кору.
Міграція нейронів у ЦНС
У багатьох областях мозку, що розвивається, наприклад в корі півкуль і мозочку, міграція нейронів залежить від радіально розташованих гліальних клітин. Ці клітини підтримують контакти з вентрікулярной і пиальной поверхнями нервової трубки. У міру потовщення нервової трубки через тривале поділу клітин в області вентрикулярного шару та накопичення нейронів у проміжній зоні мантії і кортикальної пластинки, радіальні клітини глії значно подовжуються. За допомогою детального вивчення розвитку мозочка та кори методами світлової та електронної мікроскопії Ракича з колегами показали, що нейрони рухаються по «етажерці» з радіально розташованих клітин глії для того, щоб досягти свого правильного розташування в корі. Спостереження за мутантними мишами і досліди на клітинах, вирощених в культурі підтвердили дане спостереженні про міграції нейронів. Зараз починають описуватися білки, керуючі подібної міграцією нейронів. Вони являють собою нейрональний глікопротеїн, відомий як астротактін (astrotactin) і ізоформи сімейства рецепторів інтегринів до молекул адгезії екстрацелюлярного матриксу (про що ми поговоримо нижче).
Нейрони здатні мігрувати також і в напрямку тих областей нервової системи, де немає радіально розташованих гліальних клітин. Одна цікава популяція нейронів, експрессіруюшіх гормони гонадотропіну (gonadotropin-releasing hormone (GnRH)), мігрує з периферії в ЦНС. GnRH клітини проходять відстань близько 2 мм, мігруючи з області нюхової ямки, ектодермальне похідне (плакода) якої також утворює епітелій носа, в область гіпоталамуса по шляху попередньо спроецированного туди аксона.
Білки адгезії позаклітинного матриксу і міграція клітин нервового гребеня
У периферичної нервової системі клітини нервового гребеня не мігрують по коліях попередньо спроецированного аксона або уздовж структур гліальних клітин. Їх міграція управляється механізмами залучення і відштовхування при контакті з поверхнею клітин і компонентами позаклітинного матриксу. Два білка адгезії позаклітинного матриксу, ламінін (laminin) і фібронектину (fibronectin), концентруються уздовж шляхів міграції клітин нервового гребеня у ембріона. Агенти, які пригнічують взаємодію між рецепторами інтегринів і компонентами позаклітинного матриксу, блокують переміщення in vitro клітин нервового гребеня уздовж поверхні, покритої молекулами адгезії позаклітинного матриксу, а також міграцію in vivo клітин нервового гребеня. Інший білок позаклітинного матриксу, Ф-спондін (F-spondin), експресується в областях, що межують з маршрутами міграції клітин нервового гребеня. Він інгібує переміщення клітин гребеня, таким чином спрямовуючи їх на правильний шлях
Рис. 4. Диференціація клітин стінок нервової трубки. (А) Розташування ядер в клітинах в первинній нервової трубці в залежності від стадії клітинного циклу. (В) Клітини, стаючи постмітотіческімі, мігрують геть від вентрікулярной зони і утворюють плащові зону. Їх відростки направляються в крайову зону. (С) Тришарова організація зберігається в спинному мозку. У мозочку і головному мозку нейрони мігрують в крайову зону і утворюють там багатошарову кору.
Література
1. r shavsky, Y. I ., Deliagina, Т . О ., and Orlo v sky, G. N.
A r shavsky, Y. I., Deliagina, Т. О., And Orlo v sky, G. N. 1997. Cu i r. О / ни . Ne uro -bi ol . 7: 781-789. Pattern generation. Cu i r. О / ні. Ne uro-bi ol. 7: 781-789.2. 1 989.
Asanuma, H. 1989. The Motor Cortex. Raven, New York.3. r gopoulos, AP 1994.
Geo r gopoulos, AP 1994. New concepts in generation of movement. Neuron 13: 257-268.4. Getting, PA 1989. Emerging principles governing the operation of neural networks. a .
Ann a. Rev. Neurosci. 12: 185-204.5. h n, O., et al.
Kie h n, O., et al. 1998. (Eds.) 1998. urona l Mechanisms for Generating Lo co m otor Activity (Annals of the New York Academy of Sciences, Ne urona l Mechanisms for Generating Lo co m otor Activity (Annals of the New York Academy of Sciences,