1. Первичная эмбриональная индукция (отсылка к теме по эмбриологии)

Морфогены — это секретируемые сигнальные молекулы, которые регулируют формирование ткани и идентичность клеток на ранних этапах эмбрионального развития.

Морфогены для нейрогенной дифференцировки.

Для нейрогенной дифференцировки важны следующие морфогены:

• SHH (sonic hedgehog). Направляет дифференцировку нейральных стволовых клеток и регулирует развитие вентральных отделов нервной трубки.
• BMP4 контролирует дорсальную часть нервной трубки (крыловидную пластинку).
• Другие ростовые и транскрипционные факторы:
• Pax 3, 4, 6;
• FGF8 (фактор роста фибробластов);
• GDNF (глиальный нейротрофический фактор);
• BDNF, NT3 (факторы семейства нейротрофинов).

 2. Стадии нейрогенеза

Источником для формирования структур нервной системы служит дорсальная эктодерма. Этапы дифференцировки: нервная пластинка, нервный желобок и нервные валики, нервная трубка. Нейруляция начинается в конце 3-й недели и полностью завершается к концу 4-й недели. Вскоре после образования нервной пластинки (приблизительно на 18-е сутки) образуется нервный желобок и нервные валики. По мере смыкания краев нервных валиков по срединной линии формируется замкнутая нервная трубка. На краниальном и каудальном конце нервная трубка остается незамкнутой. Эти участки называют нейропорами. Передний нейропор закрывается на 23–26 сутки, а задний – на 26–30 сутки.

 3. Нервная трубка — зачаток центральной нервной системы (ЦНС) у хордовых, образующийся в процессе нейруляции из нервной пластинки.

Нервная трубка содержит (изнутри кнаружи):

1. внутреннюю пограничную мембрану
2. эпендимный слой, включает нейральные стволовые (матричные) клетки — источник почти всех клеток ЦНС
3. плащевой (мантийный) слой, содержит мигрирующие, пролиферирующие клетки, выселяющиеся из эпендимного слоя
4. краевую вуаль (наружная краевая зона) представлена отростками нейронов плащевого слоя
5. наружную пограничную мембрану.

В ходе развития нервной трубки выделяют следующие зоны (снаружи внутрь): кортикальная пластинка, промежуточная зона, наружная субвентрикулярная зона, внутренняя субвентрикулярная зона, желудочковая зона.

В центре нервной трубки находится первичный желудочек.

Из нервной трубки развиваются следующие отделы ЦНС: передний, средний, задний и спинной мозг.

 

Гомейозисные гены — семейство родственных генов, содержащих гомеобокс и определяющих форму тела. Гомейозисные гены контролируют качественную спицификацию сегментов. У человека это семейство представлено 39 генами, сгруппированными в 4 комплекса. Гены экспрессируются в эмбриогенезе и определяют организацию общего плана тела.

Гомеозисные гены:

• определяют процессы роста и дифференцировки
• кодируют транскрипционные факторы, контролирующие программы формирования органов и тканей.
• контролируют работу других генов в ходе морфогенеза
• контролируют появление различий в сегментах в раннем эмбриональном развитии.

Нейропоры — это два открытых конца нервной трубки (в краниальном и каудальном отделе).

Сначала смыкается средний отдел нервной трубки, распространяясь в дальнейшем к её концам. В итоге остаются два незамкнутых участка.

Передний нейропор закрывается на 23–26 сутки, а задний — на 26–30 сутки.

В среднем у человека временной интервал закрытия нейропоров 25–27 сутки.

В эмбриогенезе млекопитающих, благодаря наличию нейропоров, через нервную трубку некоторое время «протекает» амниотическая жидкость.

 WNT-сигнализация

Сигнальный путь Wnt/β-catenin участвует в дифференцировке нейральных стволовых клеток в нейробласты и в формировании синапсов. Мутация генов сигнального каскада Wnt/β-catenin является причиной наследственной экссудативной витреоретинопатии, вызывая частичный агенез сосудов, неоваскуляризацию и экссудацию в сетчатке.

4. Формирование многослойной структуры коры головного мозга

Многослойная структура коры головного мозга формируется в процессе развития следующим образом. Предшественники первых пирамидных нейронов мигрируют из эпендимного слоя и субвентрикулярной зоны вместе с предшественниками нейронов Кахаля-Ретциуса, продуцирующими гликопротеин адгезии рилин, который контролирует направленный рост аксонов, участвует в формировании связей в коре большого мозга (пирамидные нейроны) и в мозжечке.

Кора больших полушарий формируется путем упорядоченной миграции нейробластов эпендимного слоя вдоль вертикально ориентированных радиальных глиоцитов. Первыми возникают наиболее поверхностный и глубокий слои коры. Нейробласты последующих волн миграции дифференцируются в нейроны V, затем IV слоя и д. т. Таким образом, нейробласты очередной волны миграции проходят сквозь слой нейронов, возникших из более ранней волны. Это создает послойную (экранную) цитоархитектонику коры большого мозга.

Между нейронами устанавливаются сложные взаимосвязи в соответствии с их местом в составе рефлекторных дуг. Формируются ядерные и экранные нервные центры. Тесные взаимоотношения в ходе гистогенеза складываются между нейронами и клетками глии.

В разных отделах и участках полушарий кора значительно варьирует по общей толщине и толщине составляющих её слоёв, количеству этих слоёв и подслоев, числу, плотности и размерам нейронов.

Радиальная глия. Отросток радиальной глии образует путь для направленной миграции нейробласта. В нейробласте различают лидирующий и хвостовой отросток. Это перемещение контролируют молекулы адгезии и некоторые другие молекулы, экспрессируемые на поверхности радиальной глии и нейробласта. Молекулы нейробласта: α3β1-интегрин, NMDA-R1, нейрегулин, CDK5/P35. Молекулы радиальной глии: αV-интегрин, ламинин, фибронектин, L1.

 5. Нервный гребень и производные, нейрокристопатии.

Нервный гребень — совокупность клеток у позвоночных, выделяющихся из краевых отделов нервного желобка во время его замыкания в нервную трубку. Клетки нервного гребня активно и целенаправленно мигрируют в организме и дифференцируются в зрелые клетки

Производные нервного гребня:

• ганглии нервной системы (спинальные, вегетативные)
• глиальные клетки периферической нервной системы (шванновские)
• вспомогательные клетки нервных окончаний
• пигментные клетки (меланоциты кожи)
• хрящи лицевого черепа
• часть мозговых оболочек
• хромаффинные клетки надпочечников
• одонтобласты (дентин)
• перегородка между аортой и легочным стволом (в сердце)

 Генез нейронов вегетативной нервной системы

Нейроны парасимпатического отдела происходят из нервного гребня (рис. 8-22) на уровне 1–7-го сомита (отдел блуждающего нерва) и каудальнее 28-го сомита (пояснично-крестцовый отдел). Нейроны симпатического отдела и хромаффинные клетки мозгового вещества надпочечников развиваются из нервного гребня на уровне сомитов 8–28.

Нейрокристопатии — ряд патологий, которые являются результатом аномальной миграции и дифференцировки, а также гибели клеток нервного гребня во время эмбрионального развития. К нейрокристопатиям относятся нарушения в развитии щитовидной железы, органов слуха, пигментации кожи, черепно-лицевые и сердечные аномалии, нарушения в пищеварительном тракте, а также опухоли.

Примеры нейрокристопатий:

• синдром Ваарденбурга (телекант – латеральное смещение внутреннего угла глаза, гетерохромия радужки, седая прядь надо лбом и врожденная тугоухость)
• синдром Тричера-Коллинза (укороченные челюсти и деформированное лицо, отсутствие или неправильная форма зубов, изменённая форма ушного хряща)
• синдром Моуэта–Вилсон (уменьшение размеров головы, узкие челюсти, изменённая форма ушей, сердечные заболевания, умственная отсталость и эпилепсия)
• болезнь Гиршпрунга (врождённый аганглиоз, аномалия развития толстой кишки, приводящая к нарушению иннервации ее фрагмента)

 

6. Нейрогенные плакоды и производные

Нейрогенные (краниальные) плакоды — это утолщённые участки эктодермы в краниальной части зародыша по краям от нервной трубки. Клетки плакод нейрально детерминированы, но не участвуют в образовании нервной трубки и нервного гребня.

Различают обонятельные, хрусталиковые, слуховые, тройничные и эпибранхиальные плакоды.

Обонятельная плакода — это парное утолщение эктодермы, являющееся зачатком обонятельного эпителия. На 6-й неделе плакоды образует две носовые ямки с последующим формированием обонятельного эпителия.

Хрусталиковая плакода появляется на 26–27 сут развития как многослойное утолщение эктодермы головы. Клетки плакоды размножаются и погружаются под эктодерму. В результате образуется ямка, которая углубляется и замыкается на 5-й неделе развития, формируя хрусталиковый пузырёк. Его стенка образована одним слоем клеток.

Слуховая плакода. Клетки нервного гребня в краниальном отделе зародыша участвуют в образовании наружного, среднего и внутреннего уха. У 6-и недельного эмбриона зачаток наружного уха представлен шестью бугорками (Гиса). Бугорки 1–3 и 4–6 происходят из первой и второй глоточных дуг соответственно. Клетки нервного гребня из ромбомера 4 мигрируют в вентральном направлении, заселяют глоточные дуги и в конечном итоге дают начало хрящу наружного уха.

Среднее ухо возникает в виде полости, образованной эктомезенхимными клетками нервного гребня. Эти клетки из меккелева хряща участвуют в хондрогенезе с образованием трех косточек: молоточка, наковальни и дуги стремечка. Основание стремечка, прикрывающее овальное окно, происходит из мезодермы. В ходе развития среднего уха часть эктомезенхимных клеток нервного гребня участвует в образовании эпителиальной выстилки переднего отдела среднего уха.

На поперечном срезе улитки видны спиральные ганглии, в которых находятся афферентные биполярные нейроны, иннервирующие волосковые клетки спирального органа. Эти нейроны происходят из эктодермальных клеток слуховой плакоды. Миелинизирующие шванновские клетки, происходящие из нервного гребня, и немиелинизирующая сателлитная глия обнаруживаются внутри спиральных ганглиев и вокруг аксонов нейронов I типа, иннервирующих внутренние волосковые клетки. Кроме того, меланоцитоподобные клетки в сосудистой полоске, выстилающей латеральную стенку перепончатого канала (средней лестницы) улитки, происходят из нервного гребня.

Плакода тройничного нерва состоит из глазничной и челюстно-нижнечелюстной частей и даёт начало клеткам ганглия тройничного нерва.

Эпибранхиальные плакоды представляют собой краниальные утолщения эктодермы, дающие начало сенсорным нейронам периферической нервной системы.

Если клетки периферической нервной системы развиваются из нервного гребня и нейрогенных плакод, то предшественницей нейральных клеток в ЦНС служит стволовая нейральная клетка.

Ромбоме́р (англ. rhombomere) — сегмент развивающегося ромбовидного мозга. Ромбомеры имеют вид поперечных утолщений на поверхности ромбовидного мозга. У зародыша человека имеется девять ромбомеров — первый из них, расположенный наиболее рострально, носит название «перешеек», остальным присвоены номера — от Rh1 до Rh8. Клетки соседних ромбомеров не смешиваются. Клетки нервного валика каждого из ромбомеров дают начало разным ганглиям и нейронным пучкам. Развитие ромбомеров предопределяется характером экспрессии регуляторных генов HOX.

Производные нейрогенных плакод:

• нейроны обонятельной выстилки, вестибулярного и слухового ганглиев и некоторых ганглиев черепно-мозговых нервов
• некоторые клетки органов чувств — слуха, равновесия, вкуса (рецепторные, поддерживающие) и зрения (эпителий хрусталика)

 

Краниальные нейрогенные структуры

В голове позвоночных периферические компоненты сенсорных структур происходят из двух популяций эмбриональных клеток: нервного гребня и краниальных плакод. Обе популяции возникают в непосредственной близости друг к другу на границе нервной пластинки: предшественники нервного гребня вблизи зачатка центральной нервной системы, тогда как плакоды появляются в общей преплакодной области немного латеральнее зачатка нервного гребня. В морфогенезе головы эти предшественники организуются в функциональные сенсорные структуры. Клетки нервного гребня и плакоды остаются в непосредственной близости на протяжении всего морфогенеза и неоднократно взаимодействуют. Последовательность взаимодействий между нервным гребнем и плакодами управляет скоординированным морфогенезом сенсорных структур головы.

 

7. Дифференцировка нейронов

Для нейробластов и недифференцированных нейронов характерны относительно крупное ядро, высокое ядерно-цитоплазматическое отношение (объём ядра / объём цитоплазмы), диспергированный хроматин, хорошо выраженное ядрышко, многочисленные рибосомы, интенсивный синтез РНК, высокая митотическая активность, неспецифический метаболизм.

Дифференцированные клетки различаются между собой по набору специфических белков, по определённым мембранным рецепторам, воспринимающим различные сигналы, и по надмолекулярным структурам, образованным элементами мембраны или цитоскелета.

Значительную роль в дифференцировке нейронов играют нейротрофические факторы.

 

8. Направленный рост аксонов, конус роста, ламеллоподия, филоподии, организация цитоскелета, молекулярные механизмы.

Направленный рост аксонов заключается в том, что нейрон «узнаёт» свою область иннервации и находит своего клеточного партнёра. В развивающемся мозге многочисленные отростки нейронов устанавливают связи с большой точностью. 1

Направленный рост аксонов осуществляет конус роста. Это специализированная структура терминали растущего аксона, имеющая на конце булавовидное утолщение и тонкие пальцевидные отростки. Они растут в различных направлениях и исследуют потенциальное пространство роста аксона.

Рост аксона:

• по градиенту концентрации специфических химических факторов, вырабатываемых в мишенях.
• по направляющим путям, которые образованы молекулами-метками, закономерно распределёнными в потенциальном пространстве роста аксона. По мере роста аксон последовательно считывает одну за другой метки, расположенные в межклеточном пространстве или на поверхности клеток, и растёт в нужном направлении строго направленно и без ошибок.
• завершается образованием его контакта с клетками-мишенями. За первым (пионерским) аксоном, вступающим в связь с органом-мишенью, устремляются другие, формируя в дальнейшем тракты в ЦНС и нервы на периферии.

 

9. Формирование нейронных сетей

Прунинг избыточных синапсов — это процесс сокращения числа синапсов или нейронов для повышения эффективности нейросети. Прунинг начинается с момента рождения и завершается в период полового созревания. После подросткового возраста объём синаптических соединений снова уменьшается.

Чрезмерный или недостаточный синаптический прунинг может лежать в основе некоторых расстройств нервной системы, включая расстройства аутистического спектра, шизофрению и эпилепсию.

 

10. Нейральная стволовая клетка (НСК)

НСК определяются как клетки, которые могут самообновляться (т.е. размножаться, образуя идентичные клетки) и являются мультипотентными, они могут давать начало основным нейрональным линиям, включая нейроны, астроциты и олигодендроциты. В эмбриогенезе НСК локализуются в желудочковой зоне нервной трубки и могут давать начало клеткам всех типов, необходимых для формирования ЦНС. Сюда входят глиальные линии (астроциты и олигодендроциты) и нейрональные линии (нейроны). НСК проявляют активность в ответ на повреждение, что приводит к усилению пролиферации и дифференцировке предшественников новых нейронов.

В эпендимном слое спинного мозга присутствует популяция незрелых клеток, которые рассматриваются в качестве потенциальных нейральных стволовых клеток спинного мозга. При травме спинного мозга эти клетки вступают в клеточный цикл, что сопровождается кратковременным возвращением вспять (реверсией) процесса их созревания.

Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки используют для нейрогенной дифференцировки в эксперименте.

 

11. Нейрогенез во взрослом организме: обновление пула нейронов, герминативные зоны в ЦНС, субвентрикулярная зона боковых желудочков (SVZ) и субгранулярная зона (SGZ) зубчатой извилины гиппокампа, обонятельные нейроны.

Нейрогенез во взрослом организме человека протекает в зубчатой извилине гиппокампа и в миндалевидном теле. У взрослого человека наблюдается активный нейрогенез в гиппокампе, но человек кажется уникальным представителем млекопитающих в том смысле, что у него отсутствует нейрогенез в обонятельных луковицах, но происходит постоянное обновление нейронов в полосатом теле.

 

12. Нарушение нейрогенеза

Дефекты нервной трубки — это врождённые пороки развития, которые возникают в результате незаращения нервной трубки и отсутствия формирования оболочки головного или спинного мозга.

• Анэнцефалия. Врождённое отсутствие или недоразвитие головного мозга, чаще всего полушарий, и мозжечка. Плод погибает практически в 100% случаев ещё до рождения или в первую неделю.
•  Расщепление позвоночника (spina bifida). Порок называют расщелиной позвоночника. Характеризуется незакрытием нервной трубки на 23 неделе, например — из-за высокого давления спинномозговой жидкости. Такая патология совместима с жизнью, но при отсутствии лечения может привести к инвалидности.
•  Экзэнцефалия. Отсутствие костей черепа.
•  Энцефалоцеле. Разновидность мозговой грыжи, при которой мозговые оболочки выходят за пределы черепа через черепные дефекты.