Neurální vývoj zahrnuje procesy, které generují, formují a přetvářejí nervový systém, od nejranějších stadií embryogeneze až po poslední roky života. Cílem studia nervového vývoje je popsat buněčný základ vývoje mozku a zabývat se základními mechanismy. Obor čerpá z neurovědy i vývojové biologie, aby poskytl vhled do buněčných a molekulárních mechanismů, kterými se vyvíjí komplexní nervové systémy. Vady v nervovém vývoji mohou vést ke kognitivnímu, motorickému a intelektuálnímu postižení, stejně jako neurologickým poruchám, jako je autismus, Rettův syndrom a mentální retardace.
Přehled vývoje mozku
Mozek vzniká během embryonálního vývoje z neurální trubice, rané embryonální struktury. Největší přední část neurální trubice se nazývá telencefalon, který se díky proliferaci buněk rychle zvětšuje a nakonec dává vzniknout mozku. Postupně se některé buňky přestávají dělit a diferencují se na neurony a gliální buňky, které jsou hlavními buněčnými složkami mozku. Nově vytvořené neurony migrují do různých částí vyvíjejícího se mozku, aby se samy zorganizovaly do různých mozkových struktur. Jakmile neurony dosáhnou své regionální polohy, rozšíří axony a dendrity, které jim umožní komunikovat s ostatními neurony prostřednictvím synapsí. Synaptická komunikace mezi neurony vede k vytvoření funkčních nervových obvodů, které zprostředkovávají smyslové a motorické zpracování a jsou základem chování.
Vysoce schematický vývojový diagram vývoje lidského mozku.
Aspekty nervového vývoje
Některé mezníky neurálního vývoje zahrnují zrození a odlišení neuronů od prekurzorů kmenových buněk, migraci nezralých neuronů z jejich rodišť v embryu do jejich konečných pozic, výrůstek axonů a dendritů z neuronů, vedení pohyblivého růstového kužele přes embryo k postsynaptickým partnerům, tvorbu synapsí mezi těmito axony a jejich postsynaptickými partnery a konečně celoživotní změny v synapsích, o kterých se předpokládá, že jsou základem učení a paměti.
Vývojová neurověda využívá celou řadu zvířecích modelů včetně myší Mus musculus , octomilky Drosophila melanogaster , zebradu Danio rerio , pulce Xenopus laevis a červa Caenorhabditis elegans, mimo jiné.
Během časného embyonického vývoje se ektoderm specifikuje tak, že vzniká epidermis (kůže) a neurální ploténka. Přeměna nediferencovaného ektodermu na neuroektoderm vyžaduje signály z mezodermu. Při nástupu gastrulace se předpokládané mezodermální buňky pohybují přes hřbetní blastoporový ret a vytvářejí vrstvu mezi endodermem a ektodermem. Tyto mezodermální buňky, které migrují podél hřbetní středové linie, dávají vzniknout struktuře zvané notochord. Ektodermální buňky překrývající notochord se vyvíjejí do neurální ploténky v reakci na signál k difuznímu signálu produkovanému notochordem. Zbytek ektodermu dává vzniknout epidermis (kůži). Schopnost mezodermu přeměnit překrývající se ektoderm na neurální tkáň se nazývá Neurální indukce.
Nervová ploténka se během třetího týdne těhotenství ohýbá směrem ven a tvoří neurální drážku. Počínaje v budoucí oblasti krku se neurální záhyby této drážky přibližují a vytvářejí neurální trubici. Tvorba neurální trubice z ektodermu se nazývá neuralizace. Přední (přední) část neurální trubice se nazývá bazální ploténka; zadní (zadní) část se nazývá alarní ploténka. Dutý vnitřek se nazývá neurální kanál. Koncem čtvrtého týdne těhotenství se otevřené konce neurální trubice (neuropóry) uzavřou.
Identifikace nervových induktorů
Transplantovaný blastoporový ret dokáže přeměnit ektoderm na neurální tkáň a má prý indukční účinek. Neurální induktory jsou molekuly, které mohou indukovat expresi neurálních genů v ektodermních explantátech, aniž by indukovaly také mezodermální geny. Neurální indukce je často studována u embryí Xenopusu, protože mají jednoduchý tělový vzor a existují dobré markery pro rozlišení mezi neurální a neurální tkání. Příkladem Neurálních induktorů jsou molekuly Noggin a Chordin.
Když jsou embryonální ektodermální buňky kultivovány v nízké hustotě za nepřítomnosti mezodermálních buněk), podstupují neurální diferenciaci (exprimují neurální geny), což naznačuje, že neurální diferenciace je výchozím osudem ektodermálních buněk. V explantačních kulturách (které umožňují přímé interakce buněk s buňkami) se tytéž buňky diferencují do epidermis. Je to způsobeno působením BMP4 (protein rodiny TGF-β), který indukuje ektodermální kultury diferenciace do epidermis. Během neurální indukce jsou Noggin a Chordin produkovány dorzálním mezodermem (notochord) a difúzují do překrývajícího ektodermu, aby inhibovaly aktivitu BMP4. Tato inhibice BMP4 způsobuje diferenciaci buněk do neurálních buněk.
Koncem čtvrtého týdne se horní část nervové trubice ohýbá na úrovni budoucího středního mozku – mesencephalonu. Nad mesencephalonem je prosencephalon (budoucí přední mozek) a pod ním je rhombencephalon (budoucí zadní mozek).
Optický váček (který se nakonec stane optickým nervem, sítnicí a duhovkou) se vytvoří na bazální ploténce prosencefalonu. Alarová ploténka prosencefalonu se rozšíří a vytvoří mozkové hemisféry (telencefalon), zatímco její bazální ploténka se stane diencefalonem. Nakonec optický váček vyroste a vytvoří optický výrůstek.
Vzorování nervového systému
V chordách tvoří hřbetní ektoderm veškerou nervovou tkáň a nervový systém. K promíchání dochází v důsledku specifických podmínek prostředí – různé koncentrace signálních molekul
Břišní polovina nervové ploténky je řízena notochordem, který působí jako ‚organizátor‘. Hřbetní polovina je řízena ektodermovou ploténkou, která lemuje nervovou ploténku po obou stranách.
Ectoderm následuje výchozí dráhu, aby se stal nervovou tkání. Důkazem pro to jsou jednotlivé kultivované buňky ektodermu, které dále tvoří nervovou tkáň. Předpokládá se, že je to z důvodu nedostatku BMPs, které jsou blokovány organizátorem. Organizátor může produkovat molekuly, jako je follistatin, noggin a chordin, které inhibují BMPs.
ventrální neurální trubice je vzorována Shh z notochordu, který působí jako indukující tkáň. Induktor Shh způsobuje diferenciaci podlahové desky. Shh-nullová tkáň nevytváří všechny typy buněk v ventrální trubici, což naznačuje, že Shh je pro její indukci nezbytné. Hypotézní mechanismus naznačuje, že Shh váže záplatovaný, zmírňuje záplatovanou inhibici smoothendu, což vede k aktivaci gli transkripčních faktorů.
V této souvislosti Shh působí jako morfogen – indukuje diferenciaci buněk v závislosti na jejich koncentraci. V nízkých koncentracích vytváří ventrální interneurony, ve vyšších koncentracích indukuje rozvoj motorického neuronu a v nejvyšších koncentracích indukuje diferenciaci podlahových desek. Selhání Shh-modulované diferenciace způsobuje haloprosencefalii.
Hřbetní neurální trubice je vzorována BMPs z epidermálního ektodermu lemujícího nervovou ploténku. Ty indukují senzorické interneurony aktivací Sr/Thr kináz a změnou hladin transkripčního faktoru SMAD.
Dorsoventral indukce ventrální tkáně exprimuje charakteristickou tkáň přední brány. Jiné signály manipulují diferenciací zadní tkáně, včetně FGF a kyseliny retinové.
Například zadní mozek je modelován Hoxovými geny, které jsou exprimovány v překrývajících se doménách podél anteroposteriální osy. 5′ geny v tomto shluku a exprimovány nejvíce posteriorně. Hoxb-1 je exprimován v rhombomeře 4 a dává vzniknout lícnímu nervu. Bez této exprese Hoxb-1 vzniká nerv, který je podobný trojklannému nervu.
Kortikogeneze: mladší neurony migrují za starší pomocí radiálních glií jako lešení. Cajal-Retziovy buňky (červené) uvolňují naviják (oranžový).
Neuronální migrace je metoda, kterou neurony putují od svého původu nebo místa narození do své konečné pozice v mozku. Existuje několik způsobů, jak toho mohou dosáhnout, např. radiální migrací nebo tangenciální migrací. (viz časosběrné sekvence radiální migrace (také známé jako gliální navádění) a somální translokace.)
Tangentiální migrace interneuronů z ganglionické eminence.
Radiální migrace
Neuronální prekurzorové buňky se množí v komorové zóně vyvíjejícího se neokortexu. První postmitotické buňky, které migrují, tvoří předdesku, která je předurčena stát se Cajal-Retziovými buňkami a poddeskovými neurony. Tyto buňky tak činí somální translokací. Neurony migrující tímto způsobem pohybu jsou bipolární a připojují náběžnou hranu procesu k pia. Soma je pak transportována na povrch pia nukleokinezí, procesem, při kterém se mikrotubulární „klec“ kolem jádra prodlužuje a smršťuje ve spojení s centrozomem, aby dovedla jádro k jeho konečnému cíli. Radiální glie, jejíž vlákna slouží jako lešení pro migrující buňky, se může sama dělit nebo translokovat na kortikální desku a diferencovat se buď na astrocyty nebo neurony. Somální translokace může nastat kdykoli během vývoje.
Následné vlny neuronů rozdělují předložku tak, že migrují podél radiálních gliových vláken a vytvářejí kortikální desku. Každá vlna migrujících buněk putuje kolem svých předchůdců a vytváří vrstvy naruby, což znamená, že nejmladší neurony jsou nejblíže povrchu. Odhaduje se, že gliem řízená migrace představuje 90% migrujících neuronů u lidí a asi 75% u hlodavců.
Tangentiální migrace
Většina interneuronů migruje tangenciálně několika způsoby migrace, aby dosáhla svého vhodného umístění v mozkové kůře. Příkladem tangenciální migrace je přesun interneuronů z gangliové eminence do mozkové kůry. Příkladem probíhající tangenciální migrace ve zralém organismu, pozorované u některých zvířat, je rostrální migrační proud spojující subventrikulární zónu a čichovou bulbu.
Jiné způsoby migrace
Existuje také metoda neuronální migrace zvaná multipolární migrace. Ta je pozorována u multipolárních buněk, které jsou hojně přítomny v kortikální mezizóně. Nepodobají se buňkám migrujícím lokomocí nebo somální translokací. Místo toho tyto multipolární buňky exprimují neuronální markery a rozšiřují mnohočetné tenké procesy v různých směrech nezávisle na radiálních gliálních vláknech.
Nervový růstový faktor (NGF): Rita Levi Montalcini a Stanley Cohen očistili první trofický faktor, Nervový růstový faktor (NGF), za který obdrželi Nobelovu cenu. Existují tři trofické faktory související s NGF: BDNF, NT3 a NT4, které regulují přežití různých neuronálních populací. Trkovy proteiny působí jako receptory pro NGF a související faktory. Trk je receptorová tyrosinkináza. Trk dimerizace a fosforylace vede k aktivaci různých intracelulárních signálních drah včetně MAP kinázy, Aktu a PKC drah.
CNTF: Ciliární neurotrofický faktor je další protein, který působí jako faktor přežití motorických neuronů. CNTF působí prostřednictvím receptorového komplexu, který zahrnuje CNTFRα, GP130 a LIFRβ. Aktivace receptoru vede k fosforylaci a náboru JAK kinázy, která zase fosforyluje LIFRβ. LIFRβ působí jako spojovací místo pro transkripční faktory STAT. JAK kináza fosforyluje STAT proteiny, které se disociují z receptoru a translokují se do jádra za účelem regulace genové exprese.
GDNF: Gliální odvozený neurotrofický faktor je členem rodiny proteinů TGFb a je silným trofickým faktorem pro striatální neurony. Funkční receptor je heterodimer, složený z receptorů typu 1 a 2. Aktivace receptoru typu 1 vede k fosforylaci Smad proteinů, které translokují do jádra za účelem aktivace genové exprese.
Neuromuskulární spoj
Značná část našeho chápání tvorby synapsí pochází ze studií na neuromuskulárním spoji. Vysílačem na této synapsi je acetylcholin. Acetylcholinový receptor (AchR) je přítomen na povrchu svalových buněk před vznikem synapse. Příchod nervu vyvolává shlukování receptorů na synapsi. McMahan a Sanes ukázali, že synaptogenní signál je koncentrován na bazální lamině. Také ukázali, že synaptogenní signál je produkován nervem, a identifikovali tento faktor jako Agrin. Agrin vyvolává shlukování AchR na povrchu svalů a tvorba synapse je narušena u agrinových knockoutových myší. Agrin přenáší signál přes MuSK receptor na rapsyn. Fischbach a jeho kolegové ukázali, že receptorové podjednotky jsou selektivně přepisovány z jader vedle synaptického místa. To je zprostředkováno neureguliny.
Ve zralé synapsi je každé svalové vlákno inervováno jedním motorickým neuronem. Během vývoje je však mnoho vláken inervováno více axony. Lichtman a jeho kolegové studovali proces eliminace synapsí. Jedná se o událost závislou na aktivitě. Částečné zablokování receptoru vede k zasunutí odpovídajících presynaptických zakončení.
Synapse CNS
Zdá se, že Agrin není centrálním mediátorem tvorby synapsí CNS a existuje aktivní zájem o identifikaci signálů, které zprostředkovávají synaptogenezi CNS. Neurony v kultuře vyvíjejí synapse, které jsou podobné těm, které vznikají in vivo, což naznačuje, že synaptogenní signály mohou správně fungovat in vitro. Studie synaptogeneze CNS se zaměřily především na glutamatergické synapse. Zobrazovací experimenty ukazují, že dendrity jsou během vývoje vysoce dynamické a často iniciují kontakt s axony. Následuje nábor postsynaptických proteinů do místa kontaktu. Stephen Smith a jeho kolegové ukázali, že kontakt iniciovaný dendritickou filopodií se může vyvinout v synapse.
Indukce tvorby synapse gliálními faktory: Barres a jeho kolegové konstatovali, že faktory v gliálně podmíněných médiích indukují tvorbu synapse v buněčných kulturách retinálních ganglií. Tvorba synapse v CNS koreluje s diferenciací astrocytů, což naznačuje, že by astrocyty mohly poskytnout synaptogenní faktor. Identita astrocytických faktorů není dosud známa.
Neuroliginy a SynCAM jako synaptogenní signály: Sudhof, Serafini, Scheiffele a kolegové ukázali, že neuroliginy a SynCAM mohou působit jako faktory, které vyvolají presynaptickou diferenciaci. Neuroliginy se koncentrují v postsynaptickém místě a působí prostřednictvím neurexinů koncentrovaných v presynaptických axonech. SynCAM je molekula buněčné adheze, která je přítomna v pre- i postsynaptických membránách.
O každou neuromuskulární spojku soupeří několik motorneuronů, ale jen jeden přežije až do dospělosti. Soutěž in vitro se ukázala být spojena s omezenou neurotrofickou látkou, která se uvolňuje, nebo že nervová aktivita vyvozuje výhodu silných postsynaptických spojení tím, že dává odolnost toxinu uvolněnému také po nervové stimulaci. In vivo se navrhuje, aby svalová vlákna vybírala nejsilnější neuron retrográdním signálem.
Neurální vývoj/Neurulace – Neurula – Neurální záhyby – Neurální drážka – Neurální trubice – Neurální znak – Neuromer (Rhombomera) – Notochord – Neurální deska
Vývoj očí – Optické váčky – Optická stopka – Optický pohárek – Sluchový váček – Sluchový důlek