Развитие нервной системы: краткие сведения
Нервные клетки приобретают свои уникальные свойства и образуют четко организованные и удивительно точные синаптические связи во время развития под влиянием генетических факторов и факторов среды. Такими факторами являются:
- происхождение клеток,
- индукционные взаимодействия между клетками и трофические взаимодействия между клетками ;
- метки, благодаря которым осуществляются миграция аксонов и рост аксонов ;
- специфические маркеры, при помощи которых клетки узнают друг друга,
- а также постоянная реорганизаций связей в зависимости от активности клетки.
Развтие нервной системы позвоночных начинается с формирования нервной пластинки из дорзальной эктодермы . Нервная пластинка затем сворачивается, формируя нервную трубку и нервный гребень . Нейроны и глиальные клетки в ЦНС образуются в результате деления клеток-предшественников вентрикулярной зоны нервной трубки . Постмитотические нейроны мигрируют от вентрикулярной поверхности нервной трубки и образуют серое вещество нервной системы позвоночных .
В пределах каждой из областей в развивающейся нервной системе судьба клеток в значительной степени зависит от их расположения. Появившаяся возможность установить механизмы развития мозга на молекулярном уровне позволила объяснить такие механизмы, как рострокаудальный паттерн развития мозга и дорзовенгральный паттерн развития мозга , которые до этого были описаны только феноменологически без каких либо идей о механизмах. Например, экспрессия серии гомеобоксных генов вдоль рострокаудальной оси способствует дифференцировке сегментов заднего мозга ; дорзовентральный паттерн определяется отчасти градиентом белка Sonic hedgehog .
Клетки нервного гребня образуют периферическую нервную систему . Фенотип , в который дифференцируются клетки нервного гребня , определяется сигналами, поступающими от соседних клеток. Таким образом, если клетки нервного гребня были пересажены в раннем возрасте, они будут дифференцироваться в соответствии со своим новым расположением.
Для установления синаптических контактов со своими мишенями, нейроны образуют аксоны , имеющие на концах конусы роста аксонов , которыми они исследуют окружающее пространство. Идентифицировано два класса молекул, играющих важную роль в продвижении конусов роста: молекулы клеточной адгезии надсемейства иммуноглобулинов и молекулы адгезии внеклеточного матрикса . Навигация конуса роста контролируется аттрактантами и репеллентами , действующие на коротких и длинных дистанциях. Хемоаттрактанты управляют ростом аксона либо до конечной, либо до промежуточной цели, например до клетки-ориентира (guidepost cell). Хеморепелленты не допускают вторжения аксонов в определенние "неблагоприятные" зоны. Проекции аксонов во время развития зачастую более сильно развиты, чем таковые у взрослых, у которых осуществляется усечение связей механизмами, связанных с активностью и трофическими факторами .
Функциональные синаптические контакты формируются быстро, однако сначала у них нет характерной специализации, свойственной синапсам взрослых. Только по прошествии нескольких недель синапсы созревают и приобретают свойства синапсов взрослых.
Характерной чертой развития центральной нервной системы всех позвоночных является первоначальное образование избыточного количества нейронов, часть из которых в дальнейшем погибает. Гибель нейронов регулируется конкуренцией за трофические факторы. Фактор роста нерва является представителем семейства протеинов ( нейротрофинов , neitrophins), которые способны поддерживать активность определенных популяций нейронов.
Упорядоченность связей, образованных нервными клетками между собой, а также между ними и другими тканями на периферии, является одним из условий для нормального функционирования нервной системы. Для создания такой точной нервной архитектуры во время развития необходимо, чтобы сформировались нейроны определенных типов в необходимом количестве и в строго определенных местах нервной системы, которые затем должны образовать связи со своими уникальными клетками-мишенями. Например, чтобы работал рефлекс растяжения , необходимо, чтобы афферентный сенсорный нейрон типа Ia спинномозгового ганглия послал свой аксон к определенному месту в области мышечного веретена , а другой аксон, идущий в ЦHC, должен образовать синаптический контакт исключительно с тем мотонейроном , который иннервирует мышцу, где находится это мышечное веретено. Другие веточки этого центрального аксона заканчиваются на спинальных интернейронах или уходят в дорзальные столбы для иннервации клеток, расположенных в ядрах спинного мозга. Кроме того, количество сенсорных нейронов и моторных нейронов должно находиться в определенном соотношении в зависимости от размеров мышцы и количества мышечных веретен, которые эта мышца содержит.
Большой спектр вопросов возникает при рассмотрении данного примера. Каким образом клетки дифференцируются в нейроны или дифференцируются в клетки глии ? По каким меткам следует нейрон, мигрируя к своему месторасположению ? Какие клеточные механизмы позволяют нейрону направлять свой аксон строго к определенной цели, одной из миллиарда возможных, чтобы образовать на ней синапс? В поиске ответов на эти вопросы мы вспоминаем, что в нервной системе имеется 10 в 10-ой степени - 10 в 12-ой степени нервных клеток, причудливо связанных друг с другом, при этом количество генов, которые могут определять эту структуру, составляет всего 100000 или около того. Более того, ЦНС демонстрирует большую гибкость во время критических периодов развития и даже у взрослых, у которых образуются новые синапсы, а старые либо изменяют свои свойства, либо просто исчезают, - и все это как результат изменения активности клеток ( глава 25 ).
Спектр проблем, относящихся к развитию, образованию синапсов , нервной специфичности и изменению свойств связей , настолько широк, что дать их полный обзор не представляется возможным. Многие аспекты уже подробно освещены в других руководствах ( Gilbert. 2000 , Zigmond et al. 1999 . В этой главе мы осущесвим короткий экскурс в нейроэмбриологию и опишем отдельные экспериментальные подходы к вопросам развития нервной системы. Темы будут освещаться нами в том порядке, как происходит процесс развития НС: начиная с нейроэктодермы и раннего морфогенеза нервной системы , затем мы рассмотрим региональную спецификацию нервной ткани и факторы, определяющие идентификацию отдельных нейронов и клеток глии , и в конце мы поговорим о механизмах роста аксонов , иннервации аксонами определенной цели , образовании синапсов , а также о роли факторов роста и конкуренции в окончательном формировании нервной системы .
