Neurulation - Neurulation
| Neurulation | |
|---|---|
 Tvärgående sektioner som visar nervplattans utveckling till neuralspåret från botten till toppen
| |
| Identifierare | |
| Maska | D054261 |
| Anatomisk terminologi | |
Neurulation hänvisar till vikningsprocessen i ryggradsdjur embryon , som inkluderar transformation av neural plattan till neuralröret . Embryot i detta skede kallas neurula .
Processen börjar när notokord inducerar bildandet av centrala nervsystemet (CNS) genom signalering ektoderm GRODDBLAD ovanför den för att bilda den tjocka och plana neurala plattan . Den neurala plattan viks in i sig själv för att bilda neuralröret , som senare kommer att differentieras till ryggmärgen och hjärnan , så småningom bilda centrala nervsystemet. Datorsimuleringar visade att cellklyftning och differentialproliferation är tillräckliga för däggdjursneurulation.
Olika delar av neuralröret bildas genom två olika processer, kallade primär och sekundär neurulation, hos olika arter.
- Vid primär neurulation veckas den neurala plattan inåt tills kanterna kommer i kontakt och smälter.
- Vid sekundär neurulation bildas röret genom att håla ur det inre av en fast föregångare.
Primär neurulation
Primär neural induktion
Begreppet induktion har sitt ursprung i verk av Pandor 1817. De första experimenten som bevisar induktion tillskrevs av Viktor Hamburger till oberoende upptäckter av både Hans Spemann i Tyskland 1901 och Warren Lewis från USA 1904. Det var Hans Spemann som först populariserade term "primär neural induktion" med hänvisning till den första differentieringen av ektoderm till neural vävnad under neurulation. Det kallades "primärt" eftersom det trodde att det var den första induktionshändelsen i embryogenes. Nobelprisvinnande experimentet gjordes av hans student Hilda Mangold . Ektoderm från regionen i dorsala läppen i blastopore i ett utvecklande salamanderembryo transplanterades till ett annat embryo och denna "organisator" -vävnad "inducerade" bildandet av en fullständig sekundäraxel som förändrar omgivande vävnad i det ursprungliga embryot från ektodermal till neural vävnad. Vävnaden från donatorembryot kallades därför för induceraren eftersom den inducerade förändringen. Det är viktigt att notera att även om organisatören är dorsal läppen i blastopore, är detta inte en uppsättning celler utan snarare en ständigt föränderlig grupp av celler som migrerar över blastoporens ryggläpp genom att bilda apiskt sammandragna flaskceller. Vid varje given tidpunkt under gastrulering kommer det att finnas olika celler som utgör arrangören.
Efterföljande arbete med inducerare av forskare under 1900 -talet visade att blastopores dorsala läpp inte bara kunde fungera som en inducerare utan också ett stort antal andra till synes orelaterade föremål. Detta började när kokt ektoderm visade sig fortfarande kunna framkalla av Johannes Holtfreter . Föremål som är så olika som lågt pH, cyklisk AMP, till och med golvdamm kan fungera som inducerare som leder till betydande oro. Även vävnad som inte kunde framkalla när man levde kunde framkalla när den kokades. Andra föremål som ister, vax, bananskal och koagulerat grodblod framkallade inte. Jakten på en kemiskt baserad inducermolekyl togs upp av utvecklingsmolekylära biologer och en omfattande litteratur av föremål som visade sig ha inducerande förmågor fortsatte att växa. På senare tid har inducerarmolekylen tillskrivits gener och 1995 uppmanades alla gener som är inblandade i primär neural induktion och alla deras interaktioner att katalogiseras i ett försök att bestämma "molekylär natur hos Spemanns organisator". Flera andra proteiner och tillväxtfaktorer har också åberopats som inducerare, inklusive lösliga tillväxtfaktorer såsom benmorfogenetiskt protein , och ett krav på "hämmande signaler" som noggin och follistatin .
Redan innan termen induktion populariserades föreslog flera författare, som började med Hans Driesch 1894, att primär neural induktion kan vara mekanisk. En mekanokemisk baserad modell för primär neural induktion föreslogs 1985 av Brodland & Gordon . En verklig fysisk våg av sammandragning har visat sig härröra från den exakta platsen för Spemann -arrangören som sedan passerar det presumtiva neuralepitelet och en fullständig arbetsmodell för hur primära neurala induktioner föreslogs 2006. Det har länge funnits en allmän motvilja i fält för att överväga möjligheten att primär neural induktion kan initieras av mekaniska effekter. En fullständig förklaring till primär neural induktion återstår att hitta.
Formändring
När neurulationen fortsätter efter induktion blir cellerna i neurala plattan högkolumnerade och kan identifieras genom mikroskopi som annorlunda än den omgivande presumtiva epitelektodermen ( epiblastisk endoderm i fostervatten). Cellerna rör sig i sidled och bort från centralaxeln och ändras till en stympad pyramidform. Denna pyramidform uppnås genom tubulin och aktin i den apikala delen av cellen som tränger ihop när de rör sig. Variationen i cellformer bestäms delvis av kärnans placering i cellen, vilket orsakar utbuktning i cellområden och tvingar cellens höjd och form att förändras. Denna process är känd som apikal sammandragning . Resultatet är en plattning av den differentierande neuralplattan som är särskilt uppenbar i salamandrar när den tidigare runda gastrula blir en rundad boll med en platt topp. Se neuralplatta
Hopfällbar
Processen med den platta neurala plattan som viks in i det cylindriska neuralröret kallas primär neurulation . Som ett resultat av förändringar i cellformen bildar neuralplattan den mediala gångjärnpunkten (MHP). Den expanderande epidermis sätter press på MHP och får den neurala plattan att vika vilket resulterar i neurala veck och skapandet av det neurala spåret . De neurala vecken bildar dorsolaterala gångjärnspunkter (DLHP) och tryck på detta gångjärn gör att neurala veck möts och smälter ihop vid mittlinjen. Fusionen kräver reglering av celladhesionsmolekyler. Den neurala plattan växlar från E-cadherin-uttryck till N-cadherin och N-CAM-uttryck för att känna igen varandra som samma vävnad och stänga röret. Denna förändring i uttryck stoppar bindningen av neuralröret till epidermis. Neural platta vikning är ett komplicerat steg.
Notokorden spelar en integrerad roll i utvecklingen av neuralröret. Före neurulation, under migrering av epiblastiska endodermceller mot hypoblastiska endoderm, öppnar den notokordala processen in i en båge som kallas notokordalplattan och fäster överliggande neuroepitel i neuralplattan. Den notokordala plattan fungerar sedan som ett ankare för neuralplattan och skjuter plattans två kanter uppåt medan den mellersta sektionen hålls förankrad. Några av de notokodrala cellerna införlivas i den centrala delen av neuralplattan för att senare bilda golvplattan i neuralröret. Notochord -plattan separerar och bildar det solida notochordet.
Vikningen av neuralröret för att bilda ett verkligt rör sker inte på en gång. Istället börjar det ungefär på nivån för den fjärde somiten vid Carnegie -steg 9 (runt Embryonisk dag 20 hos människor ). De laterala kanterna på neuralplattan rör i mittlinjen och går ihop. Detta fortsätter både kraniellt (mot huvudet) och kaudalt (mot svansen). Öppningarna som bildas vid kraniala och kaudala områden kallas kraniala och kaudala neuroporer . I mänskliga embryon stängs kranialneuroporen ungefär på dag 24 och kaudalneuroporen på dag 28. Misslyckande av kranial (överlägsen) och kaudal (underlägsen) neuroporstängning resulterar i tillstånd som kallas anencephaly respektive spina bifida . Dessutom, misslyckande av neuralröret att stänga under hela kroppens längd resulterar i ett tillstånd som kallas rachischisis .
Mönster
Enligt French Flag -modellen där utvecklingsstadier styrs av genproduktgradienter, anses flera gener vara viktiga för att inducera mönster i den öppna neurala plattan, särskilt för utvecklingen av neurogena placoder . Dessa placoder blir först uppenbara histologiskt i den öppna neurala plattan. Efter att sonisk igelkott (SHH) -signalering från notokordet inducerar dess bildning, utsöndrar även golvplattan i det begynnande neuralröret SHH. Efter stängning bildar neuralröret en basal- eller golvplatta och en tak- eller alarplatta som svar på de kombinerade effekterna av SHH och faktorer inklusive BMP4 som utsöndras av takplattan. Basplattan bildar det mesta av den ventrala delen av nervsystemet, inklusive den motoriska delen av ryggmärgen och hjärnstammen; alarplattan bildar dorsala delar, mest ägnade åt sensorisk bearbetning.
Dorsal epidermis uttrycker BMP4 och BMP7 . Takplattan i neuralröret svarar på dessa signaler genom att uttrycka mer BMP4 och andra transformerande tillväxtfaktor beta (TGF-β) signaler för att bilda en dorsal/ventral gradient bland neuralröret. Notokorden uttrycker SHH. Golvplattan svarar på SHH genom att producera sin egen SHH och bilda en gradient. Dessa gradienter möjliggör differentialuttryck av transkriptionsfaktorer.
Komplexiteten i modellen
Neuralrörstängning är inte helt förstådd. Stängning av neuralröret varierar beroende på art. Hos däggdjur sker tillslutning genom att mötas vid flera punkter som sedan stänger upp och ner. Hos fåglar börjar stängning av neuralrör vid en punkt i mitthjärnan och rör sig framåt och bakåt.
Sekundär neurulation
Primär neurulation utvecklas till sekundär neurulation när den kaudala neuroporen genomgår slutlig stängning. Ryggmärgens hålighet sträcker sig in i nevraladen. Vid sekundär neurulation bildar det neurala ektodermet och några celler från endodermet medullärsnöret . Medullärsnöret kondenserar, separerar och bildar sedan hålrum. Dessa hålrum smälter sedan samman för att bilda ett enda rör. Sekundär neurulation förekommer i de flesta djurs bakre del men det uttrycks bättre hos fåglar. Rör från både primär och sekundär neurulation ansluter sig så småningom vid den sjätte utvecklingsveckan.
Hos människor spelar mekanismerna för sekundär neurulation en viktig roll med tanke på dess inverkan på korrekt bildning av den mänskliga bakre ryggmärgen. Fel när som helst i processen kan ge problem. Till exempel uppstår bibehållen medullärsträng på grund av ett partiellt eller fullständigt stopp av sekundär neurulation som skapar en icke-funktionell del på förlängningsänden.
Tidig hjärnutveckling
Den främre delen av det neurala röret bildar de tre huvuddelar av hjärnan: den framhjärnan ( prosencephalon ), mitthjärnan ( mesencefalon ) och hindbrain ( rhombencephalon ). Dessa strukturer uppträder initialt strax efter stängning av neuralröret som utbuktningar som kallas hjärnblåsor i ett mönster som specificeras av anterior-posterior-mönstergener, inklusive Hox-gener , andra transkriptionsfaktorer som Emx-, Otx- och Pax-gener och utsöndrade signalfaktorer som fibroblasttillväxt faktorer (FGF) och Wnts . Dessa hjärnblåsor delar sig vidare i underregioner. Prosencephalon ger upphov till telencephalon och diencephalon , och rhombencephalon genererar metencephalon och myelencephalon . Bakhjärnan, som är den evolutionärt äldsta delen av kordathjärnan , delar sig också i olika segment som kallas rombomerer . Rombomererna genererar många av de mest väsentliga neurala kretsar som behövs för livet, inklusive de som styr andning och hjärtfrekvens och producerar de flesta kranialnerverna . Neurala toppceller bildar ganglier ovanför varje romber. Den tidiga neurala röret är i första hand sammansatt av den germinala neuroepitelet , senare kallad den ventrikulära zonen , som innehåller primära neurala stamceller som kallas radiella gliaceller och fungerar som den huvudsakliga källan till neuroner som produceras under hjärnans utveckling genom processen med neurogenes .
Icke-neural ektodermvävnad
Paraxial mesoderm som omger notokorden vid sidorna kommer att utvecklas till somiterna (framtida muskler, ben och bidrar till bildandet av ryggradsdjurens lemmar ).
Neurala vapenceller
Massor av vävnad som kallas neural crest som är belägna vid kanterna på sidoplattorna i det vikande neuralröret, separerade från neuralröret och migrerar för att bli en mängd olika men viktiga celler.
Neurala toppceller kommer att migrera genom embryot och kommer att ge upphov till flera cellpopulationer, inklusive pigmentceller och cellerna i det perifera nervsystemet.
Neuralrörsdefekter
Misslyckad neurulation, särskilt misslyckande i stängning av neuralröret är bland de vanligaste och handikappande fosterskadorna hos människor, som förekommer i ungefär 1 av 500 levande födda. Underlåtenhet att stänga rostraländen av neuralröret leder till anencefali eller brist på hjärnans utveckling och är oftast dödlig. Underlåtenhet att stänga den kaudala änden av neuralröret orsakar ett tillstånd som kallas spina bifida , där ryggmärgen inte stängs.
Se även
Referenser
Vidare läsning
- Almeida, Karla L .; et al. (2010). "Neural induktion" . I Henning, Ulrich (red.). Stamcells perspektiv: Från verktyg för att studera mekanismer för neuronal differentiering mot terapi . Springer. ISBN 978-90-481-3374-1.
- Basch, Martín L .; Bonner-Fraser, Marianne (2006). "Neural Crest inducerande signaler" . I Saint-Jennet, Jean-Pierre (red.). Neural vapeninduktion och differentiering . Springer. ISBN 978-0-387-35136-0.
- Harland, Richard M. (1997). "Neural induktion i Xenopus " . I Cowan, W. Maxwell (red.). Molekylära och cellulära tillvägagångssätt för neural utveckling . Oxford University Press. ISBN 978-0-19-511166-8.
- Ladher, Raj; Schoenwolf, Gary C. (2004). "Att göra ett neuralrör" . I Jacobson, Marcus; Rao, Mahendra S. (red.). Utvecklingsneurobiologi . Springer. ISBN 978-0-306-48330-1.
- Tian, Jing; Sampath, Karuna (2004). "Golvplattans form och funktioner". I Gong, Zhiyuan; Korzh, Vladimir (red.). Fiskutveckling och genetik: zebrafisk- och medaka -modellerna . World Scientific. s. 123 , 139–140 . ISBN 978-981-238-821-6.
- Zhang, Su-Chun (2005). "Neural specifikation från mänskliga embryonala stamceller" . I Odorico, John S .; et al. (red.). Mänskliga embryonala stamceller . Garland Science. ISBN 978-1-85996-278-7.