Возникновение регионов головноо мозга

Наиболее известна модель нейральной индукции из 4-х программ развития ЦНС. Инициальной ступенью в этом процессе является закладка передне-задней оси и подразделение мозга на пузыри. Программа экспрессии транскрипционных факторов маркирует домены, которые станут передним мозгом, средним, мозжечком, задним и спинным мозгом. Начало формирования аксиального паттерна тесно связано с началом нейральной индукции. Как только экспресссия специфических транскрипционных факторов определится внутри различных територий возникающей ЦНС субнаборы нейронов начинают приобретать дорсальную или вентральную детерминацию (судьбу) Дорсализация клеток происходит происходит благодаря локально действующим пептидным ростовым факторам, которые индуцируют клетки в направлении дорсальной судьбы, и sonic hedgehog индуцируют клетки в направлении вентральной судьбы. зависимости от их расположения вдоль дорсо-вентральной оси клетки специфицируются в направлнии кортикальной или субкортикальной судьбы (Е8.5-Е13). На следующей стадии развития большую роль играет миграция, так как дорсальные регионы формируют ламинарные структуры, а вентральные регионы образуют неламинарные структуры (талямус и латеральные geniculate ядра являются исключением из этого правила). Двух-ступенчатая программа лежит в осове формирования паттерна переднего мозга, образования гиппокампа, коры мозжечка и обонятельных луковиц, областей ламинарной архитектуры. Затем образуются основные эмбриональные слои кортекса. Наконец в результате миграции нейронов из вторичного зародышевого матрикса, субвентрикулярной зоны коры, латеральных ганглиолярных возвышений и external germinal layer (EGL) мозжечка в ламинарую сеть формируюетсмя ранние паттерны спецификации ламинации и миграции клеток. Поздние миграции ноправляют большое число интернейронов в кортикальные области на поздних стадиях развития и возникают рудиментраные клеточные слои.

Перемещения клеток в раннем эмбриогенезе

Прежде чем молодые нейроны покинут вентрикулярную зону, клетки движутся в нейроэпителий. В заднем мозге пролиферирующие клетки-предшественики движутся из одного ромбомера в другой. Постмитотические клетки ограничиваются специфическими ромбомерами. В возникающем зачатке мозжечка клетки внутри EGL подвергаются морфогенетическим перемещениям от дорсального гребня, где они возникают, через зачаток roof. Когда гранулярные клетки выходят из клеточного цикла во время перинатального периода, то они начинают мигрировать радиально вдоль волокон глии. На ранних ст. развития коры у мыши (Е10-16) и хорька (Е33-35) клетки предшественники внутри вентрикулярной зоны движутся тангенциально часто диспергируя через границы регионов.

Радиальная миграция: предпочтительный путь

Радиальный путь движения нейронов обеспечивается радиальной диспозицией герминативных зон нейральной трубки, которые организуютс в псевдослойный эпителий. Предполагается, что отростки радиальной глии представлют собой путеводные нити направления миграции в головном мозге. Показано, что 80-90% из биллионов нейрональных предшественников в коре млекопитающих мигрирует вдоль глиальных волокон.

Формирование радиальных глиальных подпорок

Ранние глиальные клетки образуют отростки, которые пронизывают стенку развивающейся нервной трубки. Эти радиальные глиальные клетки создают первичные пути направленной миграции. Диффундирующие сигналы от юных нейронов индуцируют выпячивание отростков радиальной глии. Среди них RF60, нейрональный белок. Glial growth factor (GGF) или ньюрегулин, другой индуктор фенотипа радиальной глии. GGF индуцирует экспрессию липидного белка brain lipid protein (BLBP) в головном мозге.

После эпохи миграции клеток глиальные клетки трансформируются в звездчатые астроциты. Последние долго распознаются по их обильной экспрессии GFAP глиальных промежуточных филамент, основного компонента отростков звездчатых глиальных клеток. Радиальная глия и Бергмановская глия коры мозжечка экспрессируют как GFAP, так и BLBP во время миграции нейронов. Бергамановские клетки уникальны в этом отношении, они проецируют радиально свои отростки наполовину толщины кортекса. Эти глиальные клетки специализируются в поддержании миграции гранулярных клеток из герминальной зоны, где они пролиферируют в roof, т.е. в глубине, зачатка мозжечка.

Распространение отростка клетки Бергмановской глии сильно зависит от взаимодействий с нейронами, антитела против нейронального белка астротактина блокируют процесс его образования.

Развитие коры мозжечка - модель кортикальной ламинации

Развитие мозжечка связано с образованием глубоких ядер и покрывающей коры (рис.2).

Программа развития коры мозжечка. На раннем этапе развития (слева) специфицируются оба класса принципиальных нейронов. Когда клетки Пуркинье становятся постмитотическими (заполненные кружки) и мигрируют через стенку зачатка мозжечка, предшественники гранулярных клеток (незаполненные кружки)вовлекаются в морфогенетическое движение через roof. В перинатальный период (P6), гранулярные клетки становятся постмитотическими и мигрируют внутрь вдоль Бергмановской глии, занимая положение глубже клеток Пуркинье. У взрослых (справа) возникает паттерн соединений гранулярных нейронов и клеток Пуркинье (коронарная плоскость). Гранулярные клетки дают параллельные волокна, которые формируют синаптические соединения с дендритами клеток Пуркинье. EGL -наружный герминальный слой; VZ - ветнрикулярная зона; WM - белое вещество; IZ - промежуточная зона; IGL - внутренняя герминальнальный слой; РС - клетки Пуркинье

Нейроны глубоких ядер образуются перыми, следом возникают предшественики клеток Пуркинье, котороые мигрируют вдоль волокон радиальной глии, покидая мантию постмитотических предшественников. Они оккупируют широкую зону, где они остаются вплоть до постнатального периода. У мышей предшественники клеток Пуркинье образуются между 11-13 днем эмбрионального развития. Формируемая ими рудиментраная зона образует остов для образования другого слоя коры мозжечка, внутреннего cлоя ганулярных клеток.

Кортикльные нейроны диспергируют по слою и выпускают отростки во всех направлениях. Белок Reelin участвует в образовании кортикальных слоев. В мозжечке этот ген, по-видимому, действует на клетки Пуркинье. Риелин это большой внеклеточный белок, секретируемый клетками маргинальной зоны зачатка мозжечка и коры головного мозга, он омологичен F-спондину и содержит EGF-подобные повторы, сходные с теми, что имеются в тенасцине С и Х, рестриктине и β цепи интегрина. Риелин м. обуздывать инициальную миграцию незрелых клеток Пуркинье, заставляя их находиться в широкой зоне, где они взаимодействуют с врастающими аксонами и дожидаются прибытия гранулярных клеток, для миграции которых риелин не нужен.

У мутантых мышей reeler частично ингибирована экспрессия фенотипа радиальной глии, клетки короче и дизорганизованы. Это возможно непрямой ээфект CR-50 антиген/Reelin. Клетки Cajal-Retzius продуцируют CR-50 антиген/Reelin в коре мозга и гиппокампе. Возможно нейроны секретируют и другие факторы, которые способствуют дифференцировке глии или факторов, необходимых для присутствия Риелина.

Предложена модель, согласно которой ранняя миграция клеток Пуркинье и прекращение миграции для образования первого слоя клеток осуществляется с помощью механизма с уастием CR-50 антиген/Reelin, закладывающего сеть для коры мозжечка. После клональной экспансии в поверхностном EGL, гранулярные клетоки мигрируют через поле дифференцирующихся клеток Пуркинье вгубь и закладываются 3 слоя - наружный молекулярный слой из аксонов гранулярных клеток и дендритов клеток Пуркинье, слой клеток Пуркинье и внутренний слой гранулярных клеток.

Роль клеток Пуркинье в формировании паттерна кортекса мозжечка подтверждается и эволюционными сравнениями. В мозжечке человека приходится около 400 гранулярных клеток на нейрон Пуркинье.

Возникновение гранулярных клеток

Сначала в клетках запускается программа дифференцировки свойств, необходимых для миграции клеток. Гомолого дрозофилийного гена atonal, Math1 кодирует bHLH транскрипционный фактор, специфически экспресирующийся в клетках EGL мозжечка, предшественниках гранулярных нейронов. При его разрушении в кортексе мозжечка не возникают гранулярные клетки. Экспрессия Math1 выявляются уже в раннем развитии мозжечка (Е8-9), т.е. с момента обнаружения предшественников гранулярных клеток, его экспрессия ограничивается дорсальным гребнем возникающего зачатка мозжечка, гребнем, который дает ромбическую губу (рис.2). В предшественниках гранулярных клеток экспрессирунтся также Ru49 ген и его экспрессия продолжается в течение всей жимзни гранулярных клеток. Избыточная его экспрессия ведет к увеличению числа гранулярных клеток.

2 других транскрипционных фактора с цинковыми пальчиками также экспрессируются в гранулярных клетках развивающегося мозжечка, Zic1 v Zic2. Ген Ru49 экспрессируется кроме того в dentate gyrus и обонятельных луковицах. Эти области также содержат клетки, называемые гранулярными. Следовательно, это ген играет фундаментальную роль в развитии всех этих гранулярных клеток.

Предшественники гранулярных клеток впервые появляются в области нейроэпителия, непосредственно дорсальнее зоны, где генерируются клетки Пуркинье и другие нейроны мозжечка. Эта зона, называемая ромбической губой (rhombic lip) продолжается в дорсальный гребень территории мозжечка. Клетки этого домена отделяются от соседнего нейроэпителия, пересекают губу и мигрируют на поверхность зачатка. Тонкий слой пролиферирующих клеток, который распространяется через свод зачатка, называется EGL. Клетки ромбичской губы это единственный класс мозжечковых клеток, который дает грануляные клетки. Во время их миграции по своду зачатка клетки предшественники приобретают способность продцировать индуктивные сигналы, которые регулируют дифференцировку гранулярных клеток и становятся компетентными к восприятию этих сигналов. Таким образом, локальные сигналы EGL регулируют экспансию и дифференцировку гранулярных клеток. После рождения происходит быстрая пролиферация клеток в EGL. После чего в этих келетках запускается программа радиальной миграции в зачаток. Во время которой они подвергаются финальной дифференцировке.

Установлено. что гены утпкфшдув (En1, EN2) участвуют в формировании области мозжечка, что ВМР дорсализуют клетки этой облaсти, а дорсальные маркеры Math1, Zic1 и Zic2 участвуют в спецификации и миграции популяции гранулярных клеток. Клетки радиальной глии, могут распознаваться по экспрессии RC-2 и BLBЗ, а предшественники клеток Пуркинье по ряду маркеров, включая Calbindin. Это указывает на то. что кортекс мозжечка использует позиционную информацию вдоль передне-задней и дорсо-вентральной осей для спецификации клеток в раннем эмбриогенезе. Что отличает мозжечок от заднего и спинного мозга так это возникновение радиальных путей миграции принципиальных нейронов и новый путь миграции для создания вторичного герминального матрикса интернейронов. После их миграции по своду зачатка гранулярные клетки используют радиальную глию для миграции в фундамент, заложенный первой генерацией нейронов, клетками Пуркинье.

Миграция гранулярных клеток вдоль глиальных отростков

В мигрирующих клетках обнаруживаются специализированные миграционные соединения, интерстициальные соединения, на теле нейрональных клеток в местах прикрепления к глиальному волокну. Это соединение состоит из расширенного межклеточного пространства и филаментозного материала в этом пространстве. которые заполняет пробел и делает мембрану каждой клетки продолжением цитоскелетных элементов. Эти итерстициальные соединения обнаруживаютс только в клетках, движущихся вдоль глиального отростка. Напротив в отдыхающих клетках обнаруживюатся puncta adherentia или attachment соединения, в месте прикосновения нейрона к глиальному отростку. В отличие от миграционных соединений - это небольшие фокальные уплотнения, лишенные какой-либо связи с цитоскелетом.

Молекулярные механизмы миграции, направляемой глией

Модель миграции нейронов а ЦНС вдоль волокон радиальной глии. Когда нейрон мигрирует он выпускает подвижные, ведущие отростки, которыео хватывают глиальный продводник. В системе рецепторов клеточной адгезии фыекщефсешт (Фыет)представляет собой нейрон-глиальный лиганд. Компоненты внеклеточного матрикса также могут играть роль. Однако, они скорее всего функционируют на расширениях аксонов.

Нейральный гликопротеин астротактин представляет нейральную рецепторную систему миграции вдоль глии. Белок содержит повторы эпидермального фактора роста и домены фибронектина типа III. Ген кодирует специфичные для головного мозга транскрипты, обнаруживающие высокий уровен экспрессии в развивающемся головном мозге и низкие уровни во взрослом мозге. Ген Astn локализован в хромосоме 1 человека в диске 1q25.2. К этому локусу привязаныи некотороые семьи с микроэнцефалией. У Astn нулевых мутантных мышей размеры нейронального слоев коры и мозжечка уменьшены. У них нарушена также миграция клеток и развитие клеток Пуркинье.

Было установлено, что белок внеклеточного матрикса тромбоспондин (thrombospondin) экспрессируется на аксонах гранулярных клеток. Тенасцин, по-видимому, играет противоположную роль, а именно, стимулирует продукцию нейритов и тем самым стимулирует миграцию И тромбоспондини тенасцин влияют на миграцию непрямо нарушая скорость образования параллельных волокон. Сходные результаты получены и для других молекул, включая аксональные гликопротеины NCAM и L1. Они также влияют на параллельные волокна, а не на тело клетки, когда оно перемещается вдоль глиального отростка.

GGF или ньюрегулин экспрессируется в гранулярных клетках, когда они перемещадтся по Бергмановскому глиальному волокну. Он соединяется с рецептором укиИ на глиальной поверхности.

Фундаментальные эмбриональные слои коры головного мозга

Постмитотические нейроны мигрируют прочь от внутренней поверхности нервной трубки по траекториям, проложенным системой волокон радиальной глии. Когда первая нейрональная популяция мигрирует из вентрикулярной зоны (VZ), то появляется зона аксонов между герминативной зоной и мантией постмитотических клеток (рис.4).

Развитие коры головного мозга. На ранней фазе нейрогенез происходит в компактной герминальной зоне, выстилающей желудочки [ventricular zine (VZ)] (слева). Аксоны растут поверх этой зоны и образуют промежуточную зону (IZ). Следующая волна постмитотических нейронов мигрирует через IZ и образует preplate (PP). Продолжающаяся миграция расщепляет РР на маргинальную зону (MZ) и кортикальную пластинку (СР). Затем, последующие волны миграции располагают клетки в 6 слоях. Клетки внутри каждого из этих слдоев имеют специфические паттерны проекций как внутри коры, так и в удаленные места ЦНС. У взрослых аксональные тракты называются белым веществом (WM). Клетки Cajal-Retzius располагаются в РР, MZ и слое 1.

Эта промежуточная зона (IZ) состоит из первых аксонов, откладываемых при эмиграции нейронов первой волны чтобы стать постмитотическими вне МЯ. Удлиннение аксонов обнаруживается на E8.5, когда закрывается нейропор. Ранние тракты аксонов обнаруживаются на Е10, когда нейрогенез и миграция начинают зпкладывать ламинарную структуру кортекса. На ст.Е10-12 у мышей в покрывающая маргинальная зона состоит из Cajal-Retzius клеток, вообще первых сгенерированых нейронов кортикальных областей головного мозга, нейронов, которые будут формировать глубокий слой и subplate (подпластинковые)нейроны.

В переденем мозге имеются 2 специфических паттерна экспрессии факторов транскрипции - Otx и BF1. На ст. Е8 экспрессия Otx и BF1 ограничена возникающим передним мозгом. Между Е8 и Е9.5 закладывается дорсо-вентральная ось в результате экспрессии BMPs вдоль дорсального грення и экспрессии Ырр в прехордальной мезодерме. После этого возникают территории экспрессси транскрипционных факторов. Нейрональная миграция происходит после регионализации и закладки плана спецификации судьбы клеток, как средства для генерации клеточной архитектуры, специфичной для определенных областей головного мозга.

Эксперименты на нейронах мозжечка показали, что стоп-сигнал для нейрональной миграции не является простым отлеплением (de-adhesion), а сигналом, испускаемым target аксонами, проецирующимися в направлении нейрона. Эта модель подтвержается тем фактом, что в развивающемся головном мозге аксоны растут в направлении своих мишенй во время периода миграции клеток. Другим классом стоп-сигналов является компонент ВКМ Reelin, который задерживает самые ранние сгенерированые нейроны в коре и мозжечке

У мутантов scrambler и yotari имеется тот же дефицит кортикогенеза, что и у мутантов reeler. Scrambler является гомологом дрозофилийного гена disabled, ген mdab мыши. По-видимому, продукты этих генов являются частью сигнального пути, регулирующего нейрональную ламинацию.

Классом генов, который нарушает клеточный цикл, и следовательно влияет на формирование паттерна клеток, является cdk5. разрушение гена cyclin-dependet kinase ведет к аномальному расположению клеток, нарушению кортикогенеза и пренатальной гибели у человека. У мышей с отсутствием р35 нарушена миграция клеток.

Тангенциальная миграция в коре мозга

Получены доказательства тангенциального движения аусонов поперек плоскости системы глиалных волокон. Хотя радиальная плоскость и радиальные глиальные поддержки аккомодируют основныю массу клеток (80-85%), однако субпопуляция клеток перемещается тангенциально внутри промежуточной зоны.

Помимо дисперсии поперек трактов нейритов в промежуточной зоне и некоторые клетки, движущиеся вдоль глиального волокна, начинают перемещаться тангенциально к радиальной плоскости нейро-оси, возможно из-за того что глиальные отростки дают веточки в развивающейся кортикальной пластинке или сами обнаруживают отклонения, за которыми неукоснительно следуют нейроны. Пути миграции каким-то образом сказываются и на спецификации типов нейронов.

Миграция нейронов у нейрологических мутантных мышей

У weaver мутантов предшествнники гранулярных клеток в кортексе мозжечка неспособны мигрировать вдоль глиальных волокон и погибают в эктопической позиции. Этот ген действует в незрелых нейронах. Нарушения развития у мутантов оказались связанными с нарушением функции точковой мутации G protein-gated inwardly rectifying potassium (GIRK2) канальцев. Что и обусловливает гибель нейронов до миграции. мутантов reeler клетки Cajal-Reitzius остаются на верхушке неподразделенной предпластинки или в верхней пластинке. нейроны кортикальной пластинки, накапливающиеся под верхней пластинкой сильно беспорядочны и не организованы в слои. По-видимому Reelin являтеся вКМ-подобным белком, который может взаимодействовать с другими адгезивными белками и обеспечивать слипчивость клеток. Ген Reelin у человека локализован на хромосоме 7q22.

Вторичные Germinal Matrices

Вторичные герминальные matrices представляют собой большую популяцию нейронов, которые генерируются в зоне, отдаленой от VZ, и которые интеркалируются в ламинарную структуру, которая образована в результате миграции больших нейронов из VZ. Эти классы нейронов являются малыми интернейронами, которые образуют локальный circuit соединений для принципиальных исходящих нейронов, сгенерированных ранее. EGL мозжечка представляет классический пример смещенной герминальной зоны, которая генерирует нейроны в постнатальный период. Нейроны в EGL происходят из ромбической губы и мигрируют по поверхности зачатка мозжечка. Посоле экспансии во время второй постнатальной недели развития их образуются миллионы у мышей и десятки миллиорнов у человека. В постнатальный период клетки в этой поверхностной EGL начинают мигрировать в кортекс мозжечка. К тому времени клетки Пуркинье уже сидят в широкой зоне, служа матрицей для ламинации( слоеобразования). Т.о., гранулярные клетки, огромная популяция интернейронов, мигрируют внутрь после образования рудиментов мозжечка к ожидающим клетками Пуркинье. Так как они пролиферируют в смещенной зоне и мигрируют в предсуществующую ламинарную структуру, то они являются кардинальнымпримером вторичного нейрогнеза.

Внутри развивающегос неокортекса, вторичный матрикс, называемый subventricular zone (SVZ), развивается выше первичной VZ. Эта зона дает большую популяцию глии, как астроцитов, так и олигодендроцитов, а также нейроны во время раннего постнатального периода кортикогенеза мыши. Эта популяция клеток мигрирует преимущественно радиальными путями. Первые сгенерированые нейроны, по-видимому. используют радиальную глию, поздно сгенерированные клетки часто мигрируют тангенциально вдоль аксонов в IZ.

Миграция SVZ клеток в обонятельные луковицы

Субвентрикулярная зона (SVZ) поддерживает пролиферативную популяцию стволовых клеток в течение жизни. Установлено, что нейроны, возникшие в SVZ мигрирут в кортекс в перод, кода новые нейроны добавлются к гиппокампу и vocal ядрам. У крыс SVZ служит источником клеток для разивающихся обонятельных луковиц. Эта популяция нейронов, подобно лимбической губе и dentate gyrus, продолжает клонаьную экспансию и в постнатальный период. Нейроны из этой зоны обнаруживают дальнюю, тангенциальную миграцию в обонятельные луковицы, глиальные клетки не участвуют в их наведении. Они скорее мигрируют "daisy chain"-подобным способом, одна через другую. В их миграции используется сиалированная форма NCAM (PS-NCAM).

Из почти 100 кДНК генов клонированных из гранулярных нейронов большинство экспрессируется во всех трех регионах нервной системы, где происходит вторичный нейрогенез. Значит молекулярные маркеры гранулярных клеток мозжечка экспрессируются и в двух других классах клеток, называемых гранулярными клетками, те что в dentate gyrus и обонятельных луковицах, хотя между ними существуют различия. Так, гранулярные клетки мозжечка являются возбуждающими нейронами, тогда как в обонятельных луковицах ингибирующими. Таким образом, предшественники кортикальной SVZ, подобно клеткам ромбичской губы и зубчатого гируса гиппокампа, пролиферируют в смещенной герминальной зоне генерируя огромную массу гранулярных нейронов. Ее клетки обеспечивают замещение нейронов во взрослых обонятельных луковицах.

Миграция клеток из латеральных ганглиолярных возвышений в неокортекс

Известно, что клетки из lateral ganglionic eminence (LGE) мигрируют в соседние вентральную область и талямус по внутренней капсуле. Однако, идея, что возможна миграция из вентральных областей головного мозга в дорсальные, нова. Установлено, что нейроны из LGE и striatum мигрируют в кортикальную маргинальную зону. LGE сдержит кагорту GABAергических нейронов, которые могут мигрировть через тракты аксонов в IZ коры. Они движутся тангенциально вдоль врастаний кортикальных аксонов и инкорпорируются в кортекс. Следовательно, тракты аксонов, ведущие в неокортекс являются путями миграции нейронов из LGE.

Разные способы миграции создают и другие ламинарные структуры: сетчатка и спинной мозг

В сетчатке клонально связанные клетки происходят из мультипотентных предшественников, диспергирующих радиально. Способ миграции молодых нейронов в сетчатке, по-видимому, interkinetic, to-and-fro движения ядер, в клетках разных фаз клеточного цикла. Такие движения происходят в ранней фазе кортикального развития до образования 4-х эмбриональных слоев. Один класс клеток сетчатки, амакринные клетки, обладает дально-действующей миграцией, на несколько диаметров клеток. Такие клетки могут двигаться свободно без подлежащего клеточнго субстрата. Система радиальных глиальных волокон в сетчатке не образуется.

В спинном мозге имеется комбинация интеркинетичских смещений, формирование мантийного слоя, ограниченная радиальная миграция вдоль глальных волокон и экстенсиваня тангенциальная миграция вдоль трактов аксонов. Выявлено значительное перемешивание клеток пердшественников в герминаьной зоне спинного мозга. Степеь подвижности клеток предшественников прогрессивно ограничивается во время развития спинного мозга. Интересным является перемещение клеток вдоль ростро-каудальной оси в задних отделах спинного мозга.