stringtranslate.com

Развитие коры головного мозга

Развитие коры головного мозга , известное как кортикогенез, представляет собой процесс, в ходе которого формируется кора головного мозга как часть развития нервной системы млекопитающих, включая ее развитие у людей . Кора является внешним слоем мозга и состоит из шести слоев . Нейроны , сформированные в желудочковой зоне, мигрируют в свои конечные местоположения в одном из шести слоев коры. [1] Этот процесс происходит с 10 по 17 день эмбрионального развития у мышей и между 7 и 18 неделями беременности у людей. [2]

Кора головного мозга — это внешний слой мозга, состоящий в основном из серого вещества или тел нейронов. Внутренние области мозга состоят из миелинизированных аксонов и выглядят как белое вещество .

Кортикальные пластинки

Предварительная пластина

Препластина — это первая стадия кортикогенеза, предшествующая развитию кортикальной пластинки. Препластина расположена между мягкой мозговой оболочкой и желудочковой зоной. Согласно современным знаниям, препластина содержит первенствующие или пионерные нейроны . Эти нейроны в основном считаются клетками Кахаля-Ретциуса , транзиторным типом клеток, который подает сигналы для миграции и организации клеток . [3]

Подплитка

Визуализация кортикогенеза у мыши. 6 слоев коры мигрируют из желудочковой зоны через субпластинку, чтобы остановиться в кортикальной пластинке (слои 2–6) или в краевой зоне (слой 1)

Препластина также содержит предшественника субпластины, который иногда называют слоем. По мере появления кортикальной пластины препластина разделяется на два компонента. Клетки Кахаля-Ретциуса переходят в краевую зону, над кортикальной пластиной, в то время как субпластина перемещается ниже 6 кортикальных слоев. [1]

Соответствующее функционирование и развитие подпластины в значительной степени зависит от организации и связности. Нарушения при переходе от подпластины к кортикальной пластине могут привести к значительным порокам развития и нарушению функции таламуса, активности тормозных нейронов и созреванию кортикального ответа. Травмы во время второго триместра развития человека были связаны с такими расстройствами, как детский церебральный паралич и эпилепсия . [4]

Кортикальная пластинка — это конечная пластинка, сформированная в процессе кортикогенеза. Она включает кортикальные слои со второго по шестой. [1]

Подпластинка расположена под кортикальной пластинкой. Она названа так как по своему расположению относительно кортикальной пластинки, так и по временным рамкам, в которых она создается. Пока кортикальная пластинка созревает, клетки, расположенные в подпластинке, устанавливают связи с нейронами, которые еще не переместились в свой целевой слой внутри кортикальной пластинки.

Пионерные клетки также присутствуют в субпластинке и работают над созданием нейронных синапсов внутри пластинки. [1] На раннем этапе развития синаптические связи и цепи продолжают разрастаться с экспоненциальной скоростью.

Кортикальные зоны

У людей промежуточная зона расположена между желудочковой зоной и кортикальной пластинкой. Промежуточная зона содержит биполярные клетки и мультиполярные клетки . Мультиполярные клетки имеют особый тип миграции , известный как мультиполярная миграция , они не похожи на клетки, мигрирующие путем локомоции или сомальной транслокации. Вместо этого эти мультиполярные клетки экспрессируют нейронные маркеры и расширяют множественные тонкие отростки в различных направлениях независимо от радиальных глиальных волокон. [5] [1] Эта зона присутствует только во время кортикогенеза и в конечном итоге трансформируется во взрослое белое вещество.

Желудочковая и субвентрикулярная зоны находятся ниже промежуточной зоны и сообщаются с другими зонами посредством клеточной сигнализации. Эти зоны дополнительно создают нейроны , предназначенные для миграции в другие области коры. [1] [6]

Маргинальная зона вместе с корковой зоной составляют 6 слоев, которые формируют кору. Эта зона является предшественником слоя I коры. Астроциты образуют внешнюю ограничивающую мембрану для взаимодействия с мягкой мозговой оболочкой. У людей было обнаружено, что клетки здесь также образуют субпиальный слой. [1] Клетки Кахаля-Ретциуса также присутствуют в этой зоне и выделяют рилин вдоль радиальной оси, ключевую сигнальную молекулу в миграции нейронов во время кортикогенеза. [7]

Формирование слоев

Кора головного мозга делится на слои. Каждый слой образован радиальными глиальными клетками, расположенными в желудочковой зоне или субвентрикулярной зоне, а затем мигрирующими к месту своего конечного назначения. [8]

Слои коры головного мозга, ориентированные от самых поверхностных (верхняя часть изображения) до самых глубоких (нижняя часть изображения).

Слой I

Слой I, молекулярный слой , является первым кортикальным слоем, образующимся во время нейрогенеза у мышей на эмбриональных днях 10,5–12,5 (E10.5–E12.5). [7] Из шести слоев, обнаруженных в неокортексе, слой I является самым поверхностным и состоит из клеток Кахаля–Ретциуса и пирамидальных клеток . [8] Этот слой уникален тем, что эти клетки мигрируют к внешнему краю коры, в отличие от миграции, которую испытывают другие 5 слоев. Слой I также характеризуется экспрессией рилина , транскрипционного фактора T-box brain 1 и кортикального миграционного нейронального маркера. [1]

Слои II и III

Второй и третий слои, или внешний зернистый слой и внешний пирамидальный слой соответственно, формируются в эмбриональном возрасте мыши в возрасте от 13,5 до 16 дней (E13.5 до E16). Эти слои формируются последними в ходе кортикогенеза и включают пирамидальные нейроны , астроциты, звездчатые клетки и радиальные глиальные клетки.

У людей пирамидальные и звездчатые нейроны экспрессируют SATB2 и CUX1 . SATB2 и CUX1 — это ДНК-связывающие белки, участвующие в определении судьбы корковых клеток. [8]

Слои IV, V и VI

Четвертый, пятый и шестой слои, или внутренний зернистый слой , внутренний пирамидальный слой и многоформный слой , соответственно, формируются у мышей в течение E11.5 - E14.5. В эти слои входят звездчатые, радиальные глиальные и пирамидальные нейроны. Слой VI примыкает к желудочковой зоне. Во время образования этих слоев экспрессируются факторы транскрипции TBR1 и OTX1 вместе с CTIP2 или кортиконейрональным белком цинкового пальца. [8]

Миграция нейронов

Миграция нейронов играет важную роль в кортикогенезе. В течение всего процесса создания шести слоев коры все нейроны и клетки мигрируют из желудочковой зоны через подпластинку и останавливаются в соответствующем им слое коры. Миграция нейронов обычно подразделяется на радиальную миграцию , тангенциальную миграцию и многополярную миграцию . [1] Миграция подкорковых функций мозга в кору известна как кортикализация . [9]

Клеточная сигнализация

Соответствующее формирование коры головного мозга в значительной степени зависит от тесно переплетенной сети множественных сигнальных путей и отдельных сигнальных молекул. Хотя большую часть процесса еще предстоит понять, некоторые сигналы и пути были тщательно распутаны в попытке получить полное знание механизмов, которые контролируют кортикогенез.

Путь рилина-DAB1

Путь рилин - DAB1 является четко определенным путем, участвующим в кортикогенезе. [10] Клетки Кахаля-Ретциуса, расположенные в краевой зоне, секретируют рилин, чтобы запустить каскад. Рилин способен взаимодействовать со специфическими нейронами в кортикальной пластинке и направлять эти нейроны в их правильные места. Считается, что результат нижестоящей передачи сигнала может влиять на цитоскелет . Рилин секретируется только клетками Кахаля-Ретциуса, расположенными в краевой зоне, и его рецепторы ограничены кортикальной пластинкой. Это разделение можно использовать для понимания действий рилина. [1]

DAB1 — это регуляторный белок ниже рецепторов рилина. Этот белок находится внутри клеток, находящихся в желудочковой зоне, демонстрируя самые высокие концентрации в мигрирующих пирамидальных клетках. Когда рилин или DAB1 инактивируются у мышей, полученные фенотипы одинаковы. В этом случае нейроны не могут правильно мигрировать через кортикальную пластинку. Он не влияет на пролиферацию нейронов и в дикой природе, по-видимому, не оказывает пагубного воздействия на память или обучение. [1] [6]

Соник ёжик

Было показано, что отключение Sonic hedgehog , или Shh , серьезно влияет на кортикогенез у генетически модифицированных мышей. Вентральная и дорсальная стороны головного мозга страдают, поскольку Shh экспрессирует факторы транскрипции в Nkx2 , что важно для формирования коры. Shh также важен для кортикогенеза, поскольку он влияет на пролиферацию и дифференциацию клеток, помогая нейронным прогениторным клеткам в определении судьбы. [11]

БМП-7

У мышей костный морфогенетический белок 7 (Bmp-7) является важным регулятором кортикогенеза, хотя неясно, способствует ли он или подавляет нейрогенез . Bmp-7 может быть обнаружен в желудочковой зоне и секретируется в спинномозговую жидкость (СМЖ). СМЖ является областью, способствующей нейрогенезу, и считается, что синергия между Bmp-7 и другими регуляторами способствует делению клеток вместе с гомеостазом. [12]

Известно, что другие костные морфогенетические белки также влияют на кортикогенез у мышей. Bmp2, 4, 5 и 6 экспрессируются во время этого процесса и могут компенсировать друг друга. Например, если бы Bmp-4 отсутствовал в кортикогенезе, в фенотипе коры изменилось бы очень немногое, поскольку другие Bmp помогают выполнять задачи Bmp-4. Однако Bmp-7 является единственным Bmp, который способствует выживанию радиальной глии и поэтому считается более важным. [12]

Путь Cdk5-p35

Cdk5 имеет путь, параллельный рилин-DAB1. Этот путь влияет на нейронное позиционирование и приводит к таким же порокам развития, когда отсутствует, как и пороки развития рилина или DAB1, за исключением того, что миграция затрагивается на более ранней стадии на кортикальной пластинке. Путь Cdk5/p35 также отвечает за динамику актина и микротрубочек, участвующих в нейронной миграции. [1]

Циклин-зависимый ингибитор киназы 1C , или p57, также влияет на кортикогенез. Было показано, что p57 побуждает клетки выходить из клеточного цикла и начинать дифференциацию, но он зависит от Cdks . p57 способен побуждать нейрональные клетки-предшественники начинать дифференциацию в высокоспециализированные нейроны в коре. Однако механизм, посредством которого p57 способен влиять на такой контроль, пока не известен. [13]

Другие сигналы

Помимо перечисленных выше, есть еще несколько сигналов, которые влияют на кортикогенез. Cnr1 — это рецептор, связанный с G-белком , который широко экспрессируется по всему мозгу и в интернейронах . У нокаутных мышей кора головного мозга демонстрировала сниженную иммунореактивность. Также было показано, что Nrp1 , Robo1 и Robo2 присутствуют и играют важную роль в развитии интернейронов. Известно, что Cdh8 экспрессируется в промежуточной и субвентрикулярной зоне, хотя и не в определенных нейронах в этой области, и предполагается, что он регулирует высвобождение волокон. [6]

Нарушения развития коры головного мозга

Лиссэнцефалия

Лиссэнцефалия , или «гладкий мозг», — это расстройство, при котором мозг неправильно формирует извилины и борозды в результате миграции нейронов и кортикальной складчатости. Это расстройство также может привести к эпилепсии и когнитивным нарушениям. [14] Лиссэнцефалия 1-го типа возникает из-за ошибки миграции. LIS1, также известный как PAFAH1B , — это ген, который экспрессируется как в делящихся, так и в мигрирующих клетках, обнаруженных в мозге. Когда LIS1 удаляется, возникает лиссэнцефалия. [1]

Считается, что LIS1 играет несколько важных ролей в создании коры. Поскольку LIS1 похож на ядерный распределительный белок F ( nudF ), считается, что они работают аналогично. Известно, что семейство nud является фактором ядерной транслокации или перемещения ядер дочерних клеток после того, как произошло деление клетки . [14] По связи считается, что LIS1 является фактором нейронной миграции. LIS1 также считается фактором, контролирующим динеин , двигательный белок, который влияет на межклеточное движение, такое как сортировка белков и процесс деления клеток. [1]

Другим белком, способствующим расстройству лиссэнцефалии, является DCX, или даблкортин . DCX — это белок, связанный с микротрубочками, который отвечает за двойные пороки развития коры. [1] DCX находится во втором слое коры и фактически все еще присутствует в незрелых нейронах взрослой коры. [15] Считается, что DCX влияет на миграцию нейронов, влияя на динамику микротрубочек. Поскольку пороки развития DCX приводят к такому же фенотипу, как и пороки развития LIS1, считается, что они взаимодействуют друг с другом на клеточном уровне. Однако пока неизвестно, как это происходит. [1]

нокаут Tsc1

TSC, или туберозный склероз , является аутосомно-доминантным заболеванием, которое приводит к образованию опухолей вдоль нейроэктодермально-производной ткани . Инактивация TSC1 или TSC2 может вызвать TSC и связанные с ним опухоли в мозге. Когда инактивация TSC1 присутствует во время кортикогенеза, у мышей образуются пороки развития кортикальных клубней или аномальный доброкачественный рост ткани, а также узлы белого вещества. Это повторяет эффект TSC, который, как обнаружено, оказывает у людей, страдающих TSC. У мышей будет отсутствовать GFAP в астроцитах, однако астроглиоз не возникнет, как в человеческом TSC. [16]

Деформация коры головного мозга человека (избыточная складчатость)

Изменения в натриевом канале SCN3A и Na+/K+,АТФазе (ATP1A3) связаны с кортикальными пороками развития. [17] [18]

Перепросмотр

Рекапитуляция кортикогенеза как в человеческих, так и в мышиных эмбрионах была достигнута с помощью трехмерной культуры с использованием эмбриональных стволовых клеток (ЭСК). При тщательном использовании промежуточных продуктов эмбрионального тела и культивировании в бессывороточной среде корковые предшественники формируются в пространственно-временной модели, аналогичной кортикогенезу in vivo . При использовании иммуноцитохимического анализа на мышиных нейральных стволовых клетках, полученных из ЭСК, через 6 дней были получены доказательства нейронной дифференциации. [8] Способность к рекапитуляции появляется только после того, как были идентифицированы знания пространственных и временных моделей, а также предоставлены знания о том, что кортикогенез может происходить без ввода со стороны мозга. [19]

Ссылки

  1. ^ abcdefghijklmnop Мейер, Г. (2007). Генетический контроль нейронных миграций в развитии коры головного мозга человека . Достижения в области анатомии, эмбриологии и клеточной биологии. Т. 189. Springer. doi :10.1007/978-3-540-36689-8. ISBN 978-3-540-36689-8. PMID  17212070.
  2. ^ Haydar TF, Blue ME, Molliver ME, Krueger BK, Yarowsky PJ (октябрь 1996 г.). «Последствия трисомии 16 для развития мозга у мышей: кортикогенез в модели синдрома Дауна». J Neurosci . 16 (19): 6175–82. doi :10.1523/JNEUROSCI.16-19-06175.1996. PMC 6579184 . PMID  8815899. 
  3. ^ Gil-Sanz, Cristina; Franco, Santos J.; Martinez-Garay, Isabel; Espinosa, Ana; Harkins-Perry, Sarah; Müller, Ulrich (2013-08-07). «Клетки Кахаля-Ретциуса инструктируют нейронную миграцию с помощью совпадений сигналов между секретируемыми и контактно-зависимыми направляющими сигналами». Neuron . 79 (3): 461–477. doi :10.1016/j.neuron.2013.06.040. ISSN  0896-6273. PMC 3774067 . PMID  23931996. 
  4. ^ Канольд, Патрик О. (2009-08-20). «Субпластинчатые нейроны: критические регуляторы развития и пластичности коры». Frontiers in Neuroanatomy . 3 : 16. doi : 10.3389/neuro.05.016.2009 . ISSN  1662-5129. PMC 2737439. PMID 19738926  . 
  5. ^ Табата Х., Накадзима К. (ноябрь 2003 г.). «Мультиполярная миграция: третий режим радиальной миграции нейронов в развивающейся коре головного мозга». J. Neurosci . 23 (31): 9996–10001. doi : 10.1523/jneurosci.23-31-09996.2003 . PMC 6740853 . PMID  14602813. 
  6. ^ abc Antypa M, Faux C, Eichele G, Parnavelas JG, Andrews WD (ноябрь 2011 г.). «Дифференциальная экспрессия генов в миграционных потоках корковых интернейронов». Eur J Neurosci . 34 (10): 1584–94. doi :10.1111/j.1460-9568.2011.07896.x. PMC 3401901 . PMID  22103416. 
  7. ^ ab Kwon HJ, Ma S, Huang Z (март 2011 г.). «Радиальная глия регулирует расположение клеток Кахаля-Ретциуса в ранней эмбриональной коре головного мозга». Dev Biol . 351 (1): 25–34. doi :10.1016/j.ydbio.2010.12.026. PMID  21185282.
  8. ^ abcde Germain N, Banda E, Grabel L (октябрь 2010 г.). «Нейрогенез эмбриональных стволовых клеток и нейронная спецификация». J Cell Biochem . 111 (3): 535–42. doi :10.1002/jcb.22747. PMID  20589755.
  9. ^ "кортикализация". Бесплатный словарь .
  10. ^ Moon, UY; Park, JY; Park, R.; Cho, JY; Hughes, LJ; McKenna J III; Goetzl, L.; Cho, SH; Crino, PB; Gambello, MJ; Kim, S. (2015). «Нарушение передачи сигналов Reelin-Dab1 приводит к дефициту миграции нейронов». Cell Reports . 12 (6): 965–978. doi :10.1016/j.celrep.2015.07.013. PMC 4536164 . PMID  26235615. 
  11. ^ Komada M (июнь 2012 г.). «Sonic hedgehog signaling координирует пролиферацию и дифференциацию нейральных стволовых/прогениторных клеток, регулируя кинетику клеточного цикла во время развития неокортекса». Congenit Anom (Киото) . 52 (2): 72–7. doi :10.1111/j.1741-4520.2012.00368.x. PMID  22639991.
  12. ^ ab Segklia A, Seuntjens E, Elkouris M, Tsalavos S, Stappers E, Mitsiadis TA, Huylebroeck D, Remboutsika E, Graf D (2012). "Bmp7 регулирует выживание, пролиферацию и нейрогенные свойства нейронных клеток-предшественников во время кортикогенеза у мышей". PLOS ONE . ​​7 (3): e34088. Bibcode :2012PLoSO...734088S. doi : 10.1371/journal.pone.0034088 . PMC 3312908 . PMID  22461901. 
  13. ^ Tury A, Mairet-Coello G, DiCicco-Bloom E (2011). «Ингибитор циклинзависимой киназы p57 (Kip2) регулирует выход из клеточного цикла, дифференцировку и миграцию эмбриональных предшественников коры головного мозга». Cerebral Cortex . 21 (8): 1840–56. doi :10.1093/cercor/bhq254. PMC 3138513 . PMID  21245411. 
  14. ^ ab Toba S, Hirotsune S (август 2012). «Уникальная роль динеина и белков семейства nud в кортикогенезе». Neuropathology . 32 (4): 432–9. doi :10.1111/j.1440-1789.2012.01301.x. PMID  22393875.
  15. ^ Чжан М. К., Ван Х., Сюн К. (2011). «Является ли неокортекс новым резервуаром для нейрогенеза взрослых млекопитающих?». Neural Regeneration Research . 6 (17): 1334–41. doi :10.3969/j.issn.1673-5374.2011.17.009.
  16. ^ Feliciano DM, Su T, Lopez J, Platel JC, Bordey A (апрель 2011 г.). «Выключение Tsc1 в одной клетке во время кортикогенеза приводит к образованию клубневидных поражений и снижению порога судорог у мышей». J Clin Invest . 121 (4): 1596–1607. doi :10.1172/JCI44909. PMC 3069783 . PMID  21403402. 
  17. ^ Смит, RS; Кенни, CJ; Ганеш, V; Джанг, A; Борхес-Монрой, R; Партлоу, JN; Хилл, RS; Шин, T; Чен, AY; Доан, RN; Анттонен, AK; Игнатиус, J; Медне, L; Бённеманн, CG; Хехт, JL; Салонен, O; Баркович, AJ; Подури, A; Вилке, M; де Вит, MCY; Манчини, GMS; Щтриха, L; Им, K; Амром, D; Андерманн, E; Паэтау, R; Лехесйоки, AE; Уолш, CA; Лехтинен, MK (5 сентября 2018 г.). "Регуляция натриевого канала SCN3A (NaV1.3) в формировании складок коры головного мозга человека и развитии оральной моторики". Нейрон . 99 (5): 905–913.e7. doi :10.1016/j.neuron.2018.07.052. PMC 6226006. PMID 30146301  . 
  18. ^ Смит, Ричард С.; Флорио, Марта; Акула, Шьям К.; Нил, Дженнифер Э.; Ван, Йиди; Хилл, Р. Шон; Гольдман, Мелисса; Маллалли, Кристофер Д.; Рид, Нора; Белло-Эспиноза, Луис; Флорес-Сарнат, Лаура; Монтейро, Фабиола Паоли; Эразмо, Казелла Б.; Пинто и Вайро, Филиппо; Морава, Ева; Баркович, А. Джеймс; Гонсалес-Гейдрих, Джозеф; Браунштейн, Кэтрин А.; МакКэрролл, Стивен А.; Уолш, Кристофер А. (22 июня 2021 г.). «Ранняя роль Na +, K + -АТФазы (ATP1A3) в развитии мозга». Труды Национальной академии наук . 118 (25): e2023333118. doi : 10.1073/pnas.2023333118 . PMC 8237684. PMID  34161264 . 
  19. ^ Гаспар Н., Буше Т., Урез Р., Димидшштейн Дж., Найе Г., ван ден Амеле Дж., Эспуни-Камачо И., Херпоэль А., Пассанте Л., Шиффманн С.Н., Гайяр А., Вандерхаэген П. (сентябрь 2008 г.). «Внутренний механизм кортикогенеза из эмбриональных стволовых клеток». Природа . 455 (7211): 351–7. Бибкод : 2008Natur.455..351G. дои : 10.1038/nature07287. ПМИД  18716623.