Dezvoltarea sistemului nervos - Development of the nervous system

Dezvoltarea sistemului nervos , sau dezvoltarea neuronale , sau neurodezvoltare , se referă la procesele care generează, forma și remodelarea sistemului nervos al animalelor, din primele etape ale dezvoltarii embrionare la maturitate. Domeniul dezvoltării neuronale se bazează atât pe neuroștiințe, cât și pe biologia dezvoltării, pentru a descrie și furniza informații despre mecanismele celulare și moleculare prin care se dezvoltă sistemele nervoase complexe, de la nematode și muște ale fructelor la mamifere .

Defectele dezvoltării neuronale pot duce la malformații, cum ar fi holoprosencefalia , și o mare varietate de tulburări neurologice, inclusiv pareza și paralizia membrelor , tulburări de echilibru și vedere și convulsii , iar la om alte tulburări, cum ar fi sindromul Rett , sindromul Down și dizabilitatea intelectuală .

Prezentare generală a dezvoltării creierului vertebratelor

Diagrama sistemului nervos al vertebratelor.

Sistemul nervos central al vertebratelor (SNC) este derivat din ectoderm - cel mai exterior strat de germeni al embrionului. O parte a ectodermului dorsal devine specificată ectodermului neuronal - neuroectoderm care formează placa neuronală de -a lungul părții dorsale a embrionului. Aceasta este o parte a modelării timpurii a embrionului (inclusiv embrionul nevertebrat) care stabilește, de asemenea, o axă anterioară-posterioară. Placa neuronală este sursa majorității neuronilor și a celulelor gliale ale SNC. Cele neuronale radiali forme de-a lungul axei lungi a plăcii neuronale, iar pliurile placa de neuronale pentru a da naștere la tubul neural . Când tubul este închis la ambele capete, acesta este umplut cu lichid cefalorahidian embrionar. Pe măsură ce embrionul se dezvoltă, partea anterioară a tubului neural se extinde și formează trei vezicule cerebrale primare , care devin creierul anterior ( prosencefal ), creierul mediu ( mezencefal ) și creierul posterior ( rombencefalul ). Aceste simple, vezicule timpurii a mări și mai departe divide in telencephalon (viitorul cortexul cerebral și bazal ganglionul ), diencefalului (viitor talamus și hipotalamus ), mezencefal (viitorul coliculii ), metencephalon (viitoare Pons și cerebel ) și myelencephalon (viitorul medulla ). Camera centrală umplută cu LCR este continuă de la telencefal până la canalul central al măduvei spinării și constituie sistemul ventricular în dezvoltare al SNC. Lichidul cefalorahidian embrionar diferă de cel format în etapele de dezvoltare ulterioare și de LCR adult; influențează comportamentul precursorilor neuronali. Deoarece tubul neural dă naștere creierului și măduvei spinării, orice mutație în acest stadiu al dezvoltării poate duce la deformări fatale, cum ar fi anencefalia sau dizabilități pe tot parcursul vieții, cum ar fi spina bifida . În acest timp, pereții tubului neural conțin celule stem neuronale , care determină creșterea creierului pe măsură ce se împart de multe ori. Treptat, unele dintre celule se opresc din divizare și se diferențiază în neuroni și celule gliale , care sunt principalele componente celulare ale SNC. Neuronii nou generați migrează în diferite părți ale creierului în curs de dezvoltare pentru a se autoorganiza în diferite structuri cerebrale. Odată ce neuronii și-au atins pozițiile regionale, ei extind axonii și dendritele , care le permit să comunice cu alți neuroni prin sinapse . Comunicarea sinaptică între neuroni duce la stabilirea circuitelor neuronale funcționale care mediază procesarea senzorială și motorie și stau la baza comportamentului.

Organigrama dezvoltării creierului uman .

Aspecte

Unele repere de dezvoltare neuronale includ nasterea si diferentierea de neuroni din celule stem precursori, migrarea neuronilor imature din birthplaces lor în embrion în pozițiile lor finale, creșterea celulelor axonilor și dendritelor de neuroni, îndrumarea a motilitatii conului de creștere prin embrionul față de partenerii postsinaptici, generarea de sinapse între acești axoni și partenerii lor postsinaptici și, în cele din urmă, schimbările pe tot parcursul vieții în sinapse, despre care se crede că stau la baza învățării și memoriei.

De obicei, aceste procese de neurodezvoltare pot fi împărțite în general în două clase: mecanisme independente de activitate și mecanisme dependente de activitate . Mecanismele independente de activitate se consideră, în general, ca procesele cablate determinate de programele genetice desfășurate în cadrul neuronilor individuali. Acestea includ diferențierea , migrația și îndrumarea axonului către zonele țintă inițiale. Aceste procese sunt considerate independente de activitatea neuronală și de experiența senzorială. Odată ce axonii își ating zonele țintă, intră în joc mecanisme dependente de activitate. Deși formarea sinapselor este un eveniment independent de activitate, modificarea sinapselor și eliminarea sinapselor necesită activitate neuronală.

Neuroștiința dezvoltării folosește o varietate de modele animale, inclusiv șoarecele Mus musculus , musca fructului Drosophila melanogaster , peștele zebraf Danio rerio , broasca Xenopus laevis și viermele rotund Caenorhabditis elegans .

Mielinizarea , formarea tecii lipidice de mielină în jurul axonilor neuronali, este un proces esențial pentru funcționarea normală a creierului. Teaca de mielină oferă izolație pentru impulsul nervos atunci când comunică între sistemele neuronale. Fără aceasta, impulsul ar fi întrerupt și semnalul nu ar atinge ținta, afectând astfel funcționarea normală. Deoarece o mare parte din dezvoltarea creierului are loc în stadiul prenatal și în copilărie, este crucial ca mielinizarea, împreună cu dezvoltarea corticală, să apară în mod corespunzător. Imagistica prin rezonanță magnetică (RMN) este o tehnică neinvazivă utilizată pentru a investiga mielinizarea și maturarea corticală (cortexul este stratul exterior al creierului compus din substanță cenușie ). În loc să prezinte mielina reală, RMN preia fracția de apă a mielinei, o măsură a conținutului de mielină. Relaxometria multicomponentă (MCR) permite vizualizarea și cuantificarea conținutului de mielină. MCR este, de asemenea, util pentru urmărirea maturării substanței albe, care joacă un rol important în dezvoltarea cognitivă. S-a descoperit că în copilărie mielinizarea are loc într-un model caudal-cranian, posterior-anterior. Deoarece există puține dovezi ale unei relații între mielinizare și grosimea corticală, s-a dezvăluit că grosimea corticală este independentă de substanța albă. Acest lucru permite diverselor aspecte ale creierului să crească simultan, ducând la un creier mai complet dezvoltat.

Inducția neuronală

În timpul dezvoltării embrionare timpurii a vertebratelor, ectodermul dorsal devine specificat pentru a da naștere epidermei și sistemului nervos; o parte a ectodermului dorsal devine specificată ectodermului neuronal pentru a forma placa neuronală care dă naștere sistemului nervos. Conversia ectodermului nediferențiat în neuroectoderm necesită semnale de la mezoderm . La debutul gastrulării, celulele mezodermice prezumtive se deplasează prin buza dorsală blastoporă și formează un strat de mezoderm între endoderm și ectoderm. Celulele mezodermale migrează de-a lungul liniei medii dorsale pentru a da naștere notocordului care se dezvoltă în coloana vertebrală . Neuroectodermul deasupra notocordului se dezvoltă în placa neuronală ca răspuns la un semnal difuzibil produs de notocord. Restul ectodermului dă naștere epidermei. Capacitatea mezodermului de a transforma ectodermul suprapus în țesut neural se numește inducție neuronală .

La embrionul timpuriu, placa neuronală se pliază în exterior pentru a forma canelura neuronală . Începând din regiunea viitoare a gâtului, pliurile neuronale ale acestui șanț se apropie pentru a crea tubul neural . Formarea tubului neural din ectoderm se numește neurulare . Partea ventrală a tubului neural se numește placă bazală ; partea dorsală se numește placă alar . Interiorul gol este numit canal neural , iar capetele deschise ale tubului neural, numite neuropori, se închid.

O buză blastoporă transplantată poate transforma ectoderma în țesut neural și se spune că are un efect inductiv. Inductorii neuronale sunt molecule care pot induce expresia genelor neuronale in ectoderm explantelor fara a induce gene mesodermal, de asemenea. Inducția neuronală este adesea studiată la embrionii Xenopus, deoarece aceștia au un plan corporal simplu și există markeri buni pentru a face distincția între țesutul neural și cel neural. Ca exemple de inductori neuronale sunt moleculele noggin și chordin .

Atunci când celulele ectodermice embrionare sunt cultivate la densitate scăzută în absența celulelor mezodermice, acestea suferă diferențierea neuronală (exprimă gene neuronale), sugerând că diferențierea neuronală este soarta implicită a celulelor ectodermice. În culturile explant (care permit interacțiuni directe celulă-celulă) aceleași celule se diferențiază în epidermă. Acest lucru se datorează acțiunii BMP4 (o proteină familială TGF-β ) care induce culturile ectodermice să se diferențieze în epidermă. În timpul inducției neuronale, noggin și chordin sunt produse de mezodermul dorsal (notocord) și se difuzează în ectodermul deasupra pentru a inhiba activitatea BMP4. Această inhibare a BMP4 determină celulele să se diferențieze în celule neuronale. Inhibarea semnalizării TGF-β și BMP (proteină morfogenetică osoasă) poate induce eficient țesutul neuronal din celulele stem pluripotente .

Regionalizarea

Într-o etapă ulterioară a dezvoltării, partea superioară a tubului neural se flectează la nivelul viitorului creier mediu - mezencefalul , la flexura mezencefalică sau flexura cefalică . Deasupra mezencefalului se află prosencefalul (viitorul creier anterior) și dedesubt este rombencefalul (viitorul creier posterior).

Placa alară a prosencefalului se extinde pentru a forma telencefalul care dă naștere emisferelor cerebrale , în timp ce placa sa bazală devine diencefal . Vezicula optic (care devin în cele din urmă a nervului optic, retina și iris) la formele de placa bazală a prosencephalon.

Modelarea sistemului nervos

În cordate , ectodermul dorsal formează tot țesutul neuronal și sistemul nervos. Modelarea are loc din cauza condițiilor specifice de mediu - concentrații diferite de molecule de semnalizare

Axa dorsoventrală

Jumătatea ventrală a plăcii neuronale este controlată de notocord , care acționează ca „organizator”. Jumătatea dorsală este controlată de placa ectodermă , care flancează ambele părți ale plăcii neuronale.

Ectodermul urmează o cale implicită pentru a deveni țesut neuronal. Dovezi pentru acest lucru provin din celule unice, cultivate de ectoderm, care continuă să formeze țesut neuronal. Acest lucru se postulează din cauza lipsei BMP-urilor , care sunt blocate de organizator. Organizatorul poate produce molecule cum ar fi follistatin , noggin și chordin că BMPuri inhibă.

Tubul neural ventral este modelat de ariciul sonic (Shh) din notocord, care acționează ca țesut inductor. Shh derivat din notocord semnalizează placa de podea și induce expresia Shh în placa de podea. Shh derivat din plăci de podea semnalizează ulterior către alte celule din tubul neural și este esențial pentru specificarea corectă a domeniilor progenitoare ale neuronului ventral. Pierderea de Shh din notocord și / sau placa de podea împiedică specificarea corectă a acestor domenii progenitoare. Shh leagă Patched1 , ameliorând inhibarea mediată de Patched a Smoothened , ducând la activarea familiei Gli a factorilor de transcripție ( GLI1 , GLI2 și GLI3 ).

În acest context, Shh acționează ca un morfogen - induce diferențierea celulară în funcție de concentrația sa. La concentrații scăzute formează interneuroni ventrali , la concentrații mai mari induce dezvoltarea neuronilor motori și la concentrații mai mari induce diferențierea plăcilor de podea. Eșecul diferențierii modulate Shh cauzează holoprosencefalie .

Tubul neural dorsal este modelat de BMP din ectodermul epidermic care flancează placa neuronală. Acestea induc interneuroni senzoriali prin activarea kinazelor Sr / Thr și prin modificarea nivelurilor factorului de transcripție SMAD .

Axa rostrocaudală (Anteroposterior)

Semnalele care controlează dezvoltarea neuronală anteroposterior includ FGF și acidul retinoic , care acționează în creierul posterior și măduva spinării. Creierul posterior, de exemplu, este modelat de gene Hox , care sunt exprimate în domenii suprapuse de-a lungul axei anteroposterior sub controlul acidului retinoic. Cele 3 ' (3) prim capăt genele din cluster -ul HOX sunt induse de acid retinoic în cerebel, în timp ce 5' (5) prim capăt genele HOX nu sunt induse de acid retinoic și sunt exprimate mai posteriorly în măduva spinării. Hoxb-1 este exprimat în rombomere 4 și dă naștere nervului facial . Fără această expresie Hoxb-1, apare un nerv similar cu nervul trigemen .

Neurogeneza

Neurogeneza este procesul prin care neuronii sunt generați din celulele stem neuronale și celulele progenitoare . Neuronii sunt „post-mitotici”, ceea ce înseamnă că nu se vor mai împărți niciodată pe tot parcursul vieții organismului.

Modificările epigenetice joacă un rol cheie în reglarea expresiei genelor în diferențierea celulelor stem neuronale și sunt critice pentru determinarea destinului celulei în creierul mamiferelor în curs de dezvoltare și adult. Modificările epigenetice includ metilarea citozinei ADN pentru a forma 5-metilcitozina și demetilarea 5-metilcitozinei . Metilarea citozinei ADN este catalizată de ADN metiltransferazele (DNMT) . Demetilarea metilcitozinei este catalizată în mai multe etape secvențiale de enzimele TET care efectuează reacții oxidative (de exemplu, 5-metilcitozină la 5-hidroximetilcitozină ) și enzime ale căii de reparare a exciziei ADN bazei (BER).

Migrația neuronală

Corticogeneza : neuronii mai tineri migrează pe lângă cei mai în vârstă folosind glia radială ca schelă. Celulele Cajal-Retzius (roșii) eliberează reelina (portocalie).

Migrația neuronală este metoda prin care neuronii călătoresc de la originea sau locul de naștere până la poziția lor finală în creier. Există mai multe moduri în care pot face acest lucru, de exemplu prin migrație radială sau migrație tangențială. Secvențele de migrație radială (cunoscută și sub denumirea de ghidare glială) și de translocație somală au fost capturate prin microscopie în timp .

Migrația tangențială a interneuronilor din eminența ganglionară .

Migrația radială

Celulele precursoare neuronale proliferează în zona ventriculară a neocortexului în curs de dezvoltare , unde celula stem neuronală principală este celula glială radială . Primele celule postmitotice trebuie să părăsească nișa de celule stem și să migreze spre exterior pentru a forma preplacă, care este destinată să devină celule Cajal-Retzius și neuroni subplacă . Aceste celule o fac prin translocare somală. Neuronii care migrează cu acest mod de locomoție sunt bipolari și atașează marginea principală a procesului la pia . Soma este apoi transportat la suprafața Pial prin nucleokinesis , un proces prin care un microtubule „cușcă“ în jurul nucleului si contracte prelungeste in asociere cu Centrozom pentru a ghida nucleul la destinația finală. Celule gliale radiale , ale căror fibre servesc drept schele pentru migrarea celulelor și un mijloc de comunicare radială mediată de activitatea dinamică de calciu, acționează ca principal celule stem neuronale excitator din cortexul cerebral sau translocate placa corticală și diferenția fie în astrocite sau neuroni . Translocarea somală poate avea loc în orice moment al dezvoltării.

Undele ulterioare ale neuronilor împart preplacă migrând de-a lungul fibrelor gliale radiale pentru a forma placa corticală. Fiecare val de celule migratoare străbate predecesorii lor formând straturi într-o manieră din interior spre exterior, ceea ce înseamnă că cei mai tineri neuroni sunt cei mai apropiați de suprafață. Se estimează că migrația ghidată glial reprezintă 90% din neuronii migranți la om și aproximativ 75% la rozătoare.

Migrația tangențială

Majoritatea interneuronilor migrează tangențial prin mai multe moduri de migrație pentru a ajunge la locația lor adecvată în cortex. Un exemplu de migrație tangențială este mișcarea interneuronilor de la eminența ganglionară la cortexul cerebral. Un exemplu de migrație tangențială continuă într-un organism matur, observat la unele animale, este fluxul migrator rostral care leagă zona subventriculară și bulbul olfactiv .

Migrația axofilă

Mulți neuroni care migrează de-a lungul axei anterioară-posterioară a corpului utilizează tracturile axonice existente pentru a migra de-a lungul; aceasta se numește migrație axofilă. Un exemplu al acestui mod de migrație este în neuronii care exprimă GnRH , care fac o călătorie lungă de la locul lor de naștere în nas, prin creierul anterior și în hipotalamus. Multe dintre mecanismele acestei migrații au fost elaborate, începând cu indicii de ghidare extracelulară care declanșează semnalizarea intracelulară. Aceste semnale intracelulare, cum ar fi semnalizarea calciului , duc la dinamica citoscheletală a actinei și a microtubulilor , care produc forțe celulare care interacționează cu mediul extracelular prin proteinele de adeziune celulară pentru a provoca mișcarea acestor celule.

Migrația multipolară

Există, de asemenea, o metodă de migrație neuronală numită migrație multipolară . Acest lucru se observă în celulele multipolare, care la om, sunt prezente abundent în zona intermediară corticală . Ele nu seamănă cu celulele care migrează prin locomoție sau translocație somală. În schimb, aceste celule multipolare exprimă markeri neuronali și extind mai multe procese subțiri în diferite direcții, independent de fibrele gliale radiale.

Factori neurotrofici

Supraviețuirea neuronilor este reglementată de factori de supraviețuire, numiți factori trofici. Ipoteza neurotrofică a fost formulată de Victor Hamburger și Rita Levi Montalcini pe baza studiilor asupra sistemului nervos în curs de dezvoltare. Victor Hamburger a descoperit că implantarea unui membru suplimentar la puiul în curs de dezvoltare a dus la o creștere a numărului de neuroni motori spinali. Inițial, el a crezut că membrul suplimentar induce proliferarea neuronilor motori, dar el și colegii săi au arătat mai târziu că a existat o mare parte a morții neuronilor motori în timpul dezvoltării normale, iar membrul suplimentar a împiedicat această moarte celulară. Conform ipotezei neurotrofice, axonii în creștere concurează pentru a limita cantitățile de factori trofici derivați de țintă și axonii care nu reușesc să primească suficient suport trofic mor prin apoptoză. Acum este clar că factorii produși de mai multe surse contribuie la supraviețuirea neuronală.

• Factorul de creștere a nervilor (NGF): Rita Levi Montalcini și Stanley Cohen au purificat primul factor trofic, factorul de creștere a nervilor (NGF), pentru care au primit premiul Nobel. Există trei factori trofici legați de NGF: BDNF, NT3 și NT4, care reglează supraviețuirea diferitelor populații neuronale. Proteinele Trk acționează ca receptori pentru NGF și factori înrudiți. Trk este un receptor tirozin kinază. Dimerizarea și fosforilarea Trk duce la activarea diferitelor căi de semnalizare intracelulare, inclusiv căile MAP kinază, Akt și PKC.
• CNTF: Factorul neurotrofic ciliar este o altă proteină care acționează ca factor de supraviețuire pentru neuronii motori. CNTF acționează printr-un complex receptor care include CNTFRα, GP130 și LIFRβ. Activarea receptorului duce la fosforilarea și recrutarea kinazei JAK, care la rândul său fosforilează LIFR β. LIFRβ acționează ca un site de andocare pentru factorii de transcripție STAT. JAK kinaza fosforilează proteinele STAT, care se disociază de receptor și se translocează în nucleu pentru a regla expresia genelor.
• GDNF: Factorul neurotrofic derivat din glial este un membru al familiei de proteine TGFb și este un factor trofic puternic pentru neuronii striatali. Receptorul funcțional este un heterodimer, compus din receptori de tip 1 și tip 2. Activarea receptorului de tip 1 duce la fosforilarea proteinelor Smad, care se translocează în nucleu pentru a activa expresia genelor.

Formarea sinapselor

Legatura neuromusculara

O mare parte din înțelegerea noastră despre formarea sinapselor provine din studii efectuate la joncțiunea neuromusculară. Transmițătorul la această sinapsă este acetilcolina. Receptorul acetilcolinei (AchR) este prezent la suprafața celulelor musculare înainte de formarea sinapselor. Sosirea nervului induce gruparea receptorilor la sinapsă. McMahan și Sanes au arătat că semnalul sinaptogen este concentrat la lamina bazală . De asemenea, au arătat că semnalul sinaptogen este produs de nerv și au identificat factorul ca fiind Agrin . Agrin induce gruparea AchRs pe suprafața musculară și formarea sinapselor este perturbată la șoarecii knockout agrin. Agrin traduce semnalul prin receptorul MuSK în rapsyn . Fischbach și colegii săi au arătat că subunitățile receptorilor sunt transcrise selectiv din nuclee de lângă situl sinaptic. Aceasta este mediată de neureguline.

În sinapsa matură, fiecare fibră musculară este inervată de un neuron motor. Cu toate acestea, în timpul dezvoltării, multe dintre fibre sunt inervate de mai mulți axoni. Lichtman și colegii săi au studiat procesul de eliminare a sinapselor. Acesta este un eveniment dependent de activitate. Blocarea parțială a receptorului duce la retragerea terminalelor presinaptice corespunzătoare. Mai târziu au folosit o abordare conectomică, adică trasarea tuturor conexiunilor dintre neuronii motori și fibrele musculare, pentru a caracteriza eliminarea sinapselor de dezvoltare la nivelul unui circuit complet. Analiza a confirmat reducerea masivă a cablării, de 10 ori a numărului de sinapse, care are loc pe măsură ce axonii își taie unitățile motorii, dar adaugă mai multe zone sinaptice la NMJ-urile cu care rămân în contact.

Sinapsele SNC

Agrin pare să nu fie un mediator central al formării sinapselor SNC și există un interes activ în identificarea semnalelor care mediază sinaptogeneza SNC. Neuronii din cultură dezvoltă sinapse similare cu cele care se formează in vivo, sugerând că semnalele sinaptogene pot funcționa corect in vitro. Studiile de sinaptogeneză ale SNC s-au concentrat în principal pe sinapsele glutamatergice. Experimentele de imagistică arată că dendritele sunt extrem de dinamice în timpul dezvoltării și inițiază adesea contactul cu axonii. Aceasta este urmată de recrutarea proteinelor postsinaptice la locul de contact. Stephen Smith și colegii săi au arătat că contactul inițiat de filopodiile dendritice se poate transforma în sinapse.

Inducerea formării sinapselor de către factori gliali: Barres și colegii au făcut observația că factorii din mediul condiționat glial induc formarea sinapselor în culturile de celule ganglionare retiniene. Formarea sinapselor în SNC este corelată cu diferențierea astrocitelor, sugerând că astrocitele ar putea furniza un factor sinaptogen. Identitatea factorilor astrocitari nu este încă cunoscută.

Neuroligine și SynCAM ca semnale sinaptogene: Sudhof, Serafini, Scheiffele și colegii au demonstrat că neuroliginele și SynCAM pot acționa ca factori care induc diferențierea presinaptică. Neuroliginele sunt concentrate la locul postsinaptic și acționează prin intermediul neurexinelor concentrate în axonii presinaptici. SynCAM este o moleculă de adeziune celulară care este prezentă atât în ​​membranele pre-, cât și în cele post-sinaptice.

Mecanisme dependente de activitate în asamblarea circuitelor neuronale

Procesele de migrație neuronală , diferențierea și ghidarea axonilor sunt, în general, considerate a fi mecanisme independente de activitate și se bazează pe programe genetice cablate în neuroni înșiși. Rezultatele cercetărilor au implicat totuși un rol pentru mecanismele dependente de activitate în medierea unor aspecte ale acestor procese, cum ar fi rata migrației neuronale, aspecte ale diferențierii neuronale și căutarea axonilor. Mecanismele dependente de activitate influențează dezvoltarea circuitului neuronal și sunt cruciale pentru stabilirea hărților de conectivitate timpurie și rafinarea continuă a sinapselor care are loc în timpul dezvoltării. Există două tipuri distincte de activitate neuronală pe care le observăm în dezvoltarea circuitelor - activitate spontană timpurie și activitate evocată senzorial. Activitatea spontană apare devreme în timpul dezvoltării circuitului neuronal chiar și atunci când intrarea senzorială este absentă și este observată în multe sisteme, cum ar fi sistemul vizual în curs de dezvoltare , sistemul auditiv , sistemul motor , hipocampul , cerebelul și neocortexul .

Tehnicile experimentale, cum ar fi înregistrarea electrofiziologică directă, imagistica cu fluorescență utilizând indicatori de calciu și tehnicile optogenetice au aruncat lumină asupra naturii și funcției acestor explozii timpurii de activitate. Au modele spațiale și temporale distincte în timpul dezvoltării, iar ablația lor în timpul dezvoltării este cunoscută ca rezultând deficite în rafinarea rețelei în sistemul vizual. În retina imatură , valurile potențialelor de acțiune spontane apar din celulele ganglionare ale retinei și se deplasează pe suprafața retinei în primele câteva săptămâni postnatale. Aceste unde sunt mediate de neurotransmițătorul acetilcolină în faza inițială și mai târziu de glutamat . Se crede că instruiesc formarea a două hărți senzoriale - harta retinotopică și segregarea specifică ochiului. Rafinarea hărții retinotopice are loc în țintele vizuale din aval din creier - coliculul superior (SC) și nucleul geniculat lateral dorsal (LGN). Modele de întrerupere farmacologică și șoareci lipsiți de subunitatea β2 a receptorului de acetilcolină nicotinică au arătat că lipsa activității spontane duce la defecte marcate ale retinotopiei și segregării specifice ochilor.

În sistemul auditiv în curs de dezvoltare , cohleea în curs de dezvoltare generează explozii de activitate care se răspândesc peste celulele interioare ale părului și neuronii ganglionari spiraliști care transmit informațiile auditive către creier. Eliberarea de ATP din celulele care susțin declanșează potențiale de acțiune în celulele părului interior . În sistemul auditiv, se crede că activitatea spontană este implicată în formarea hărții tonotopice prin segregarea axonilor neuronilor cohleari reglați la frecvențe înalte și joase. În sistemul motor, explozii periodice de activitate spontană sunt conduse de GABA excitator și glutamat în primele etape și de acetilcolină și glutamat în stadii ulterioare. În măduva spinării peștelui zebră în curs de dezvoltare , este necesară o activitate spontană timpurie pentru formarea unor explozii alternante din ce în ce mai sincrone între regiunile ipsilaterale și contralaterale ale măduvei spinării și pentru integrarea de noi celule în circuit. Se consideră că neuronii motori care inervează aceleași fibre musculare care se contractă, mențin activitatea sincronă, care permite ambilor neuroni să rămână în contact cu fibra musculară la vârsta adultă. În cortex , au fost observate valuri timpurii de activitate în cerebel și felii corticale. Odată ce stimulul senzorial devine disponibil, reglarea fină a hărților de codificare senzorială și rafinamentul circuitului începe să se bazeze din ce în ce mai mult pe activitatea evocată senzorial, după cum demonstrează experimentele clasice despre efectele privării senzoriale în perioadele critice .

Tehnicile contemporane de RMN cu greutate difuzivă pot descoperi, de asemenea, procesul macroscopic de dezvoltare axonală. Connectome poate fi construit din RMN de difuzie a datelor: vârfurile grafice corespund zonelor de materie gri etichetate anatomică și două astfel nodurile, spun u și v , sunt conectate printr - o margine în cazul în care tractography faza prelucrării datelor găsește o fibră axonală care leagă cele două zone, corespunzătoare lui u și v .

Redați conținut media

Consensus Dynamics Connectome

Numeroase braingrafuri, calculate din Human Connectome Project pot fi descărcate de pe site-ul http://braingraph.org . Consensus Connectome Dynamics (CCD) este un fenomen remarcabil care a fost descoperit prin scăderea continuă a parametrului minim de încredere la interfața grafică a serverului de referință Connectome de la Budapesta . Budapest Reference Connectome Server ( http://connectome.pitgroup.org ) descrie conexiunile cerebrale ale n = 418 subiecți cu un parametru de frecvență k: Pentru orice k = 1,2, ..., n se poate vizualiza graficul a muchiilor care sunt prezente în cel puțin k conectomi. Dacă parametrul k este micșorat unul câte unul de la k = n la k = 1 atunci tot mai multe margini apar în grafic, deoarece condiția de includere este relaxată. Observația surprinzătoare este că aspectul marginilor este departe de a fi întâmplător: seamănă cu o structură în creștere, complexă, ca un copac sau un arbust (vizualizat în animația din stânga).

Se presupune că structura în creștere copieză dezvoltarea axonală a creierului uman : cele mai vechi conexiuni în dezvoltare (fibre axonale) sunt comune la majoritatea subiecților, iar conexiunile care se dezvoltă ulterior au o varianță din ce în ce mai mare, deoarece variațiile lor sunt acumulate în procesul de dezvoltare axonală.

Eliminarea sinapselor

Mai multe motorneuroni concurează pentru fiecare joncțiune neuromusculară, dar doar unul supraviețuiește până la vârsta adultă. S-a demonstrat că competiția in vitro implică o substanță neurotrofică limitată care este eliberată sau că activitatea neuronală conferă avantaje conexiunilor post-sinaptice puternice, oferind rezistență la o toxină eliberată și la stimularea nervului. In vivo , se sugerează că fibrele musculare selectează cel mai puternic neuron printr-un semnal retrograd sau că mecanismele de eliminare a sinapselor dependente de activitate determină identitatea axonului "câștigător" la o placă motoră.

Cartografiere

Cartografierea creierului poate arăta cum se schimbă creierul unui animal de-a lungul vieții sale. Începând cu 2021, oamenii de știință au cartografiat și comparat întregul creier de opt viermi C. elegans de-a lungul dezvoltării lor la nivel neuronal și cablarea completă a unui singur mușchi de mamifer de la naștere până la maturitate.

Neurogeneza adultului

Neurogeneza apare și în anumite părți ale creierului adult.

Vezi si

Referințe

linkuri externe

• Dezvoltare neuronală (jurnal cu acces deschis revizuit de colegi).
• Traducerea timpului neurodezvoltării asupra speciilor de mamifere
• Creierul copilului în curs de dezvoltare
• Dezvoltarea creierului
• Cum sărăcia ar putea schimba creierul
• Creierul adolescent