Нейрула

Нейрула — это стадия эмбрионального развития хордовых животных, включая человека, на которой происходит формирование нервной трубки — зачатка центральной нервной системы. Нейрула следует за стадией гаструлы и предшествует органогенезу. Процесс образования нейрулы называется нейруляцией. В ходе нейруляции закладываются не только нервная система, но и осевые органы: хорда, сомиты (зачатки мышц и скелета) и кишечная трубка. Нейрула является ключевым этапом, на котором определяется план строения будущего организма.

История изучения

Первые описания стадии нейрулы были сделаны в XIX веке в рамках сравнительной эмбриологии. Немецкий эмбриолог Карл Эрнст фон Бэр в 1828 году, изучая развитие цыплёнка, впервые описал закладку нервной трубки. В 1860-х годах российский учёный Александр Онуфриевич Ковалевский, работая над эмбриогенезом ланцетника и асцидий, установил, что нейруляция является общим признаком всех хордовых. В XX веке, с развитием молекулярной биологии, были открыты сигнальные пути (например, Wnt, Shh, BMP), управляющие нейруляцией. В 1924 году Ханс Шпеман и Хильда Мангольд провели классические эксперименты по трансплантации дорсальной губы бластопора, показав, что она индуцирует формирование нервной трубки (концепция организатора Шпемана).

Стадии нейруляции

Нейруляция у позвоночных проходит несколько последовательных этапов, которые могут различаться у разных групп животных.

Образование нервной пластинки

На стадии поздней гаструлы эктодерма (наружный зародышевый листок) под влиянием сигналов от хордомезодермы (зачатка хорды) дифференцируется в нейроэктодерму. Участок эктодермы на дорсальной (спинной) стороне зародыша утолщается, образуя нервную пластинку. Клетки пластинки становятся высокими цилиндрическими, формируя псевдомногослойный эпителий. Границы пластинки обозначаются валиками — нервными гребнями.

Формирование нервного желобка

Нервная пластинка прогибается по средней линии, образуя продольный нервный желобок. Края пластинки (нервные валики) приподнимаются, сближаясь друг с другом. Прогиб происходит за счёт изменения формы клеток — их апикальные части сужаются (апикальная констрикция), что приводит к изгибу эпителия.

Смыкание нервной трубки

Нервные валики смыкаются в средней части зародыша, образуя нервную трубку. Смыкание распространяется в краниальном (головном) и каудальном (хвостовом) направлениях, подобно застёгиванию молнии. У человека смыкание начинается на уровне будущего шейного отдела примерно на 20-й день развития. Полость нервной трубки (невроцель) впоследствии становится центральным каналом спинного мозга и желудочками головного мозга.

Отделение нервной трубки

После смыкания нервная трубка отделяется от поверхностной эктодермы (кожи). Клетки нервного гребня, расположенные на стыке трубки и эктодермы, мигрируют по всему телу, давая начало периферической нервной системе, пигментным клеткам (меланоцитам), мозговому веществу надпочечников и некоторым другим структурам.

Типы нейруляции

Различают два основных типа нейруляции, которые могут сочетаться у одного вида.

Первичная нейруляция

Характерна для большинства позвоночных (рыбы, амфибии, птицы, млекопитающие). Нервная пластинка сворачивается в трубку путём инвагинации (впячивания). Этот процесс требует активного движения клеток и их цитоскелетных перестроек. Первичная нейруляция происходит в передней и средней части зародыша.

Вторичная нейруляция

Наблюдается в задней части зародыша (каудальный отдел) у некоторых позвоночных, включая человека. В этом случае нервная трубка формируется не из пластинки, а путём конденсации мезенхимных клеток в сплошной тяж, который затем канализируется (образует полость). Вторичная нейруляция обеспечивает формирование спинного мозга в хвостовой области.

Регуляция нейруляции

Нейруляция контролируется сложной сетью сигнальных молекул и транскрипционных факторов.

• Индукция нервной пластинки. Ключевую роль играет подавление сигнального пути BMP (белки костного морфогенеза). В дорсальной части зародыша хорда и прехордальная пластинка выделяют антагонистов BMP (например, ноггин, хордин, фоллистатин), которые блокируют BMP-сигнализацию в эктодерме, позволяя ей дифференцироваться в нейроэктодерму.
• Формирование нервного желобка. Регулируется сигнальными путями Shh (Sonic hedgehog) и Wnt. Shh, секретируемый хордой, индуцирует вентрализацию нервной трубки (формирование моторных нейронов), а Wnt — дорсализацию (формирование сенсорных нейронов).
• Закрытие нервной трубки. Требует скоординированной работы белков клеточной адгезии (например, кадгеринов), цитоскелетных белков (актина, миозина) и факторов роста (FGF). Нарушения в этих процессах приводят к дефектам закрытия нервной трубки.

Дефекты нейруляции

Нарушения нейруляции являются причиной врождённых пороков развития нервной системы, известных как дефекты нервной трубки (ДНТ). Они возникают на ранних сроках беременности (3–4 недели), когда женщина может ещё не знать о беременности.

• Анэнцефалия — отсутствие большей части головного мозга и черепа. Возникает при несмыкании переднего (краниального) отдела нервной трубки. Дети с анэнцефалией, как правило, нежизнеспособны.
• Spina bifida (расщепление позвоночника) — несмыкание заднего (каудального) отдела нервной трубки. Может быть скрытой (spina bifida occulta) или открытой (spina bifida aperta), при которой спинной мозг и его оболочки выходят наружу. Тяжесть варьирует от лёгких нарушений до паралича нижних конечностей.
• Энцефалоцеле — выпячивание мозговых оболочек и ткани мозга через дефект черепа.

Факторы риска ДНТ включают генетическую предрасположенность, дефицит фолиевой кислоты в рационе матери, приём некоторых лекарств (например, вальпроевой кислоты), сахарный диабет у матери, гипертермию на ранних сроках беременности. Профилактика ДНТ заключается в приёме фолиевой кислоты (400–800 мкг в день) за 2–3 месяца до зачатия и в первом триместре беременности.

Нейрула у разных групп животных

• Ланцетник. Нейруляция протекает по классической схеме: нервная пластинка сворачивается в трубку, которая затем отделяется от эктодермы. Нервная трубка ланцетника не дифференцируется на головной и спинной мозг.
• Амфибии (например, шпорцевая лягушка). Нейруляция хорошо изучена. Нервная пластинка формируется на дорсальной стороне зародыша, смыкание происходит от переднего конца к заднему.
• Птицы (курица). Нейруляция происходит на плоском зародышевом диске. Смыкание нервной трубки начинается в средней части и распространяется в обе стороны.
• Млекопитающие (человек). Нейруляция начинается на 18–20-й день после оплодотворения. Смыкание нервной трубки происходит в нескольких местах одновременно (первичное смыкание в шейном отделе, затем в головном и каудальном). Полное закрытие завершается к 24–26-му дню.

Значение нейрулы

Нейрула является критической стадией развития, на которой закладывается основа центральной нервной системы. Понимание механизмов нейруляции имеет фундаментальное значение для эмбриологии, эволюционной биологии и медицины. Изучение нейруляции позволяет разрабатывать методы профилактики и лечения врождённых пороков нервной системы, а также использовать стволовые клетки для регенерации нервной ткани.

Источники

• Ковалевский А. О. История развития ланцетника (Amphioxus lanceolatus). — 1865.
• Бэр К. Э. История развития животных. — 1828.
• Шпеман Х., Мангольд Х. Индукция эмбриональных зачатков. — 1924.
• Гилберт С. Биология развития. — 3-е изд. — М.: Мир, 1995. — Т. 2.
• Самусев Р. П., Селин Ю. М. Эмбриология человека. — М.: Медицина, 2000.
• Copp A. J., Greene N. D. E. Neural tube defects — disorders of neurulation and related embryonic processes // Wiley Interdisciplinary Reviews: Developmental Biology. — 2013. — Vol. 2, № 2. — P. 213–227.
• Wallingford J. B. et al. The continuing challenge of understanding, preventing, and treating neural tube defects // Science. — 2013. — Vol. 339, № 6123. — P. 1222002.