Развитие коры головного мозга - Development of the cerebral cortex

Corticogenesis это процесс , в котором кора головного мозга в мозге образуется при развитии нервной системы . Кора - это внешний слой головного мозга, состоящий из шести слоев . Нейроны, сформированные в желудочковой зоне, мигрируют в свои конечные местоположения в одном из шести слоев коры. Этот процесс происходит с 10-го по 17-й день эмбриона у мышей и с 7-й по 18-ю неделю беременности у людей.

Визуализация кортикогенеза у мышей. 6 слоев коры мигрируют из зоны желудочков через субпластинку, чтобы остановиться в кортикальной пластинке (слои со 2 по 6) или в маргинальной зоне (слой 1).

Корковые пластинки и зоны

Тарелки

Препластинка - это первая стадия кортикогенеза, предшествующая развитию кортикальной пластинки. Препластинка располагается между мягкой мозговой оболочкой и зоной желудочков. Согласно современным знаниям, предварительная пластина содержит нейроны -первенца или первопроходцы . Эти нейроны в основном считаются клетками Кахаля-Ретциуса . Предварительная плита также содержит предшествующую плиту, которую иногда называют слоем. По мере появления кортикальной пластинки предварительная пластинка разделяется на два компонента. Клетки Кахаля-Ретциуса переходят в маргинальную зону над кортикальной пластинкой, в то время как субпластинка перемещается ниже 6 кортикальных слоев. Именно во время этого перехода от препластинки к корковой пластине могут возникнуть многие пороки развития.

Кортикальная пластинка - это последняя пластинка, образующаяся в процессе кортикогенеза. Он включает слои коры со второго по шестой.

Субпластинка расположена под кортикальной пластиной. Он назван в честь его расположения относительно кортикальной пластинки и временного интервала, в котором он был создан. По мере созревания кортикальной пластинки клетки, расположенные в субпластинке, устанавливают связи с нейронами, которые еще не переместились в свой целевой слой внутри кортикальной пластинки. Пионерские клетки также присутствуют в субпластине и работают над созданием волокон и синапсов внутри плиты.

Зоны

Промежуточная зона расположена между зоной желудочков и корковой пластинкой. Белое вещество в этой области - это то место, где нейроны, созданные в желудочковой зоне, проходят через нее, чтобы достичь кортикальной пластинки. Эта зона присутствует только во время кортикогенеза и в конечном итоге трансформируется во взрослое белое вещество.

Желудочковые и субвентрикулярные зоны существуют ниже промежуточной зоны и сообщаются с другими зонами посредством передачи сигналов клеток, также создавая нейроны, предназначенные для миграции в другие области коры головного мозга.

Краевая зона вместе с корковой зоной составляют 6 слоев, образующих кору. Эта зона является предшественницей первого слоя коры. Астроциты образуют внешнюю ограничивающую мембрану для взаимодействия с мягкой мозговой оболочкой . У людей было обнаружено, что здесь клетки также образуют субпиальный слой. Клетки Кахаля-Ретциуса также присутствуют в этой зоне и высвобождают рилин вдоль радиальной оси, что является ключом к правильной миграции нейронов во время кортикогенеза.

Формирование слоев

Основная статья: Кора головного мозга

Кора головного мозга делится на слои. Каждый слой образован радиальными глиальными клетками, расположенными в желудочковой зоне или субвентрикулярной зоне, а затем мигрируют к своему конечному пункту назначения.

Слой I

Слой I, молекулярный слой, является первым кортикальным слоем, образующимся во время нейрогенеза у мышей с E10.5 по E12.5. Из шести слоев, обнаруженных в неокортексе, слой I является наиболее поверхностным, состоящим из клеток Кахаля-Ретциуса и пирамидных клеток . Этот слой уникален тем, что эти клетки мигрируют к внешнему краю коры, в отличие от миграции, испытываемой другими 5 слоями. Слой один также характеризуется экспрессией рилина, фактора транскрипции Т-бокса мозга 1 и коркового мигрирующего нейронального маркера.

Слои 2 и 3

Второй и третий слои, или внешний гранулированный слой и внешний пирамидальный слой соответственно, формируются вокруг мыши с E13.5 по E16. Эти слои формируются последними во время кортикогенеза и включают пирамидные нейроны , астроциты, звездчатые клетки и радиальные глиальные клетки. Пирамидальные и звездчатые нейроны экспрессируют SATB2 и CUX1 . SATB2 и CUX1 представляют собой ДНК-связывающие белки, участвующие в определении судьбы кортикальных клеток.

Слои 4, 5 и 6

Четвертый, пятый и шестой слои или внутренний гранулированный слой, внутренний пирамидальный слой и полиморфный или мультиформный слой соответственно формируются во время мыши с E11.5 по E14.5. В эти слои входят звездчатые, радиальная глия и пирамидные нейроны. Шестой слой прилегает к желудочковой зоне. Во время производства этих слоев факторы транскрипции TBR1 и OTX1 экспрессируются вместе с CTIP2 или кортиконейрональным белком цинкового пальца.

Нейрональная миграция

Миграция нейронов играет важную роль в кортикогенезе. В процессе создания шести слоев коры все нейроны и клетки мигрируют из зоны желудочков через субпластинку и останавливаются в соответствующем слое коры. Миграция нейронов обычно подразделяется на радиальную миграцию , тангенциальную миграцию и мультиполярную миграцию . Миграция подкорковых функций головного мозга в кору называется кортикализацией .

Передача сигналов клетки

Соответствующее формирование коры головного мозга в значительной степени зависит от плотно переплетенной сети множественных сигнальных путей и различных сигнальных молекул. Хотя большая часть процесса еще предстоит понять, некоторые сигналы и пути были тщательно раскрыты, чтобы получить полное представление о механизмах, контролирующих кортикогенез.

Путь Reelin-DAB1

Путь Reelin - DAB1 - это четко определенный путь, участвующий в кортикогенезе. Клетки Кахаля-Ретциуса, расположенные в маргинальной зоне, секретируют катушку, чтобы запустить каскад. Рилин может взаимодействовать с определенными нейронами корковой пластинки и направлять эти нейроны в их правильные места. Считается, что результат нижестоящей передачи сигналов может влиять на цитоскелет . Рилин секретируется только клетками Кахаля-Ретциуса, расположенными в маргинальной зоне, а его рецепторы ограничены корковой пластинкой. Это разделение можно использовать для понимания действий Рилина.

DAB1 - это белок-регулятор, расположенный ниже рецепторов рилина. Этот белок расположен внутри клеток, находящихся в зоне желудочков, и его самые высокие концентрации обнаруживаются в мигрирующих пирамидных клетках. Когда либо рилин, либо DAB1 инактивированы у мышей, результирующие фенотипы одинаковы. В этом случае нейроны не могут правильно мигрировать через кортикальную пластинку. Он не влияет на распространение нейронов и в дикой природе не оказывает вредного воздействия на память или обучение.

Соник-ежик

Было показано, что нокаут Sonic hedgehog , или Shh , серьезно влияет на кортикогенез у генетически модифицированных мышей. В брюшных и спинных сторонах мозга поражаются , как Тсс выражают транскрипционные факторы для Nkx2 что важно в формировании паттерна коры головного мозга. Shh также важен для кортикогенеза, поскольку он влияет на пролиферацию и дифференцировку клеток, помогая нейрональным клеткам-предшественникам в определении судьбы.

БМП-7

Костный морфогенетический белок 7 (Bmp-7) является важным регулятором кортикогенеза, хотя неясно, способствует он или ингибирует нейрогенез . Bmp-7 может быть обнаружен в зоне желудочков и секретируется в спинномозговую жидкость (CSF). ЦСЖ является областью, способствующей нейрогенезу, и считается, что синергизм между Bmp-7 и другими регуляторами способствует делению клеток наряду с гомеостазом.

Другие морфогенетические белки костей также влияют на кортикогенез. Bmp2, 4, 5 и 6 выражаются в процессе и могут компенсировать друг друга. Например, если бы Bmp-4 отсутствовал в кортикогенезе, очень мало изменилось бы в фенотипе коры из-за того, что другие Bmps помогают выполнять задачи Bmp-4. Однако Bmp-7 - единственный Bmp, который способствует выживанию радиальной глии и поэтому считается более важным.

Путь cdk5-p35

Cdk5 имеет путь, параллельный Reelin-DAB1. Этот путь влияет на позиционирование нейронов и приводит к подобным уродствам, когда они отсутствуют, как уродства Reelin или DAB1, за исключением того, что миграция затрагивается на более ранней стадии кортикальной пластинки. Путь Cdk5 / p35 также отвечает за динамику актина и микротрубочек, участвующих в миграции нейронов.

Ингибитор циклинзависимой киназы 1C или p57 также влияет на кортикогенез. Было показано, что p57 побуждает клетки выходить из клеточного цикла и начинать дифференцировку, но это зависит от Cdks . p57 способен побуждать клетки-предшественники нейронов начать дифференцировку в высокоспециализированные нейроны коры головного мозга. Однако механизм, с помощью которого p57 может влиять на такой контроль, еще не известен.

Другие сигналы

Помимо перечисленных выше, есть еще несколько сигналов, влияющих на кортикогенез. Cnr1 представляет собой рецептор белка ag, который широко экспрессируется в головном мозге и в интернейронах . У мышей с нокаутом кора головного мозга проявляла пониженную иммунореактивность. Nrp1 , Robo1 и Robo2 также, как было показано, присутствуют и важны в развитии интернейронов. Известно, что Cdh8 экспрессируется в промежуточной и субвентрикулярной зоне, но не в конкретных нейронах в этой области, и предполагается, что он регулирует высвобождение волокон.

Расстройства

Лиссэнцефалия

Лиссэнцефалия , или «гладкий мозг», представляет собой заболевание, при котором мозг неправильно формирует извилины и борозды в результате миграции нейронов и кортикального сворачивания. Это расстройство также может привести к эпилепсии и когнитивным нарушениям. Лиссэнцефалия типа 1 возникает из-за ошибки при миграции. LISI, также известный как PAFAH1B , экспрессируется как в делящихся, так и в мигрирующих клетках головного мозга. Когда LIS1 удаляется, возникает лиссэнцефалия.

Считается, что LIS1 играет несколько важных ролей в создании коры. Поскольку LIS1 подобен белку ядерного распределения F (nudF), считается, что они работают аналогичным образом. Семейство nud, как известно, является фактором ядерной транслокации или перемещения ядер дочерних клеток после того, как произошло клеточное деление . В связи с этим считается, что LIS1 является фактором миграции нейронов. LIS1 также считается фактором, контролирующим динеин , моторный белок, который влияет на межклеточные движения, такие как сортировка белков и процесс деления клеток.

Другой белок, который способствует нарушению лиссэнцефалии, - это DCX или даблкортин . DCX - это белок, связанный с микротрубочками, который отвечает за пороки развития двойной коры. DCX находится во втором слое коры головного мозга и фактически все еще присутствует в незрелых нейронах коры взрослого мозга. Считается, что DCX влияет на миграцию нейронов, влияя на динамику микротрубочек. Поскольку пороки развития DCX имеют такой же фенотип, как и пороки развития LIS1, считается, что они взаимодействуют друг с другом на клеточном уровне. Однако пока неизвестно, как это происходит.

Tsc1 нокаут

TSC, или туберозный склероз , является аутосомно-доминантным заболеванием. Инактивация TSC1 или TSC2 может вызывать TSC и связанные с ними опухоли в головном мозге. Когда инактивация TSC1 присутствует во время кортикогенеза, у мышей могут образовываться пороки развития кортикальных клубней или аномальный рост доброкачественной ткани вместе с узлами белого вещества. Это воспроизводит эффект, который TSC оказывает на людей, пораженных TSC. У мышей будет недостаток GFAP в астроцитах, однако астроглиоз не будет возникать, как в человеческих TSC.

Пороки развития коры головного мозга человека (перегиб)

Натриевой канал SCN3A и Na + / K +, АТФаза (ATP1A3) вовлечены в корковые пороки развития.

Перепросмотр

Повторение кортикогенеза как у человеческих, так и у мышиных эмбрионов было достигнуто с помощью трехмерной культуры с использованием эмбриональных стволовых клеток (ESC). Перепросмотр - это теория, согласно которой организм проходит эмбриональное развитие стадиями, аналогичными эволюции этого организма. При осторожном использовании промежуточных продуктов тела эмбриона и культивировании в бессывороточной среде кортикальные предшественники формируются в пространственно-временном режиме, аналогичном кортикогенезу in vivo . При использовании иммуноцитохимического анализа нервных стволовых клеток мыши, полученных из ESC, через 6 дней были обнаружены признаки нейрональной дифференцировки. Способность к перепросмотру появляется только после того, как были определены знания о пространственных и временных моделях, а также было дано знание о том, что кортикогенез может происходить без участия мозга.

использованная литература

  1. ^ Б с д е е г ч я J к л м п о р Мейер, G. (2007). Генетический контроль нейронных миграций в развитии коры человека (достижения в анатомии, эмбриологии и клеточной биологии). FF Beck, Мельбурн, F. Clascá, Madrid, M. Frotscher, Freiburg, DE Haines, Jackson, HW. Корф, Франкфурт, Э. Марани, Энсхеде, Р. Пуц, Мюнхен, Ю. Сано, Киото, Т. Х. Шиблер, Вюрцбург и К. Зиллес, Дюссельдорф (ред.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Спрингер.
  2. ^ [1] , Хайдар Т.Ф., Блю М.Э., Молливер М.Е., Крюгер Б.К., Яровски П.Дж. Последствия трисомии 16 для развития мозга мышей: кортикогенез на модели синдрома Дауна. J Neurosci. 1996 г., 1 октября; 16 (19): 6175-82. PubMed PMID  8815899 .
  3. ^ a b c Antypa, M., Faux, C., Eichele, G., Parnavelas, JG, & Andrews, WD (2011). Дифференциальная экспрессия генов в миграционных потоках корковых интернейронов. Европейский журнал нейробиологии, 34 (10), 1584-1594. DOI: 10.1111 / j.1460-9568.2011.07896.x
  4. ^ а б Квон, Х.Дж., Ма, С., и Хуанг, З. (2011). Радиальная глия регулирует положение клеток Кахаля-Ретциуса в ранней эмбриональной коре головного мозга. Биология развития, 351 (1), 25-34. DOI: 10.1016 / j.ydbio.2010.12.026
  5. ↑ a b c d e Germain, N., Banda, E., & Grabel, L. (2010). Нейрогенез и нервная спецификация эмбриональных стволовых клеток. Журнал клеточной биохимии, 111 (3), 535-542. DOI: 10.1002 / jcb.22747
  6. ^ «кортикализация» . Бесплатный словарь .
  7. ↑ Moon, UY; Парк, JY; Парк, р .; Чо, JY; Hughes, LJ; McKenna J III; Goetzl, L .; Чо, Ш; Крино, ПБ; Гамбелло, MJ; Ким, С. (2015). «Нарушение передачи сигналов Reelin-Dab1 способствует дефициту миграции нейронов» . Отчеты по ячейкам . 12 (6): 965–978. DOI : 10.1016 / j.celrep.2015.07.013 . PMC  4536164 . PMID  26235615 .
  8. ^ Комада, М. (2012). Передача сигналов Sonic hedgehog координирует пролиферацию и дифференцировку нервных стволовых клеток / клеток-предшественников, регулируя кинетику клеточного цикла во время развития неокортекса. Врожденные аномалии, 52 (2), 72-77. DOI: 10.1111 / j.1741-4520.2012.00368.x
  9. ^ a b Сегклия, А., Сюнтьенс, Э., Элькурис, М., Цалавос, С., Стапперс, Э., Мициадис, Т.А. . . Граф, Д. (2012). Bmp7 регулирует выживание, пролиферацию и нейрогенные свойства нервных клеток-предшественников во время кортикогенеза у мышей. PLoS ONE, 7 (3). DOI: 10.1371 / journal.pone.0034088
  10. ^ Tury, А., Mairet-Coello, Г., и DiCicco-Блум, Е. (2011). Циклинзависимый ингибитор киназы p57 (Kip2) регулирует выход из клеточного цикла, дифференцировку и миграцию эмбриональных предшественников коры головного мозга. Кора головного мозга, 21 (8), 1840-1856. DOI: 10.1093 / cercor / bhq254
  11. ^ a b Тоба, С., & Хироцунэ, С. (2012). Уникальная роль динеина и белков семейства nud в кортикогенезе. Невропатология, 32 (4), 432-439. DOI: 10.1111 / j.1440-1789.2012.01301.x
  12. Перейти ↑ Zhang, MQ, Wang, H., & Xiong, K. (2011). Является ли неокортекс новым резервуаром нейрогенеза взрослых млекопитающих? Исследование нервной регенерации, 6 (17), 1334-1341. DOI: 10.3969 / j.issn.1673-5374.2011.17.009
  13. Перейти ↑ Feliciano, DM, Su, T., Lopez, J., Platel, JC, & Bordey, A. (2011). Нокаут одноклеточного Tsc1 во время кортикогенеза вызывает клубнеподобные поражения и снижает порог припадка у мышей. Журнал клинических исследований, 121 (4), 1596-1607. DOI: 10.1172 / jci44909
  14. ^ Смит, RS; Кенни, CJ; Ганеш, В; Янг, А; Borges-Monroy, R; Partlow, JN; Hill, RS; Шин, Т; Чен, AY; Доан, Р.Н.; Анттонен, АК; Игнатий, Дж; Медне, Л; Bönnemann, CG; Hecht, JL; Салонен, О; Баркович, AJ; Подури, А; Wilke, M; де Вит, MCY; Манчини, GMS; Sztriha, L; Im, К; Амром, Д; Andermann, E; Paetau, R; Lehesjoki, AE; Уолш, Калифорния; Lehtinen, MK (5 сентября 2018 г.). "Натриевые каналы SCN3A (Na V 1.3) Регулирование складок коры головного мозга человека и развития оральной моторики " . Нейрон . 99 (5): 905–913.e7. DOI : 10.1016 / j.neuron.2018.07.052 . PMC  6226006 . PMID  30146301 .
  15. ^ Смит, Ричард С .; Флорио, Марта; Акула, Шьям К .; Neil, Jennifer E .; Ван, Иди; Хилл, Р. Шон; Гольдман, Мелисса; Маллали, Кристофер Д .; Рид, Нора; Белло-Эспиноза, Луис; Флорес-Сарнат, Лаура; Монтейро, Фабиола Паоли; Erasmo, Casella B .; 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 .
  16. ^ Гаспар Н., Буше Т., Урекс Р., Димидшштейн Дж., Наейе Г., ван ден Амиле Дж, Эспуни-Камачо I, Херпоэль А., Пассанте Л., Шиффманн С. Н., Гайяр А., Вандерхарген П. (2008). Внутренний механизм кортикогенеза эмбриональных стволовых клеток. Природа, 455: 351-357.