Нейруляция и образование нервной трубки

Нейруляция это этап раннего развития зародыша, на котором из плоского пласта клеток эктодермы формируется нервная трубка зачаток всей центральной нервной системы. Этот процесс идёт сразу после гаструляции и превращает зародыш из трёхслойного диска в организм с осевыми зачатками органов. Понять нейруляцию проще всего как последовательность механических событий: пластинка прогибается, края поднимаются и смыкаются в трубку. Ниже разберём этапы, отличия первичной и вторичной нейруляции, роль нейропоров и типичные ошибки, на которых сыплются на экзамене. Если нужно разобрать конкретную задачу по своему билету, соберите её в форме ниже.

Что предшествует нейруляции

Нейруляция не начинается на пустом месте. Ей предшествует гаструляция, в ходе которой закладываются три зародышевых листка: эктодерма, мезодерма и энтодерма. Ключевой момент это образование хорды (нотохорда) из осевой мезодермы. Именно хорда служит организационным центром: она выделяет сигнальные молекулы, которые индуцируют лежащую над ней эктодерму превратиться из обычной покровной в нейральную.

Этот сигнал называют нейральной индукцией. Под действием индукторов от хорды и прехордальной пластинки участок дорсальной эктодермы перестаёт развиваться в кожу и становится нервной пластинкой. Без хорды нейруляция просто не запускается это базовый факт, который любят спрашивать. Клетки нервной пластинки выше и плотнее соседних: они выстраиваются в высокий столбчатый эпителий, и эта разница в форме клеток уже задаёт будущий изгиб.

Этапы нейруляции

Удобно держать в голове три морфологических состояния: плоская нервная пластинка, прогнутый нервный желобок и замкнутая нервная трубка. Между ними клетки совершают согласованные движения.

Рассчитать для своей задачи

• Нервная пластинка. Дорсальная эктодерма над хордой утолщается и приобретает столбчатую форму. Контуры пластинки в виде вытянутой замочной скважины узкая в области будущего спинного мозга и широкая в области головы.
• Нервный желобок. По срединной линии пластинки появляется срединная шарнирная зона (medial hinge point), где клетки прикрепляются к хорде и сужаются у апикального конца становятся клиновидными. Пластинка прогибается, и по бокам поднимаются нервные валики (нервные складки).
• Смыкание. Боковые шарнирные зоны (dorsolateral hinge points) помогают валикам наклониться друг к другу. Края встречаются по средней линии и срастаются. Над сомкнувшейся трубкой эктодерма восстанавливает целостность и отделяется от трубки.

Механика изгиба держится на нескольких клеточных процессах одновременно. Это апикальное сужение клеток (сборка актомиозинового кольца у апикальной поверхности), изменение высоты клеток, направленные деления и межклеточная адгезия. Поэтому нейруляцию нельзя свести к одной причине это координированная работа цитоскелета, формы клеток и межклеточных контактов.

Полезно представлять шарнирные зоны как линии сгиба у листа бумаги. Срединная шарнирная зона задаёт основной перегиб вниз, а две боковые позволяют валикам довернуться внутрь, иначе края просто разошлись бы в стороны. Когда клетки в этих зонах сужаются у апикального (внутреннего) конца и расширяются у базального, ткань неизбежно прогибается это чисто геометрическое следствие изменения формы клеток. Параллельно соседняя кожная эктодерма расширяется и подталкивает валики к средней линии. Сочетание внутренних (изменение формы клеток) и внешних (давление окружающей ткани) сил и обеспечивает надёжное смыкание.

Нейропоры и направление смыкания

Нервная трубка смыкается не вся сразу. Закрытие идёт как застёжка-молния: оно начинается в нескольких точках и распространяется в обе стороны вдоль оси тела. До завершения процесса на переднем и заднем концах остаются открытые отверстия передний (краниальный) и задний (каудальный) нейропоры.

Рассчитать для своей задачи

У человека передний нейропор закрывается примерно на 25-е сутки развития, задний на 27-28-е сутки. Эти даты стоит запомнить: именно с незакрытием нейропоров связаны тяжёлые пороки развития. Если не закрылся передний нейропор, развивается анэнцефалия (недоразвитие головного мозга). Если задний spina bifida (расщепление позвоночника) разной тяжести. Профилактика этих дефектов нервной трубки достаточным потреблением фолиевой кислоты до и в начале беременности классический пример практического значения эмбриологии.

Производные нервной трубки

Сомкнувшаяся нервная трубка это не просто цилиндр, а заготовка всей центральной нервной системы. Её передний расширенный отдел даёт головной мозг, который сначала делится на три первичных мозговых пузыря (передний, средний, ромбовидный), а затем на пять. Остальная часть трубки превращается в спинной мозг. Полость трубки (невроцель) сохраняется как система желудочков головного мозга и центрального канала спинного мозга.

Стенка трубки сначала однослойная, затем за счёт делений клеток нейроэпителия становится многослойной. В ней различают вентральную базальную пластинку (моторные нейроны) и дорсальную крыловидную пластинку (чувствительные). Эта дорсо-вентральная разметка задаётся встречными градиентами сигналов: снизу от хорды и дна трубки идёт Sonic hedgehog, сверху от крыши и эктодермы белки BMP и Wnt. Так одна и та же трубка вдоль и поперёк превращается в строго упорядоченный орган.

Нервный гребень

Отдельный важный продукт нейруляции это клетки нервного гребня. Они закладываются на границе нервной пластинки и кожной эктодермы, то есть в области нервных валиков. После смыкания трубки эти клетки теряют контакты с соседями, проходят эпителиально-мезенхимный переход и начинают активную миграцию по телу зародыша.

Из нервного гребня развивается поразительно много структур: нейроны и глия периферической нервной системы, мозговое вещество надпочечников, меланоциты кожи, часть лицевого скелета и зубов. Поэтому нервный гребень иногда называют четвёртым зародышевым листком. Подробный разбор маршрутов и производных в отдельной статье про миграцию клеток нервного гребня на экзамене эти два сюжета почти всегда идут вместе.

Первичная и вторичная нейруляция

Важно различать два механизма формирования нервной трубки, потому что у человека работают оба.

• Первичная нейруляция это описанный выше сценарий: пластинка прогибается в желобок и сворачивается в трубку. Так формируется большая, передняя часть нервной трубки головной мозг и почти весь спинной мозг.
• Вторичная нейруляция идёт в каудальном отделе. Здесь нет стадии плоской пластинки. Из мезенхимных клеток хвостовой почки сначала формируется плотный клеточный тяж, в котором затем образуется полость (кавитация), и так возникает трубка изнутри. У человека так формируется самый каудальный отдел спинного мозга.

Граница между первичной и вторичной нейруляцией примерно соответствует уровню заднего нейропора. Путать эти два процесса частая ошибка: вторичная нейруляция не имеет ни нервной пластинки, ни желобка, ни смыкания валиков. По сути это два разных способа получить один и тот же результат полую трубку: первичный сворачивает уже готовый эпителиальный пласт, а вторичный выдалбливает полость внутри сплошного клеточного тяжа. Несовершенство стыковки этих двух механизмов на уровне заднего отдела как раз и делает каудальную часть нервной трубки уязвимым местом для пороков развития.

Частые ошибки

• Считать, что нейруляция запускается сама по себе. Без индукции от хорды нейральная судьба эктодермы не определяется забывать про индуктор нельзя.
• Путать листки. Нервная трубка это производное эктодермы, а не мезодермы, хотя сигнал к её образованию приходит именно от мезодермальной хорды.
• Сводить смыкание к одной точке. Трубка закрывается из нескольких очагов в обе стороны, а не молнией строго от головы к хвосту.
• Игнорировать нервный гребень. Его описывают как отдельную структуру, тогда как он закладывается прямо в ходе нейруляции на границе пластинки.
• Считать нейропоры дефектами. Открытые нейропоры это нормальная промежуточная стадия; патология их незакрытие в положенный срок.

FAQ

Чем нейруляция отличается от гаструляции?

Гаструляция формирует три зародышевых листка и осевые структуры (в том числе хорду), а нейруляция это следующий этап, на котором из эктодермы под действием хорды образуется нервная трубка. Гаструляция предшествует нейруляции и создаёт условия для неё.

Почему важна фолиевая кислота при нейруляции?

Дефицит фолатов нарушает смыкание нервной трубки и резко повышает риск дефектов: анэнцефалии и spina bifida. Поскольку нейропоры закрываются на 25-28-е сутки, часто до того, как женщина узнаёт о беременности, фолаты рекомендуют принимать заранее.

Что такое нейропор простыми словами?

Нейропор это временное открытое отверстие на конце ещё не закрывшейся нервной трубки. Передний и задний нейропоры остаются, пока смыкание не дойдёт до концов оси тела, после чего трубка становится полностью замкнутой.

Коротко

Нейруляция превращает плоскую нервную пластинку эктодермы в замкнутую нервную трубку зачаток центральной нервной системы. Процесс индуцируется хордой, проходит через стадии пластинка желобок трубка за счёт апикального сужения и движений клеток, а смыкание идёт от нескольких очагов с временными передним и задним нейропорами. Из трубки развиваются головной и спинной мозг, а на её границах закладывается нервный гребень. В каудальном отделе работает вторичная нейруляция без стадии пластинки. Незакрытие нейропоров ведёт к тяжёлым порокам, что объясняет роль фолиевой кислоты.