Развитие коры головного мозга - Development of the cerebral cortex

Кортикогенез это процесс, в котором кора головного мозга из мозг формируется во время развитие нервной системы. Кора - это внешний слой головного мозга, состоящий из шесть слоев. Нейроны сформированный в желудочковая зона мигрируют к своим конечным местоположениям в одном из шести слоев коры.[1] Этот процесс происходит с 10-го по 17-й день эмбриона у мышей и с 7-й по 18-ю неделю беременности у людей.[2]

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

Корковые пластинки и зоны

Тарелки

Препластинка - это первая стадия кортикогенеза, предшествующая развитию корковой пластинки. Предварительная пластина расположена между пиа и желудочковая зона. Согласно современным представлениям, предварительная пластина содержит первенца или пионерные нейроны. Эти нейроны в основном считаются Клетки 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 корковых слоев.[1] 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.[1]

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 субпластине, устанавливают связи с нейронами, которые еще не переместились в свой целевой слой внутри кортикальной пластинки. Пионерские клетки также присутствуют в субплите и работают над созданием волокон и синапсы внутри пластины.[1]

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.[1] 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.[1][3]

Маргинальная зона вместе с корковой зоной составляют 6 слоев, образующих кору. Эта зона является предшественницей первого слоя коры. Астроциты для мужчин внешняя ограничивающая мембрана взаимодействовать с пиа. У человека было обнаружено, что здесь клетки также образуют субпиальный слой.[1] Клетки Кахаля-Ретциуса также присутствуют в этой зоне и высвобождают рилин вдоль радиальной оси, что является ключом к правильной миграции нейронов во время кортикогенеза.[4]

Формирование слоев

Основная статья: Кора головного мозга

Кора головного мозга делится на слои. Каждый слой образован радиальные глиальные клетки расположены в желудочковой или субвентрикулярной зоне, а затем мигрируют к своему конечному пункту назначения.[5]

Слой I

Слой I, молекулярный слой, является первым кортикальным слоем, образующимся во время нейрогенеза у мышей с E10.5 по E12.5.[4] Из шести слоев неокортекса слой I является наиболее поверхностным, состоящим из Клетки Кахаля – Ретциуса и пирамидные клетки.[5] Этот слой уникален тем, что эти клетки мигрируют к внешнему краю коры, в отличие от миграции, испытываемой другими 5 слоями. Первый слой также характеризуется экспрессией reelin, фактор транскрипции T-box brain 1 и корковый мигрирующий нейрональный маркер.[1]

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, и радиальные глиальные клетки. Пирамидные и звездчатые нейроны экспрессируют SATB2 и CUX1. SATB2 и CUX1 представляют собой ДНК-связывающие белки, участвующие в определении судьбы кортикальных клеток.[5]

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 зоне желудочков. Во время производства этих слоев факторы транскрипции TBR1 и OTX1 выражаются вместе с CTIP2 или кортиконейрональный белок цинкового пальца.[5]

Нейрональная миграция

Нейрональная миграция играет важную роль в кортикогенезе. На протяжении всего процесса создания шести корковых слоев все нейроны и клетки мигрируют из зоны желудочков через субпластинку и останавливаются в соответствующем слое коры. Миграция нейронов обычно подразделяется на радиальная миграция, тангенциальная миграция и многополярная миграция.[1] Миграция подкорковых функций головного мозга в кору известен как кортикализация.[6]

Передача сигналов клетки

Соответствующее формирование коры головного мозга во многом 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

В Reelin -DAB1 Путь - это четко определенный путь, участвующий в кортикогенезе.[7] 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 нужные места. Считается, что результат нижестоящей передачи этой сигнализации 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.[1]

DAB1 является белком-регулятором, расположенным ниже рецепторов рилина. Этот белок расположен внутри клеток, расположенных в зоне желудочков, и его самые высокие концентрации обнаруживаются в мигрирующих пирамидных клетках. Когда либо рилин, либо DAB1 инактивированы у мышей, результирующие фенотипы одинаковые. В этом случае нейроны не могут правильно мигрировать через кортикальную пластинку. Он не влияет на распространение нейронов и в дикой природе, похоже, не оказывает вредного воздействия на память или обучение.[1][3]

Соник ежик

Выбивая Соник ежик, или же Шшш, было показано, что он серьезно влияет на кортикогенез у генетически модифицированных мышей. В вентральный и спинной стороны головной мозг затронуты как Шшш выражает факторы транскрипции в Nkx2 что важно для формирования коры. Шшш также важен для кортикогенеза, поскольку он влияет на пролиферацию и дифференцировку клеток, помогая нейронам клетки-предшественники в определении судьбы.[8]

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 спинномозговая жидкость (CSF). ЦСЖ является областью, способствующей нейрогенезу, и считается, что синергизм между Bmp-7 и другими регуляторами способствует делению клеток наряду с гомеостазом.[9]

Другой костные морфогенетические белки также известно, что они 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.[9]

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 актин и микротрубочка динамика, вовлеченная в миграцию нейронов.[1]

Ингибитор циклинзависимой киназы 1С, или p57, также влияет на кортикогенез. Было показано, что p57 побуждает клетки выйти из клеточного цикла и начать дифференцировку, но это зависит от CDK. p57 способен побуждать клетки-предшественники нейронов начать дифференцироваться в высокоспециализированные нейроны коры головного мозга. Однако механизм, с помощью которого p57 может влиять на такой контроль, еще не известен.[10]

Другие сигналы

Помимо перечисленных выше, есть еще несколько сигналов, влияющих на кортикогенез. Cnr1 рецептор g-белка, который широко экспрессируется в головном мозге, и в интернейроны. У мышей с нокаутом кора головного мозга проявляла пониженную иммунореактивность. Nrp1, Робо1, и Робо2 также было показано, что они присутствуют и играют важную роль в развитии интернейронов. Cdh8 как известно, экспрессируется в промежуточной и субвентрикулярной зоне, но не в конкретных нейронах в этой области, и предполагается, что он регулирует высвобождение волокон.[3]

Расстройства

Лиссэнцефалия

Лиссэнцефалия, или «гладкий мозг», - это заболевание, при котором мозг не формирует должным образом извилины и борозды в результате миграции нейронов и кортикального сворачивания. Это расстройство также может привести к эпилепсия и когнитивные нарушения.[11] 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.[1]

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 деление клеток произошло.[11] В связи с этим считается, что LIS1 является фактором миграции нейронов. LIS1 также считается фактором контроля динеин, моторный белок, который влияет на межклеточные движения, такие как сортировка белков и процесс деления клеток.[1]

Другой белок, который способствует нарушению лиссэнцефалии, - это DCX, или Даблкортин. DCX - это белок, связанный с микротрубочками, который отвечает за пороки развития двойной коры.[1] DCX находится во втором слое коры головного мозга и фактически все еще присутствует в незрелых нейронах коры взрослого мозга.[12] 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.[1]

Tsc1 нокаут

TSC, или туберозный склероз, является аутосомно-доминантным заболеванием. TSC1 или же TSC2 инактивация может вызвать 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. В мышах не хватало бы GFAP в астроцитах однако астроглиоз не произойдет, как в человеческом TSC.[13]

Пороки развития коры головного мозга человека (перегиб)

Натриевый канал SCN3A вовлечен в корковые мальформации.[14]

Перепросмотр

Перепросмотр кортикогенеза как в человеческих, так и в мышиных эмбрионах были достигнуты 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 корковые предшественники формируются в пространственно-временном режиме, аналогичном in vivo кортикогенез. С помощью иммуноцитохимический Анализ нервных стволовых клеток мыши, полученных из ЭСК, через 6 дней показал, что дифференцировка нейронов происходит.[5] 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 головного мозга.[15]

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м п о п Мейер, Г. (2007). Генетический контроль нейронных миграций в развитии коры человека (достижения в анатомии, эмбриологии и клеточной биологии). Ф. Ф. Бек, Мельбурн, Ф. Класка, Мадрид, М. Фрочер, Фрайбург, Д. Э. Хейнс, Джексон, 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., Яровский П.Дж. Последствия трисомии 16 для развития мозга мышей: кортикогенез на модели даунсиндрома. J Neurosci. 1996 г., 1 октября; 16 (19): 6175-82. PubMed PMID  8815899.
  3. ^ а б c Антипа, М., Фокс, К., Эйхеле, Г., Парнавелас, Дж. Г., и Эндрюс, В. Д. (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). Радиальный глия регулируют расположение клеток Кахаля-Ретциуса в ранней эмбриональной коре головного мозга. Биология развития, 351 (1), 25-34. DOI: 10.1016 / j.ydbio.2010.12.026
  5. ^ а б c d е Жермен Н., Банда Э. и Грабель Л. (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. ^ «Нарушение передачи сигналов Reelin-Dab1 способствует дефициту миграции нейронов». Дои:10.1016 / j.celrep.2015.07.013. ЧВК  4536164. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  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. ^ а б 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. ^ Тури, А., Мэйрет-Коэльо, Г., и ДиЧикко-Блум, Э. (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. ^ а б Тоба, С., и 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. ^ Чжан М.К., Ван Х. и Сюн К. (2011). Является ли неокортекс новым резервуаром нейрогенеза взрослых млекопитающих? Исследование нейронной регенерации, 6 (17), 1334-1341. DOI: 10.3969 / j.issn.1673-5374.2011.17.009
  13. ^ Фелисиано, Д. М., Су, Т., Лопес, Дж., Платель, Дж. К. и Бордей, А. (2011). Нокаут одноклеточного Tsc1 во время кортикогенеза генерирует 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.). «Натриевый канал SCN3A (NaV1.3) Регуляция складки коры головного мозга человека и развития оральной моторики ». Нейрон. 99 (5): 905–913.e7. Дои:10.1016 / j.neuron.2018.07.052. ЧВК  6226006. PMID  30146301.
  15. ^ Gaspard N, Bouschet T, Hourex R, Dimidschstein J, Naeije G, van den Ameele J, Espuny-Camacho I, Herpoel A, Passante L, Schiffmann SN, Gaillard A, Vanderhargen P. (2008). Внутренний механизм кортикогенеза эмбриональных стволовых клеток. Природа, 455: 351-357.