Развития нейрона, момент времени (стр. 1 из 3)

РАЗВИТИЯ НЕЙРОНА, МОМЕНТ ВРЕМЕНИ

Взаимосвязь между временем образования нейронов и судьбой клеток

Существен ли для развития нейрона момент времени, когда его клетка-предшественница прекращает делиться и мигрирует прочь от вентрикулярной зоны? На данный вопрос можно ответить при помощи маркировки нейронов в то время, когда они переходят в постмитотическое состояние, или «рождаются». В этой технике, впервые разработанной Ангевином и Сидманом, производится однократное введение [³Н]-тимидина либо внутриматочно, либо внутривенно в определенный день развития. Эта метка захватывается и встраивается в ДНК клетки, находящейся в стадии деления в данный момент. Невстроившийся тимидин быстро исчезает из кровотока. Таким образом, клетки, находящиеся в постмитотической стадии, не содержат метки. В клетке, которая продолжает делиться после введения метки (глиальные клетки и клетки-предшественницы, которые остаются в вентрикулярной зоне), метка может уменьшаться в концентрации во время удвоения ДНК и следующего за ним деления клетки. Однако, если клетка делится во время пика концентрации [³Н]-тимидина и одна или обе дочерние клетки прекращают деление, мигрируя прочь от вентрикулярной зоны и дифференцируясь в нейроны, тогда эти нейроны имеют очень высокую концентрацию [³Н]-тимидина. Таким образом, путь развития нейрона, образовавшегося в определенный день развития, может быть визуализован путем однократного введения эмбриону [³Н]-тимидина в данный день, после чего продолжается нормальное развитие эмбриона, и в дальнейшем ауторадиография используется для обнаружения помеченных клеток.

Использование этой техники позволило выявить, что в головном мозге (ГМ) млекопитающих имеется систематическая взаимосвязь между временем образования нейрона и местом его окончательного расположения в коре ГМ; развитие происходит по принципу «наоборот» (inside-out fashion) 1)

Рис. 1. Нейрогенез первичной зрительной коры кошки. (А) Ауторадиограмма срезов коры взрослого животного с [3Н]-тимидином, введенным эмбриону на 33-й (ЕЗЗ) и 56 (Е56) день. Микрофотография этих же срезов в светлом поле, окрашенных крезил виолетом, показывает, что наиболее окрашенные клетки расположены в слое 6 коры после введения в возрасте ЕЗЗ и в слоях 2 и 3 после введения в возрасте Е56. (В) Гистограмма, показывающая распределение клеток, помеченных в разные сроки между Е30 и Е56, иллюстрирует inside-out паттерн развития зрительной коры.

Нейроны самых глубоких кортикальных слоев образуются в первую очередь. Нейроны самых поверхностных слоев образуются позднее и мигрируют через клетки более глубоких слоев к месту своего окончательного расположения в коре. Схожее соответствие между временем образования и окончательным расположением нейрона наблюдается и в других отделах нервной системы, хотя и не во всех.

Каким образом мигрируют нейроны? Происходит ли этот процесс спонтанно в направлении изнутри наружу, пока они не достигнут поверхности развиваюшейся коры, или мигрирующий нейрон способен распознавать определенный слой, куда он должен мигрировать? Эксперименты на развивающихся хорьках показали, что кортикальные нейроны способны мигрировать в строго определенную позицию (рис. 2). Клетки, в том числе эмбриональные предшественники нейронов слоя 5 и 6, извлекались из вентрикулярной зоны эмбрионов на ранних стадиях и трансплантировались в вентрикулярную зону эмбрионов на более поздних сроках, в область клеток, являющихся предшественниками более поверхностных слоев 2 и 3. Клетки-предшественники, которые были трансплантированы в ранней S фазе клеточного цикла (когда происходит синтез ДНК), изменяли свое развитие: нейроны, образовавшиеся из них, мигрировали в слои 2 и 3.

Рис. 2. Слой определяет направление дифференциров ки в коре хорька. (А) Ней роны, образовавшиеся на сроке Е29, мигрируют и образуют слой 6 кортикальной пластинки у взрослых. (В) Нейроны, образовавшиеся в первый день постнатального развития (Р1) мигрируют и образуют слой 2/3 кортикальной пластинки взрослых. (С) Клетки, пересаженные из вентрикулярной зоны Е29 эмбриона в вентрикулярную зону Р1 новорожденных, следуют одним из двух возможных путей развития. Клетки, пересаженные на поздних стадиях своего последнего клеточного цикла или уже как постмитотические нейроны, еще не мигрировавшие из вентрикулярной зоны (показано черным), сохраняют свою исходную дифференцировку и мигрируют в слой 6.

Клетки, пересаженные во время фазы S клеточного цикла (показано серым), меняют свою дифференцировку и мигрируют в слой 2/3.

Однако, если клетки были трансплантированы на более поздних стадиях их последнего клеточного цикла или уже являлись постмитотическими нейронами, мигрировавшими из вентрикулярной зоны, они сохраняли свою исходную дифференцировку. Они мигрировали только в пределах слоя 6, где останавливались и образовывали связи, характерные для своего типа дифференцировки. Таким образом, область, куда будет мигрировать кортикальный нейрон определяется, пока он находится в вентрикулярной зоне, непосредственно перед финальными митозом клетки.

Генетические аномалии строения коры у мышей линии reeler

Другой пример того, как определяется дальнейшее развитие нейрона до того, как он достигнет своего окончательного расположения, обнаружен у мутантных мышей линии reeler (названных так из-за своей неровной походки). В развивающейся коре мышей reeler более молодые нейроны не мигрируют сквозь слои других клеток. Таким образом, их расположение друг относительно друга у взрослых противоположное: нейроны, образованные раньше, располагаются в более поверхностных слоях, а нейроны, рожденные позже, — в более глубоких. Несмотря на аномальное расположение, нейроны имеют правильную исходную морфологию (определяемую моментом рождения) и образуют между собой связи в зависимости от времени образования. Получается, что морфология корковых нейронов и природа их синаптических взаимодействий определяются в момент рождения нейрона и могут проявляться независимо от его расположения. Такой reeler фенотип является результатом большого количества мелких изменений в результате мутации в коре и других областях мозга.

Продуктом экспрессии гена reeler является большой гликопротеин внеклеточного матрикса, называемый reelin. Он не экспрессируется в кортикальных клетках, не мигрирующих правильным образом, а в основном экспрессируется в клетках Кахаля—Ретциуса в краевой зоне коры. Нарушения экспрессии других генов в кортикальных клетках могут приводить к сходным с reeler фенотипам проявления. Например, мутация цитоплазматического белка, содержащего фосфотирозин (cytoplasmic phosphotyrosine-containing protein), названного Disabled-1, также приводит к reeler фенотипу, как и генетическое выключение (knock-out) рецептора липопротеинов низкой плотности вместе с рецепторами 2 типа к аполипопротеину Е. На основании этого можно судить о том, что эти три белка являются частью внутриклеточного механизма, который позволяет кортикальным клеткам распознавать сигнал с reelin-белка, передающийся через внеклеточный матрикс, и использовать этот сигнал для установления правильной структуры слоев коры. Большое количество других генетических мальформаций в коре ГМ человека связано с нарушением миграции нейронов.

Влияние локальных сигналов на корковую архитектуру

Примером способности корковых нейронов изменять свое строение после того, как они мигрировали прочь от вентрикулярной зоны, является эксперимент, в котором кусочек развивающейся зрительной коры был пересажен в область представления вибрисс соматосенсорной коры крысы^, . Нейроны в трансплантанте реорганизовались и сформировали четко различимую колончатую структуру, характерную для их нового месторасположения, образуя фенотип, не характерный для зрительной коры. Таким образом, внутренние влияния могут определять особенности фенотипов корковых нейронов.

Гормональный контроль за развитием нервной системы

В некоторых областях ЦНС развитие нейронов находится под гормональным контролем. Это особенно заметно в областях мозга, определяющих сексуальное поведение. Например, у таких певчих птиц, как канарейки, ядро высшего вокального центра (ВВЦ, high vocal center, HVC) играет ключевую роль в приобретении и запоминании песни — что является исключительно мужским поведением. Эта зона мозга больше развита у самцов, чем у самок (рис. 3.). Однако пение можно вызывать даже у взрослых самок введением тестостерона, в результате чего ядро ВВЦ и другие структуры, связанные с воспроизведением песни, увеличиваются.

Ядра ВВЦ у взрослых самцов и самок канарейки являются особенными центрами, так как там происходит постоянный кругооборот нейронов⁾. Образование (recruitment) новых нейронов ВВЦ у самцов происходит максимально осенью и весной, сразу после пика гибели старых нейронов. Таким образом, в это время происходит модификация их песен для нового брачного сезона. Период гибели нейронов совпадает с падением уровня тестостерона, а образование новых — с его пиком. Назначение тестостерона самкам приводит к увеличению образования новых нейронов в ВВЦ, которые, как их предшественники, получают определенные синаптические сигналы и посылают свои аксоны к определенным мишеням. Эти удивительные наблюдениям показывают, что в зрелом мозге возможно не только образование новых нейронов, но также их включение в сложно устроенную и функционирующую систему, что приводит к перемоделированию такого свойственного птицам поведения, как их песни.