Ембріогенез і структурно-функціональна організація нервової системи

ЕМБРІОГЕНЕЗ І СТРУКТУРНО-ФУНКЦІОНАЛЬНА ОРГАНІЗАЦІЯ НЕРВОВОЇ СИСТЕМИ

 

  

 

 Закладка нервової трубки і основні етапи розвитку нервової системи

 

 

 

 Процес закладки і розвитку нервової системи розпочинається не раніше, ніж сформуються три зародкові листки: ектодерма, ендодерма і мезодерма між якими розміщені мезенхімні клітини. Цей період завершується до 16 дня ембріогенезу. До кінця третього тижня ембріогенезу розпочинається наступ-ний етап гаструляції – процес диференціації зародкових листків. Цікаво, що клітини ектодерми, мезодерми та ендодерми на цьому етапі в результаті диференціації втратили частину поліпотентних властивостей і тому, наприклад, нервова система формується у всіх тварин та людини тільки з ектодерми. Ба-гато оригінальних і дотепних експериментів на ембріонах земноводних провів на початку ХХ століття Г.Шпеман (H.Spemann* удостоєний в 1935 році за цикл наукових робіт з ембріології Нобелівської премії по фізіології та медицині. В своєї монографії “Ембріональний розвиток та індукція” (1938* він приводить факти про роль “організаторів першого порядку” в механізмах диференціації клітин. В експериментах було доведено, що закладка нервової трубки здій-снюється лише із тих клітин ектодерми, які прилягають до дорсальної губи бластопору. Якщо клітини дорсальної губи бластопору пересадити на вентраль-ну частину ектодерми, то процес нейруляції може розпочатись в місці транс-плантації. Хоча факт взаємного впливу одних структур на інші в процесі емб-ріогенезу відомий добре, але механізми цієї взаємодії практично не розкриті. Гудвін Б. і Коген М. (Goodwin B., Cohen M., 1969* охарактеризували цю си-туацію як таку, що “ембріон має топографічну карту і годинник, а клітини “чи-тають” цю схему”. В роботі “Первинна ембріональна індукція Заксен Л. і Туй-вонен С. (Saxen L., Toivonen S., 1962* та Де Мелло (W.C.De Mello, 1977* при-водять дані про втрату міжклітинних мостиків в ектодермі на початку ней-руляції. Інвагінація нейро-ектодерми в напрямку до хорди приводить до у-творення нервового жолібця, який в своїй середній третині до 28 дня ембріогенезу зам-кнеться в нервову трубку. Лише краніальний та каудальний кінці цієї трубки ще на протязі 4-6 днів залишаються розкритими. На цьому етапі розвитку нервова трубка заповнена амніотичною рідиною. Паралельно із переміщенням клітин нейроектодерми відбувається процес диференціації клітин. В середині 4-го тижня ембріогенезу первинні медулобласти (medulla – мозок* стають родона-чальниками двох популяцій клітин: нейробластів (джерело розвитку нейронів* та спонгіобластів (джерело розвитку нейрогліальних елементів*. Першими набувають функціонально-активної і морфологічно розпізнаваної форми епендімобласти. Ці клітини мають видовжену форму, апікальну та базальну структурну орієнтацію, що наближує за структурно-функціональними ознаками до епітелію. Епендімобласти переміщуються на внутрішню поверхню нервової трубки, орієнтуючись своїм апікальним полюсом в її просвіт. Один відросток, що відходить від протилежного, базального, полюсу “губиться” в товщі нервової трубки. Своїми латеральними поверхнями епендімобласти контактують між собою, утворюючи зони щільних контактів, а на апікальній поверхні клітин цитолема утворює чисельні мікроворсинки, збільшуючи тим самим поверхню контакту епендімоцитів із рідиною, що заповнює нервову трубку. Слід відмітити зразу, що епендімоцити утворюють розмежувальну структуру, яка морфологічно відокремлює нейробласти і нейроцити нервової трубки від безпосереднього контакту з рідиною порожнини нервової трубки. Цей факт особливої морфоло-гічної організації епендіми дозволив відомому гістологу М.Г.Хлопіну (1897 -1961* виділити окремий тип епітелію: епендімогліальний. Варто звернути особ-ливу увагу на те, що на ранніх стадіях ембріогенезу інтенсивно йде процес фор-мування бар’єру, який отримає назву гематоенцефалічного, одним із складових якого є розвиток епендіми. На мікроворсиночках епендімоцитів експресуються різні білки, в тому числі білкові рецептори, що можуть реагувати на хімічний склад рідини в нервовій трубці і через зміни фізіологічної активності епенді-моцитів впливати на функціональну активність структур нервової трубки – а в дефінітивному стані на діяльність структур головного та спинного мозку. Особ-ливо важлива роль буде відведена епендімоцитам, що вистиляють шлуночки головного мозку: бокові 1-й, 2-й, 3-й і 4-й шлуночки та Сільвієв водопровід.

 

 Інша різновидність нейроглії, що розвивається в ці терміни із структур нервової трубки є астроглія. Aster (греч.* – зірка. Це клітини, які мають багато коротких відростків, округле ядро, загальні органели (комплекс Гольджі, рибо-соми, ендоплазматичну сітку*. В цитоплазмі, яка оточує ядро та у відростках, можна виявити волокнисті структури або дрібну зернистість, що дало підстави виділити волокнисті та плазматичні астроцити відповідно. Астробласти в період ембріогенезу мітотично діляться і переміщуючись в межах нервової трубки, своїми відростками утворюють контакти на нейробластах та нейро-цитах. Крім того, перші кровоносні судини, які разом із тоненькими про-шарками мезенхімних клітин проникають на територію нервової трубки, теж відокремлюються від нейробластів та нейроцитів астроцитами. Це призводить до того, що в терміни до 8-10 тижня ембріогенезу компоненти плазми крові можуть досягти нейробластів та нейроцитів лише за безпосередньої участі аст-роглії. Так починає формуватись ще один важливий компонент гематоен-цефалічного бар’єру. Безумовно, зводити суть гематоенцефалічного бар’єру до ролі епендімоцитів та астроцитів було б неправильно. В його формуванні важ-лива роль належатиме морфологічним та біохімічним особливостям ендоте-ліоцитів гемокапілярів. 

 

 Для того, щоб легше сприймати матеріал присвячений ембріогенезу нер-вової системи слід привести узагальнені дані Коуена (Cowan W. 1982*: Коуен виділяє наступні стадії в розвитку мозку:

 

 1. Індукція утворення нервової пластинки.

 

 2. Локалізована проліферація клітин нервової трубки, що приводить до асин-хронного розвитку краніального, каудального та розміщеного між ними се-реднього відділів нервової трубки.

 

 3. Міграція клітин із зон, де вони мітотично діляться, до місць, де вони форму-ють ті, чи інші відділи центральної та периферичної нервової системи.

 

 4. Диференціація клітин на нейробласти та спонгіобласти, спеціалізація нейро-нів та нейроглії з виникненням клітин, які і структурно, і функціонально від-різняються між собою.

 

 5. Інтеграція нервових клітин між собою і формування в подальшому ядер, кори та гангліїв.

 

 6. Формування синаптичних зв’язків між різними за структурою і функцією нейронами. Утворення контактів між відростками нервових клітин і струк-турами органів і тканин. Розвиток контактів між нейронами та нейроглією. Завершення структурної організації гематоенцефалічного бар’єру.

 

 7. Вибіркова загибель окремих нервових клітин (як правило шляхом апоптозу*.

 

 8. Ліквідація одних синаптичних зв’язків і встановлення нових.

 

 Аналізуючи приведені стадії ембріогенезу мозку слід зауважити, що ло-калізована проліферація клітин нервової трубки приводить до того, що на по-чатку другого місяця ембріогенезу нервова трубка повністю закривається як в краніальному, так і в каудальному кінцях в результаті чого частина амніотич-ної рідини ізолюється в просвіті нервової трубки і її хімічний склад може бути проаналізований епендімоцитами, які через свої білкові рецептори на апікальній мембрані та трансмембранні канали адаптують інгредієнти рідини, наближуючи її склад до ліквору – спинномозкової рідини.

 

 В краніальному кінці нервової трубки шляхом інтенсифікації проліферації формуються до 6-7 тижня ембріогенезу три мозкові міхурі (передній мозковий міхур – зачаток переднього мозку – prosencefhalon, середній мозковий міхур – зачаток середнього мозку – mesencephalon і ромбовидний мозковий міхур – зачаток ромбовидного мозку – rhombencefalon*. Передній мозковий міхур ді-литься ще на два мозкових міхура: кінцевий мозковий міхур (telencephalon* за-чаток кінцевого мозку із якого розвинуться великі півкулі головного мозку, з їх неокортексом – корою великих півкуль та палеокортексом – стріапалідарною системою. Із цієї ж структури формується зорова частина таламуса, мигдале-видний комплекс та нюховий мозок.

 

 Інший мозковий міхур, що розвивається із переднього мозкового міхура (diencephalon* – проміжний мозковий міхур стає зачатком решти структур зоро-вого пагорба (таламуса*, гіпоталамічних центрів, епіфізу, нейрогіпофізу.

 

 Середній мозковий міхур (mesencephalon* не ділиться і стає зачатком в роз-витку чотирьохпагорбкової пластинки, ніжок мозку, сільвієвого водопроводу з його чорною субстанцією та червоним ядром.

 

 Ромбовидний мозковий міхур на 7-8 тижні ембріогенезу ділиться на два міхура, які стають зачатками структур мозочку – його кори, ядер та компо-нентами мосту (metencephalon*. І, насамкінець, із останього, п’ятого мозкового міхура сформуються структури довгастого мозку (mylencephalon*.

 

 Явище міграції нервових клітин надзвичайно важливе в ембріогенезі нер-вової системи. Вже в межах стінки нервової трубки має місце переміщення епендімоцитів на внутрішню поверхню нервової трубки. Нейробласти та ней-роцити в результаті проліферації, диференціації та міграції формують мозкові міхурі, в яких шляхом переміщення та спеціалізації нейронів, диференцію-ються кора великих півкуль, кора мозочка, базальні ядра великих півкуль, ядра мозочка та ядра стовбура мозку. Слід зауважити, що шляхи міграції та їх меха-нізми в науці не розкриті. Частина нейронів та нейроглії в процесі міграції покидають територію нервової трубки і розміщуються справа і зліва від остан-ньої, формучи нервові гребенці. Частина нейронів разом з гліальними еле-ментами (олігоденрогліоцитами* мігрують до місць закладки органів, де утво-рюють преорганні та інтраорганні ганглії парасимпатичної нервової системи. Частина нейронів формує справа і зліва вздовж хребетного стовпа вегетативні ганглії симпатичної нервової системи. Окремі нейрони неподалік нервової трубки диференціюються у псевдоуніполярні клітини майбутніх спінальних гангліїв соматичної нервової системи.

 

 Інтеграція нейронів в товщу закладки надниркових залоз, призвиде до утворення мозкової речовини наднирників, сруктури яких спеціалізуються на біосинтезі адреналіну.  

 

 Окремі нейрони мігрують далеко за межі нервової трубки, досягають структур, що формують шкіру, де перетворюються в пігментні клітини. До речі, треба звернути увагу на те, що пігментні клітини є двох різновидностей: одні містять у своїй цитоплазмі гранули пігменту меланіну і мають ферментні системи, які забезпечують біосинтез цього пігменту із дофаміну, зокрема – дофадекар-боксилазу. Ці пігментні клітини мають нейральне походження. Про це свідчать спільні шляхи обміну фенілаланіну та тирозину в нейронах та пігментних клітинах.

Хоча остаточна структура меланіну ще не встановлена, його походження із спільного попередника медіатора дофаміну беззаперечно доведене.

 

 Друга різновидність пігментоцитів, це ті, що містять гранули меланіну в своїй цитоплазмі, але не маючи фермента дофадекарбоксилази, його не син-тезують. Ці клітини можуть розміщуватись в тканинах де і перші, при зви-чайних морфологічних дослідженнях їх відрізнити неможливо і лише гісто-хімічна реакція на дофадекарбоксилазу диференціює їх між собою.

 

 Окремою формою міграції нейронів є варіант, коли нейрон знаходиться, наприклад, в корі великих півкуль або в одному із ядер, а його відростки мо-жуть відходити від клітини на десятки і сотні сантиметрів, вступаючи в контакти або з іншими нервовими клітинами, або із соматичними структурами.

 

 Інтеграція нейронів між собою з наступним утворенням структур кори півкуль, мозочку, окремих ядер теж не має чіткого пояснення. Допускається, що на мембрані нейронів на ранніх етапах ембріогенезу експресуються спеціальні білки, які “розпізнають” певні різновидності клітин, що утворюють міжклітині контакти і лише після цього астроцити формують покриття мембран кожного нейрона. Допустити варіант, що взаємодія нейронів між собою реалізується після того, як гліальні елементи ізолюють мембрани нейроцитів, це значить допустити провідну роль нейроглії в забезпеченні специфічності контактів нейронів між собою. Останнє припущення не є вже таким і неймовірним, якщо взяти до уваги наукові факти останніх років. В лабораторії Полежаєва – пока-зано, що якщо викликати дезінтеграцію клітин які входять до складу, нап-риклад, стріапалідарного комплексу, при збереженні відносної цілісності пери-каріонів кожного, то в культурі клітини, ці нейрони в найближчі дні формують структуру, яка орієнтовно нагадує ядра палеокортексу. Подібні факти послу-жили певним підгрунтям для спроб трансплантації базальних ядер, взятих у ембріона, пацієнтам, що страждають хворобою Паркінсона.

 

 Формування контактів між нервовими клітинами та зв’язків між нейро-нами і соматичними клітинами, розпочавшись на етапах ембріогенезу, продов-жується і після народження людини в подальшому, хоча з роками, особливо після завершення статевого та фізичного дозрівання інтенсивність цих процесів суттєво зменшується.

 

 В процесі формування спинного мозку в принципі відбуваються такі ж ме-ханізми, як і при ембріогенезі головного мозку.