Rozwój układu nerwowego

Wszystko zaczyna się od zygoty. ZYGOTA jest pojedynczą komórką powstałą z połączenia jaja z plemnikiem. Zygota ulega podziałowi na dwie komórki potomne, te ulegają dalszym podziałom, itp. Podziały te nie kończą się powstaniem masy niezróżnicowanych komórek tylko te dzielące komórki dają początek różnym organom. Konieczne do tego są trzy rzeczy:

- komórki muszą się różnicować

- komórki dotrzeć muszą do przeznaczonych im miejsc oraz dostroić się z otaczającymi je komorkami tworząc poszczególne struktury

- komórki ustanowić muszą odpowiednie związki funkcjonalne z innymi komorkami

Rozwijające się komórki układu nerwowego osiągają wszystkie te rzeczy w pięciu etapach:

- powstanie płytki nerwowej

- namnażanie komorek nerwowych (proliferacja nerwowa)

- migracja i agregacja

- wzrastanie aksonów i tworzenie się synaps

- śmierć neuronów i reorganizacja synaps

1. Powstanie płytki nerwowej

PŁYTKA NERWOWA (neural plate) to niewielkie zgrubienie w środkowej części ektodermy na grzbietowej powierzchni rozwijającego się płodu, które daje się zauważyć trzy tygodnie po zapłodnieniu. Wykształcenie się płytki nerwowej to pierwszy własny etap rozwoju układu nerwowego.

- ektoderma to najbardziej zewnętrzna warstwa komorek rozwijającego się płodu. Pod nią znajduje się mezoderma (czyli warstwa środkowa), a pod mezodermą znajduje się endoderma (czyli warstwa najbardziej wewnętrzna). Te warstwy komorek nazywa się też często blaszkami zarodkowymi. Każda z blaszek zarodkowych jest prekursorem pewnego typu rozwijających się narządów.

Po wykształceniu się płytka nerwowa wbrzusza się – w jej środkowej części tworzy się wgłębienie nazywane rynienką nerwową. Brzegi tego „wbrzuszenia” z czasem łączą się i powstaje cewka nerwowej (neural tube). Wnętrze cewy nerwowej z czasem przekształca się w

komory mózgu i kanał rdzeniowy.

Nie dalej niż 40 dni po zapłodnieniu w przedniej części cewy nerwowej zauważyć daje się trzy wybrzuszenia.

Wybrzuszenia te z czasem rozwijają się w przodomózgowie, śródmózgowie i tyłomózgowie.

- pierwsze komórki w rozwijającym się płodzie są totipotencjalne, czyli potrafią przekształcić się

w każdy rodzaj komorek dorosłego organizmu. Inne ich określenie to komórki macierzyste.

- po powstaniu płytki nerwowej komórki macierzyste tworzącej ją ektodermy tracą część swojej

wszechstronności. Przekształcają się one w pluripotencjalne komórki macierzyste, czyli komórki

macierzyste mogące przekształcić się w niektóre, lecz nie wszystkie rodzaje komorek dorosłego

organizmu. Komórki płytki nerwowej są więc nerwowymi komorkami macierzystymi (mogą się one przekształcić w każdy rodzaj komórek układu nerwowego, ale nie inny typ komorek, np. wątroby).

2. Namnażanie komorek nerwowych (proliferacja nerwowa)

W cewie nerwowej zaczynają się namnażać komórki (następuje ich proliferacja).

- namnażanie się komorek nerwowych zachodzi w charakterystycznej kolejności (ma swoistą dla siebie sekwencję rozwojową), a nie równocześnie i po równo w każdej części cewy.

- większość podziałów komórkowych zachodzących w cewie nerwowej ma miejsce w okolicach komór mózgowych (tak zwanej strefie przykomorowej). STREFA PRZYKOMOROWA to oczywiście obszar przylegający do komór mózgowych, które są wypełnione płynem i znajdują się w przedniej części cewy nerwowej.

3. Migracja i agregacja

Migracja- Większość podziałów komórkowych zachodzących w cewie nerwowej ma więc miejsce w strefie przykomorowej. Komórki te migrują do odpowiednich, przeznaczonych im obszarów. W migracji tej nowopowstałym komórkom pomaga tymczasowa sieć komorek glejowych, zwana glejem promienistym (radial glial cells). GLEJ PROMIENISTY jest przejściową formą gleju obecną w rozwijającej się cewie nerwowej, która po odegraniu swojej roli przekształca się w zwykłe komórki glejowe.

- migrujące neurony przemieszczają się głownie na zewnątrz wzdłuż wypustek gleju promienistego do odpowiednich dla siebie lokalizacji. Zachodzą jednak również znaczące migracje dywergentne (tangential migrations),czyli migracje komorek pod kątem prostym do wypustek gleju promienistego.

Pierwsze komórki nerwowe powstałe na etapie proliferacji nerwowej migrują do strefy

pośredniej (intermediate zone) powiększającej się cewy nerwowej.

- gdy strefa pośrednia jest już dobrze ustanowiona, niektóre z migrujących komorek tworzą

dodatkową warstwę pomiędzy strefą przykomorową a strefą pośrednią

-> komórki migrujące do tej strefy podprzykomorowej (subventricular zone) przekształcają się z czasem w komórki glejowe lub komórki wstawkowe.

- w przodomózgowiu przez te ustanowione już warstwy przeciskać zaczynają się nowe komórki tworząc warstwę komorek nazywaną płytką korową (ktora z czasem rozwija się w korę mózgową)

- komórki ostatniej (najgłębszej) z sześciu warstw kory nowej jako pierwsze docierają do miejsca swojego przeznaczenia, więc komórki tworzące warstwy wyższe muszą przeciskać się przez te istniejące już, aby dotrzeć do swoich celów

-> to tak zwany odwrotny wzorzec rozwoju kory mózgowej

Kiedy migracja komorek jest już zakończona, komórki pozostające w strefie przykomorowej

przekształcają się w KOMORKI EPENDYMY (rodzaj komorek glejowych), które tworzą wyściółkę komór mózgowych i kanału rdzeniowego.

Umiejscowiona grzbietowo do cewy nerwowej znajduje się struktura zwana GRZEBIENIEM NERWOWYM (neural crest), utworzona z komorek, które oderwały się od cewy nerwowej podczaj jej tworzenia.

- komórki grzebienia nerwowego przekształcają się w neurony i komórki glejowe obwodowego

układu nerwowego (PNS)

-> wiele z nich pokonuje wiec znaczące odległości podczas swoich migracji

Co wskazuje migrującym komorkom miejsce ich przeznaczenia?

- miejsce przeznaczenia migrującym komórką wskazuje raczej otaczającą je tkanką (czyli medium, przez które komórki migrują) niż informacją zawartą w samej komórce.

AgregacjaPo początkowej migracji komórki nerwowe muszą zestroić się z innymi, dokonać właściwej konfiguracji z neuronami, które „wyemigrowały” do tych samych obszarow, aby utworzyć właściwe struktury układu nerwowego.

- zarówno w migracji, jak i agregacji komorek nerwowych udział biorą tak zwane substancje adhezyjne /cząsteczki adhezji komórkowej, które znajdują się na powierzchni neuronów i innych komorek

-> posiadają one zdolność rozpoznawania danego typu cząsteczek na powierzchni innych

komorek i przylegania do nich

4. Wzrost aksonu i tworzenie się synaps

Po migracji komorek nerwowych do właściwych im miejsc przeznaczenia i ich agregacji (zestrojenia się, skonfigurowania) w odpowiednie struktury nerwowe wyrastać zaczynają z nich aksony i dendryty.

- na każdym zakończeniu wzrastającego aksonu lub dendrytów znajduje się struktura zwana stożkiem wzrostu

-> każdy STOŻEK WZROSTU wyposażony jest w kurczące się i rozkurczające cytoplazmatyczne wypustki nazywane filopodiami. Kurcząc się i rozkurczając powodują one ameboidalny ruch rosnącego aksonu, są jak palce szukające po ciemku właściwej drogi.

Dla wyjaśnienia sposobu, w jaki stożki wzrostu znajdują właściwą drogę do przypisanych im struktur zaproponowano trzy hipotezy:

- hipotezę powinowactwa chemicznego (chemoaffinity hypothesis)

- hipotezę matrycy chemiczno-mechanicznej (blueprint hypothesis)

- hipotezę gradientu topograficznego (topographic gradient hypothesis)

B. Hipoteza matrycy chemiczno-mechanicznej

Zgodnie z hipotezą matrycy chemiczno-mechanicznej rozwijający się układ nerwowy zawiera specyficzne szlaki chemiczne lub mechaniczne, po których wędrują rosnące aksony w drodze do swoich miejsc docelowych.

PIERWOTNE STOŻKI WZROSTU są pierwszymi stożkami wzrostu wędrującymi po danym szlaku rozwijającego się układu nerwowego. Uważa się, że odnajdują one właściwą drogę wchodząc w interakcje z substancjami adhezyjnymi (CAMs) komorek znajdujących się na ich szlaku.

- wędrujące za nimi stożki wzrostu poruszają się po prostu po ich śladach

- tendencja rosnących aksonów do wędrowania po śladach aksonów wcześniej idących danym szlakiem nazywa się fascykulacją.

Wzrost aksonu i tworzenie się synaps: zakończenie

żaden pojedynczy mechanizm nie jest w stanie wytłumaczyć wszystkich przypadków, gdy rosnące aksony poprawnie znajdują drogę do właściwych sobie punktów docelowych.

- główną siłą naprowadzającą wydaje się jednak potencjał adhezyjny stożków wzrostu (czyli to, że mogą być one przyciągane, adhezja = przyciąganie) względem specyficznych sygnałów chemicznych wysyłanych przez ich punkty docelowe

-> istnieją jednak dobrze udokumentowane przypadki, gdy stoŜki wzrostu poruszają się po

wyjątkowo zawiłych szlakach wśrod otaczających je tkanek, prawdopodobnie orientując się

za pomocą substancji adhezyjnych (CAMs) wydzielanych przez otaczające je komórki

5. Śmierć neuronu i reorganizacja synaps

A. Śmierć neuronu

ŚMIERĆ NEURONU jest ważną i normalną częścią rozwoju układu nerwowego. W trakcie tego rozwoju powstaje dużo więcej komorek niż konieczne (o ok. 50% za dużo), przeżyją tylko te, które są najbardziej sprawne w tworzeniu synaps z innymi komorkami. Reszta zginie.

Laureat Nagrody Nobla Gerald Edelman nazywa ten proces DARWINIZMEM

NERWOWYM (neural darwinism) – tylko najlepiej dostosowane komórki przetrwają.

Trzy przekonywujące odkrycia wspierają hipotezę, że śmierć rozwijających się neuronów spowodowana jest przegraniem przez nie konkurencji o neurotrofiny – ochronne substancje chemiczne wydzielane przez docelowy dla danego aksonu neuron.

Śmierć komorek w okresie rozwoju układu nerwowego jest zazwyczaj procesem aktywnym (nazywanym apoptozą).

B. Reorganizacja synaps

Po śmierci zbędnych lub nieprawidłowych neuronów zwolnione przez nie miejsce na błonie komórki postsynaptycznej zajmowane jest przez rozrastające się zakończenia synaptyczne pozostałych neuronów.

=> rezultatem śmierci neuronów jest potężna reorganizacja połączeń synaptycznych

- reorganizacja synaps ześrodkowuje docelowe zakończenia każdego neuronu na mniejszej

liczbie komorek postsynaptycznych, czego skutkiem jest zwiększona selektywność

neurotransmisji.

Podczas około 266 dni ciąży z pierwszej komórki nowej istoty powstaje organizm składający się z ponad 200 milionów różnorodnych komórek o wysokim stopniu specjalizacji. Noworodek wyposażony jest w około 20 milionów gruczołów służących do wydzielania niezbędnych enzymów trawiennych, posiada około 100 miliardów neuronów rozmieszczonych w mózgu i w całym ciele, między którymi przed i po urodzeniu wciąż tworzą się połączenia. Niektóre neurony mózgowe są w stanie utworzyć nawet 200 tysięcy połączeń. Ilość wszystkich połączeń telefonicznych świata jest mniej liczna niż ilość połączeń nerwowych u człowieka.

Pierwszy trymestr rozwoju
Pierwszy trymestr to okres najbardziej intensywnego rozwoju. Z zapłodnionej komórki jajowej powstaje nowa istota ludzka, która pod koniec trzeciego miesiąca przypomina wyglądem miniaturowego człowieka i ma wszystkie, funkcjonujące już, podstawowe narządy wewnętrzne. Tempo tworzenia się komórek nerwowych jest imponujące: kilka tysięcy nowych neuronów przybywa co minutę w drugim, a co sekundę w trzecim miesiącu życia.

Następuje ich przemieszczanie i różnicowanie.
Pierwszy miesiąc
Jest to okres bardzo szybkich podziałów zapłodnionej komórki i jej wędrówki wzdłuż jajowodu do macicy. W czasie pierwszego miesiąca powstają zawiązki poszczególnych układów. Już trzynastego dnia tworzą się zawiązki układu nerwowego, a dziewiętnastego dnia powstaje cewa nerwowa złożona z pierwotnych neuronów, z której rozwinie się rdzeń kręgowy i nerwy obwodowe. Już 21 dnia powstają pierwsze komórki ośrodkowego układu nerwowego i 3 pierwotne pęcherzyki mózgowe oraz zaczątki 33 kręgów.

Drugi miesiąc
Jest to okres intensywnego tworzenia się organów. W czterdziestym pierwszym dniu zaobserwowano pierwsze odruchy nerwowe, co świadczy o początku współdziałania układu nerwowego i mięśniowego. Wyrazem tej współpracy jest również pojawienie się spontanicznych ruchów wygięcia grzbietu i karku oraz podnoszenia się i opadania, które nie są wywoływane żadnym bodźcem zewnętrznym. Trening siły i precyzji mięśni rozpoczyna się więc na 10 tygodni zanim matka odczuje pierwsze ruchy dziecka.W czterdziestym trzecim dniu odnotowano pierwsze oznaki fal mózgowych. Bardzo intensywnie rozwija się oko, zwłaszcza komórki nerwowe siatkówki, których włókna łączą ją z mózgiem, gdzie powstanie ośrodek wzroku. Już w połowie siódmego tygodnia skóra dziecka w okolicy warg staje się wrażliwa na dotyk i lekkie jej podrażnienie powoduje uogólnioną reakcję całego ciała w postaci zwrotu tułowia. Następuje silny rozwój pęcherzyków mózgowych, zaczyna się unerwianie tworzącego się ucha wewnętrznego. Wszystkie podstawowe narządy wewnętrzne są już ukształtowane, zajmują właściwe miejsca i pełnią swoje funkcje, np. serce bije rytmicznie, mózg wysyła impulsy nerwowe koordynując pracę organów wewnętrznych, wątroba i śledziona wytwarzają komórki krwiotwórcze, pojawia się przemiana węglowodanowa, żołądek wydziela soki trawienne, a nerki wychwytują kwas moczowy, gromadzący się we krwi dziecka jako produkt przemiany materii. Dziecko może wykonywać ruchy. Kończy się zarodkowy (embrionalny), a zaczyna płodowy okres rozwoju człowieka.
Trzeci miesiąc
Doskonali się zmysł dotyku, np. powieka pod wpływem dotknięcia zaciska się, a dłoń zwija w piąstkę. Neurony w rdzeniu kręgowym zaczynają rozsyłać sygnały nerwowe do odrębnych kończyn tak, że mogą się one poruszać osobno. Powstaje nerw węchowy.
Dziesiąty tydzień
Kończą się kształtować ślimak i narząd słuchowy ucha, zarasta podniebienie. W tym czasie zasadnicze części mózgu są już ukształtowane, powstaje wtedy 3-krotnie więcej połączeń nerwowo-mięśniowych niż w dziewiątym tygodniu. Doskonali się wrażliwość dotykowa okolicy twarzy, która jest wtedy bardzo czuła na każde muśnięcie, np. eksperymentalnie zastosowany lekki dotyk czoła powoduje obrót głowy. Dziecko ćwiczy swoje ruchy balansując w macicy, przeciąga się, podskakuje, ziewa, dotyka ręką różnych części głowy, rusza ustami, wykonuje ruchy rotacyjne wzdłuż osi ciała.

Jedenasty tydzień
Niektóre narządy zaczynają się kształtować (np. struny głosowe), inne doskonalą swoją budowę (np. tarczyca, jelita), jeszcze inne podejmują swoje funkcje (np. trzustka zaczyna wydzielanie insuliny do krwi). Górna część klatki piersiowej i ramiona stają się wrażliwe na dotyk. Reakcja na dotyk jest uogólniona, następuje ciąg reakcji wielu części ciała. W połowie tego tygodnia w zamknięciu dłoni zaczyna brać udział kciuk. Tworzą się podstawowe receptory powonienia.

Dwunasty tydzień
Aktywność mózgu specjalizuje się z dnia na dzień. Posiada cechy charakterystyczne dla gatunku ludzkiego, ale wykazuje też niepowtarzalne cechy osobnicze. Kształtuje się nerw łączący gałkę oczną z częścią potyliczną mózgu, gdzie będzie się mieścić korowy ośrodek wzroku. Powstają gruczoły wytwarzające ślinę. Dziecko zaczyna połykać wody płodowe. Wrażliwości na dotyk nabierają środkowe i boczne, a potem dolne części ciała.

Drugi trymestr rozwoju
Zakończyło się już tworzenie organów. Rozwój w tym trymestrze to przede wszystkim intensywny wzrost oraz duże tempo zmian układu nerwowego. Doskonalą się zdolności ruchowe i zmysłowe. Dziecko jest już w tym okresie bardzo aktywne, a przestrzeń wokół niego pozwala mu na nieskrępowane i wszechstronne ćwiczenia ruchowe, wyczuwalne już przez matkę.
Czwarty miesiąc
Powierzchnia mózgu jest pofałdowana, można na niej dostrzec bruzdy i zwoje. W mózgu tworzy się mapa ruchowa i czuciowa ciała. Wciąż powstają nowe połączenia między komórkami nerwowymi. Po podaniu środków pobudzających lub uspokajających zmienia się obraz fal mózgowych i zachowanie dziecka. Dziecko jest już wrażliwe na smak wód płodowych. Między czternastym i piętnastym tygodniem cała powierzchnia jego ciała reaguje na dotyk. Receptory znajdujące się w skórze odbierają bodźce związane ze zmianą ciśnienia wód płodowych.
Piąty miesiąc

Dziecko reaguje też na nagłą wibrację i silne dźwięki, na zmiany temperatury oraz oświetlenia wnętrza macicy przyśpieszeniem akcji serca, zmianą pozycji ciała oraz zwiększeniem ruchliwości.
Szósty miesiąc
Dojrzewają narządy wewnętrzne oraz układ nerwowy. W szóstym miesiącu kończy się szybki wzrost liczby komórek i zwojów nerwowych. Ciągle gęstnieje sieć wiązań nerwowych w mózgu i w dwudziestym czwartym tygodniu między 70 tysiącami komórek tkanki mózgowej wielkości łebka od szpilki istnieje 124 milionów połączeń. Zwiększa się również szybkość przebiegu impulsów nerwowych. W czasie snu występuje faza o specyficznym układzie fal mózgowych, charakterystycznym dla marzeń sennych (tzw. faza REM), w czasie której w mózgu dziecka następuje intensywne porządkowanie i integracja sygnałów, jakie dotarły ze zmysłów i mięśni, były materiałem jego doświadczeń i prostych odczuć.

Trzeci trymestr rozwoju

Rozwój układu nerwowego
Ostatni trymestr życia prenatalnego jest okresem, w którym układ nerwowy doskonali swoje funkcjonowanie. Na powierzchni obu półkul mózgowych tworzą się charakterystyczne dla człowieka bruzdy, dzięki czemu zwiększa się powierzchnia kory mózgowej. W zależności od liczby, rodzaju i siły bodźców tworzy się sieć znaczących połączeń. Część komórek zamiera wskutek braku współpracy z innymi. Każde doświadczenie skutkuje więc obumieraniem jednych komórek i wzrastającą żywotnością innych. Wzrost mózgu polega na rozrastaniu się połączeń, np. w maleńkiej próbce 70 tysięcy komórek mózgowych w chwili urodzenia istnieje około 240 milionów połączeń, tzn. dwukrotnie więcej niż 3 miesiące wcześniej, ale też dwukrotnie mniej niż 8 miesięcy później.

Rozwój połączeń nerwowych w mózgu jest już na tyle zaawansowany, że w korze mózgowej zachodzi proces różnicowania, uczenia się, zapamiętywania, nabywania nawyków i preferencji, doświadczania pierwotnych emocji.

W siódmym miesiącu można już rozpoznać u dziecka sześć warstw kory mózgowej. Zmniejszająca się przestrzeń wokół niego uniemożliwia swobodne większe ruchy, ale dziecko nadal przekręca się, rusza kończynami i wykonuje precyzyjne ruchy mimiczne. Angażują one do pracy różne partie mózgu, dzięki czemu powstają ciągle nowe połączenia między komórkami nerwowymi oraz wzorce pamięciowe ruchów. Ruchliwość wskazuje na dobry stan dziecka, jej osłabienie lub zanik trwające jeden dzień lub bardzo silne, długie miotanie się w brzuchu mogą świadczyć o dyskomforcie dziecka, a nawet zagrożeniu jego życia. Większość odruchów wrodzonych, takich jak odruch ssania, poszukiwania pokarmu, kroczenia, Moro, chwytny, jest już widoczna. Znalazłyby one zastosowanie, jeśli dziecko urodziłoby się przedwcześnie.

Na przełomie siódmego i ósmego miesiąca wskutek zmniejszania się przestrzeni wokół dziecka aktywność ruchowa zostaje zastąpiona intensywną bioelektryczną aktywnością kory mózgowej. Tworzą się nowe szlaki połączeń między różnymi częściami kory oraz między mózgiem a obwodem ciała. W ten sposób układ nerwowy może coraz sprawniej koordynować ruchy ciała, pracę wszystkich narządów oraz kierować czynnościami, myśleniem i uczuciami. Mózg szczególnie intensywnie ćwiczy funkcje oraz integruje informacje w czasie fazy REM. W ostatnim trymestrze powstają pewne różnice w dominacji jednej strony ciała nad drugą: półkula lewa, odpowiedzialna za prawą stronę ciała i mowę jest zwykle w okresie płodowym lepiej ukrwiona, a tym samym lepiej odżywiona i dotleniona. Wytwarza się gotowość lewej półkuli mózgowej do przyjmowania dźwięków mowy, a prawej - muzyki. Obserwuje się cztery stany pobudzenia układu nerwowego: głęboki sen, aktywny sen, spokojne czuwanie, aktywne czuwanie. Pod wpływem dobowego rytmu aktywności matki dziecko nabywa nawyki, które dają o sobie znać po urodzeniu: jedne noworodki śpią regularnie i spokojnie, inne mają przerywany sen; do jednych odnosi się określenie "skowronki", do innych "sowy". Jeśli odziedziczony rytm biologiczny dziecka jest odmienny od tego, którego wyuczyło się w łonie, stopniowo przechodzi po urodzeniu na swój własny biorytm.
Rozwój zmysłów
W tym okresie powstają ośrodki mózgowe dla poszczególnych zmysłów. Zewnętrzne narządy zmysłowe są już uformowane i spełniają rolę sprzętu, który może działać, jeśli będzie podłączony do obwodu układu nerwowego i zasilany energią impulsów nerwowych. Sygnały, wysyłane do mózgu przez komórki nerwowe poszczególnych zmysłów, tworzą drogą powtórek i ćwiczeń coraz wyraźniejsze szlaki nerwowe, a jednocześnie układ nerwowy uczy się ignorować przypadkowe informacje. Narządy zmysłowe rozpoczęły wcześniej swoje działanie w kolejności: dotyk, równowaga, powonienie, smak, słuch, wzrok. Ich rozwój jest jednak uzależniony od siebie. Dla harmonijnego rozwoju dziecka konieczny jest naturalny dopływ bodźców, ale niezbyt mocnych. Dlatego odradza się zbyt silną sztuczną stymulację prenatalną pobudzającą jeden zmysł - ze względu na jej szkodliwe następstwa dla innych funkcji zmysłowych i nerwowych.

Zmysł dotyku, odczuwania temperatury, równowagi, węchu, smaku, słuchu, wzroku, bólu.

Pierwszym krokiem w rozwoju mózgu jest podział komórek. Kolejnym kluczowym etapem jest

różnicowanie komórek: pojedyncze komórki przestają się dzielić i przybierają specyficzny charakter, np. właściwy dla neuronów lub komórek glejowych. Różnicowanie porządkuje komórki w przestrzeni. Odmienne rodzaje neuronów migrują do różnych miejsc

w procesie tworzenia struktur.

Pierwszy znaczący etap tworzenia struktur ma miejsce u człowieka w czasie trzeciego tygodnia ciąży, gdy na zarodek składają się zaledwie dwie połączone warstwy dzielących się komórek. Mała wysepka komórek na górnej stronie dwuwartswy, zwana płytką nerwową, otrzymuje polecenie, by wytworzyć cały mózg i rdzeń kręgowy. Płytka nerwowa ma kształt rakiety tenisowej, której przednia część będzie budować mózg, a tylna - rdzeń kręgowy. Sygnały sterujące przeznaczeniem tych komórek płyną z warstwy położonej poniżej, która utworzy środkowe części szkieletu i mięśnie zarodka.W różnych obszarach wczesnego układu nerwowego ulegają ekspresji odmienne zestawy genów, zwiastując wyłanianie się obszarów mózgu – przodomózgowia, śródmózgowia i tyłomózgowia – z odrębną architekturą komórkową i funkcją.

Zawijanie

W tydzień później, płytka nerwowa zawija się, zamyka w cewkę i tonie w zarodku, gdzie zostaje owinięta w powstający nabłonek. Dalsze znaczące zmiany zachodzą w ciągu kilku kolejnych tygodni, w tym zmiany w kształcie, podziałach, migracji i przyleganiu komórek. Przykładowo, cewka nerwowa wygina się w taki sposób, że rejon głowowy jest zagięty pod kątem prostym w stosunku do obszaru tułowiowego. Kształtowanie to posuwa się do coraz bardziej szczegółowych poziomów organizacji, ostatecznie nadając indywidualną tożsamość młodym neuronom. Coś może pójść nie tak. Niezamknięcie się cewki nerwowej powoduje powstanie rozszczepu kręgosłupa, stanu ograniczonego z reguły do dolnej części rdzenia kręgowego. Nie jest to wada zagrażająca życiu, ale jest dojmująca. Z kolei niezamknięcie się cewki nerwowej w rejonie głowowym prowadzić może do całkowitego braku wykształconego mózgowia, znanego jako bezmózgowie (ang. anencefalia).

Neuron zna swoje miejsce w mózgu Regułą w procesie powstawania struktur jest to, że komórki dowiadują się o swojej pozycji w odniesieniu do głównych osi układu nerwowego – przednio-tylnej i grzbietowo-brzusznej. W rezultacie każda komórka odmierza swoją pozycję w odniesieniu do tych prostopadłych osi współrzędnych, tak jak osoba czytająca mapę oblicza swoje położenie mierząc odległość od określonych punktów. Na poziomie molekularnym polega to na tym, że zarodek wytwarza w cewce nerwowej pewną liczbę miejscowych obszarów polaryzujących, które wydzielają cząsteczki sygnałowe. W każdym z tych obszarów, cząsteczki dyfundują od swojego źródła tworząc gradient stężenia wraz z odległością. Przykładem takiego mechanizmu wyczuwającego położenie jest grzbietowo-brzuszna oś rdzenia kręgowego. W dolnej część cewki nerwowej ulega ekspresji wydzielane z komórek białko o uroczej nazwie – dźwiękowy jeż (SHH, ang. Sonic hedgehog). Białko to dyfunduje od płytki podstawnej i wpływa na komórki w osi grzbietowo-brzusznej zależnie od ich oddalenia od tej płytki. W jej pobliżu, SHH indukuje ekspresję genu powodującego powstawanie jednego z typów interneuronów, a w oddaleniu, niższe stężenie SHH indukuje ekspresję genu wytwarzającego neurony ruchowe.

Naprowadzanie aksonu Kiedy neuron osiągnie już swoją indywidualną tożsamość i przestaje się dzielić, wydłuża swój akson za pomocą powiększonej końcówki znanej jako stożek wzrostu. Trochę jak zwinny przewodnik górski, stożek wzrostu jest wyspecjalizowany w poruszaniu się przez tkankę. Sprawnie podąża właściwą ścieżką rozciągając za sobą akson, co przypomina trochę psa na rozwijanej smyczy. Kiedy tylko stożek wzrostu osiągnie swój cel, traci zdolność ruchu i tworzy synapsę. Naprowadzanie aksonu jest najwyższą umiejętnością nawigacyjną, równie precyzyjną na krótkich i długich dystansach. Stożek wzrostu musi nie tylko dotrzeć do namierzonej komórki docelowej, ale także ominąć pozostałe stożki dążące do innych miejsc. W osiągnięciu celu pomagają stożkom wzrostu wskazówki naprowadzające, które je przyciągają (+) lub odpychają (–). Mechanizmy molekularne odpowiedzialne za regulację ekspresji tych wskazówek są do tej pory słabo zrozumiane.

Kształtowanie przez czynność

Elektryczną Wysoki stopień dokładności w przestrzennym rozmieszczeniu neuronów i ich połączeń osiągany jest już na początku. Jednak usieciowanie pewnych części układu nerwowego podlega później udoskonaleniu zależnemu od aktywności neuronów, włączając w to przycinanie aksonów oraz wymieranie komórek nerwowych. Straty te mogą wyglądać na marnotrawstwo, ale nie zawsze jest możliwe lub pożądane zbudowanie od razu kompletnego i doskonałego mózgu. Na przykład dokładne odwzorowanie pomiędzy neuronami w siatkówce i w mózgu, niezbędne do ostrego widzenia, częściowo kształtuje się dopiero pod wpływem aktywności elektrycznej wywoływanej przez bodźce napływające do siatkówki. Selekcjonowanie spośród nadmiernego zestawu połączeń następuje także w okresie krytycznym, poktórym podstawowa struktura układu wzrokowego jest kompletna, co następuje w wieku około ośmiu tygodni u małp i prawdopodobnie po roku u ludzi.

Rewolucja genomowa

Szybko powstaje kompletny katalog genów potrzebnych aby zbudować mózg. Dzięki ogromnemu potencjałowi metod biologii molekularnej, możemy sprawdzać funkcje genów przez wpływanie na ich ekspresję gdziekolwiek i kiedykolwiek chcemy w czasie rozwoju. Aktualnie głównym zadaniem jest rozszyfrowanie hierarchii kontroli genetycznej, która przekształca warstwewkę komórek w działający mózg. Jest to jedno z największych wyzwań neurobiologii.

Warto wiedzieć

Komórki macierzyste są komórkami, które mają zdolność zmiany we wszystkie inne rodzaje komórek. Niektóre z nich, zwane zarodkowymi komórkami macierzystymi, mnożą się w bardzo wczesnych fazach rozwoju. Inne znajdowane są w szpiku kostnym i w sznurze pępowinowym, łączącym matkę z jej nowonarodzonym dzieckiem. Neurobiolodzy starają się dowiedzieć, czy komórki macierzyste mogą być używane do naprawy uszkodzonych neuronów w dorosłym mózgu. Większość badań przeprowadza się obecnie na zwierzętach, ale istnieje nadzieja, że ostatecznie będziemy mogli naprawiać rejony mózgu uszkodzone w wyniku chorób takich jak choroba Parkinsona.