Миграция клеток и аксональное наведение
Развитие мозга — процесс в высшей степени динамический и связан с массированным перемещением миллиардов нервных клеток. Незрелые нейроны мигрируют от места зарождения в развивающемся мозге и, добравшись до точки назначения, пускают нервные волокна, которые тянутся к другим клеткам и создают с ними связи.
В процессе развития стволовые клетки эмбриональной нервной системы делятся и порождают громадное количество незрелых нейронов. Те далее массированно мигрируют и создают зачатки головного и спинного мозга. Когда их перемещение окончено, нейроны выпускают из себя два вида нервных волокон — аксоны и дендриты, которые растут и образуют синапсы с другими нейронами, формируя сложные нейронные цепи зрелого мозга. Миграция клеток и рост аксонов и дендритов повинуются одним и тем же простым механизмам: и то и другое требует комбинации химических сигналов, задающих направление движения клеток и роста волокон вдоль нужных путей.
Чудесное странствие
На ранних стадиях развития нервная система состоит из полой трубки, чьи стенки содержат клетки радиальной глии. Эти клетки делятся с разной скоростью вдоль всей длины нервной трубки, и на одном ее конце образуется головной мозг, а на другом — спинной. Радиальные глиальные клетки имеют единственное волокно, проницающее нервную трубку насквозь, а их тела располагаются ближе к внутренней поверхности трубки, в области, именуемой желудочковой. Здесь клетки делятся и производят незрелые нейроны, которые мигрируют через стенки нервной трубки к ее поверхности.
В процессе этой так называемой «радиальной миграции», открытой в начале 1970-х, незрелые нейроны прикрепляются к волокну радиальной глиальной клетки, которая их произвела, после чего ползут вдоль нее, подобно амебе. Далее незрелые нейроны прибывают в развивающийся головной мозг последовательными волнами и формируют характерные слои коры головного мозга, причем каждая последующая волна прокатывается сквозь предыдущую. Однако точная связь между местом «рождения» клетки и конечным пунктом ее назначения по-прежнему неясна — клетки, производимые в одной и той же части развивающегося мозга, могут оказаться в разных областях зрелого органа.
Не все клетки мигрируют таким манером. Гранулярные клетки мозжечка, к примеру, производятся структурой под названием «ромбическая губа», расположенной на кромке отверстия крыши нервной трубки. Незрелые гранулярные нейроны покидают ромбическую губу и перемещаются к внешней поверхности нервной трубки, после чего разворачиваются и мигрируют к развивающемуся мозжечку.
Первопроходцы тела
Юный нейрон, добравшись до места своего назначения, распускает аксоны и дендриты в сторону других нейронов и устанавливает с ними связи. И это целое дело: в зрелом мозге содержится примерно квадриллион связей, и все они, чтобы работать как положено, должны быть установлены правильно. Более того, некоторые нервные волокна протягиваются на расстояния до нескольких футов или даже больше. Как именно создается эта изощренная избирательность нервных связей — все еще предмет изучения, однако основные механизмы уже довольно понятны. Дальнейшее постижение этих механизмов — увлекательнейшая штука, поскольку может дать исследователям знание, как регенерировать нервные волокна, порванные у людей с травмами позвоночника.
«Поначалу создается множество несовершенных связей и возникают многие ошибки распределения... Однако со временем эти несообразности исправляются» Сантьяго Рамон-и-Кахаль (1928)
Из сотен исследований, произведенных за последние 20 лет, мы знаем, что мигрирующие клетки и растущие аксоны, двигаясь по развивающейся нервной системе, улавливают химические сигналы окружения. Большая часть этих «хемотаксических» сигналов — белки, синтезируемые в определенных точках и выделяемые для образования концентрационного градиента; иными словами, их концентрация выше всего там, где находится их источник, и она падает по мере удаления от него.
Растущие волокна и мигрирующие клетки засекают этот градиент концентрации и откликаются изменением своего пути следования. Волокна, проходящие тот или иной нейронный путь первыми, называются пионерскими. Идущие следом мигрируют вдоль уже проложенных пионерскими нейронами путей и формируют пучки нервных волокон, связывающие удаленные друг от друга области мозга.
Существует несколько отдельных типов наведения, и все они помогают мигрирующим клеткам и растущим нервным волокнам найти правильный путь и держаться его.
Отталкивающие сигналы обычно выделяются в начале миграционного пути и, как и подсказывает их название, помогают клеткам и волокнам отправиться в путь, выталкивая их вон. Маршрут движения сопровождается разрешающими сигналами, которые поддерживают мигрирующие клетки и волокна в их перемещении. Верный путь обложен и запрещающими сигналами — они препятствуют отклонению клеток и волокон от курса. В конце пути клетки и волокна встречают притягивающие сигналы, выделяемые клетками, находящимися в точке прибытия.
Иди по знакам
Кончик растущего аксона представляет собой конус роста — коническую структуру примерно в одну тысячную миллиметра в ширину, содержащую многочисленные, похожие на пальчики, протуберанцы, именуемые филоподиями. Конус роста содержит рецепторы, улавливающие многочисленные сигналы наведения, направляющие растущие аксоны в нужном направлении. С ростом нервного волокна конус роста вытягивает и втягивает филоподии, «вынюхивая» сигналы наведения. Сигналы аксонального наведения действуют как указатели, направляя конус роста к той или иной точке или подсказывая двигаться далее прямо. Каждый вид наведения запускает определенную биохимическую реакцию, которая приводит к реорганизации структурных элементов внутри конуса роста. К примеру, из-за отталкивающих сигналов у конуса роста может вмяться одна сторона и набухнуть противоположная. Это приводит к росту нервного волокна в направлении от отталкивающего сигнала.
Маршруты иных миграций
Клетки мозга — не единственные мигранты тела. Нервный гребень — популяция мигрирующих клеток, происходящих из области вблизи верхушки нервной трубки. Миграция клеток нервного гребня возникает по нескольким отчетливым путям и механизмам, сходным с задействованными в аксональном наведении и миграции клеток мозга; эта миграция порождает громадное разнообразие нейронных и не-нейронных структур. Клетки нервного гребня в верхней части нервной трубки производят нейроны черепных нервов, а также кости и соединительные ткани лица; клетки нервного гребня в средней части нервной трубки порождают первичные сенсорные нейроны и нейроны симпатической нервной системы; клетки нервного гребня из других участков нервной трубки образуют, среди прочего, нейроны кишечника, пигмент-содержащие клетки — меланоциты, а также ткань, отделяющую аорту от легочной артерии.
