การเหนี่ยวนำระบบประสาทและการพัฒนาของโนโตคอร์ด

การเหนี่ยวนำระบบประสาทเป็นกระบวนการที่บริเวณหนึ่งของเนื้อเยื่อเอกโตเดิร์มถูกกำหนดให้กลายเป็นแผ่นประสาท ซึ่งเป็นส่วนตั้งต้นของสมองและไขสันหลัง กระบวนการนี้ถูกขับเคลื่อนด้วยสัญญาณจากออร์แกไนเซอร์และมีโซเดิร์มแกน โดยเฉพาะอย่างยิ่งโนโตคอร์ด ซึ่งเป็นแท่งกลางชั่วคราวที่ทำหน้าที่กำหนดรูปแบบแกนกลางของร่างกายในระยะแรก และเป็นโครงสร้างที่บ่งบอกถึงสัตว์ในไฟลัมคอร์ดาตา

Definition

การเหนี่ยวนำระบบประสาทคือการกำหนดชะตากรรมของแผ่นประสาทในเอกโตเดิร์มด้านหลังโดยสัญญาณจากออร์แกไนเซอร์และมีโซเดิร์มแกน; โนโตคอร์ดคือแท่งกลางของมีโซเดิร์มแกนที่เกิดขึ้นจากออร์แกไนเซอร์/โนด ทำหน้าที่กำหนดรูปแบบของท่อประสาทและโซไมต์ และสร้างโครงกระดูกแกนกลางของตัวอ่อน

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมการก่อตัวของโนโตคอร์ดจากมีโซเดิร์มแกน, การส่งสัญญาณเหนี่ยวนำที่ออร์แกไนเซอร์และโนโตคอร์ดใช้ในการสร้างระบบประสาทในเนื้อเยื่อเอกโตเดิร์มที่อยู่เหนือขึ้นไป, แบบจำลองเริ่มต้นของการเหนี่ยวนำระบบประสาท, และบทบาทของโนโตคอร์ดในการกำหนดรูปแบบของท่อประสาทและโครงกระดูกแกนกลาง นี่คือข้อมูลอ้างอิงทางกายวิภาคศาสตร์พัฒนาการและไม่ได้ให้คำแนะนำทางคลินิก

Core questions

• โนโตคอร์ดก่อตัวจากมีโซเดิร์มแกนได้อย่างไร?
• ออร์แกไนเซอร์และโนโตคอร์ดเหนี่ยวนำแผ่นประสาทได้อย่างไร?
• สัญญาณโมเลกุลใดที่อยู่เบื้องหลังการเหนี่ยวนำระบบประสาท?
• โนโตคอร์ดกำหนดรูปแบบของท่อประสาทและเนื้อเยื่อรอบข้างได้อย่างไร?

Key concepts

• ออร์แกไนเซอร์ (Spemann-Mangold organizer; โนดในสัตว์มีถุงน้ำคร่ำ)
• โนโตคอร์ดและมีโซเดิร์มแกน
• แผ่นประสาทและนิวโรเอกโตเดิร์ม
• สารต้าน BMP (น็อกกิน, คอร์ดิน)
• Sonic hedgehog และการกำหนดรูปแบบท่อประสาทด้านท้อง
• ส่วนที่เหลือของโนโตคอร์ด (นิวเคลียสพัลโพซัส)

Key theories

แบบจำลองเริ่มต้นของการเหนี่ยวนำระบบประสาท

เอกโตเดิร์มมีแนวโน้มโดยธรรมชาติที่จะเป็นระบบประสาทและถูกคงไว้ในสถานะผิวหนังโดยการส่งสัญญาณ BMP; สารต้าน BMP ที่ได้จากออร์แกไนเซอร์ เช่น น็อกกินและคอร์ดิน จะช่วยลดการยับยั้งนี้ ทำให้ชะตากรรมทางระบบประสาทที่ซ่อนอยู่สามารถแสดงออกมาได้

Mechanisms

ออร์แกไนเซอร์ (ริมฝีปากด้านหลังในสัตว์ครึ่งบกครึ่งน้ำ, โนดในสัตว์มีถุงน้ำคร่ำ) ก่อให้เกิดแผ่นพรีคอร์เดิลและโนโตคอร์ด ซึ่งเป็นแท่งของมีโซเดิร์มแกนที่ทอดยาวไปตามแนวกลางของตัวอ่อน ออร์แกไนเซอร์และโนโตคอร์ดหลั่งสารต้าน BMP ซึ่งรวมถึงน็อกกิน (noggin) และคอร์ดิน (chordin) ซึ่งยับยั้งการส่งสัญญาณ BMP ในเนื้อเยื่อเอกโตเดิร์มที่อยู่เหนือขึ้นไปในระดับท้องถิ่น; ตามแบบจำลองเริ่มต้น การปลดปล่อยจากการยับยั้ง BMP นี้ทำให้เอกโตเดิร์มสามารถรับชะตากรรมทางระบบประสาทโดยธรรมชาติและก่อตัวเป็นแผ่นประสาท ซึ่งจากนั้นจะพับตัวเป็นท่อประสาท โนโตคอร์ดยังคงกำหนดรูปแบบของท่อประสาทและโซไมต์ที่กำลังพัฒนา ส่วนหนึ่งโดยการหลั่ง Sonic hedgehog เพื่อกำหนดชนิดของเซลล์ประสาทด้านท้องและเพื่อเหนี่ยวนำสเคลอโรโทม (sclerotome) โนโตคอร์ดเองส่วนใหญ่เป็นโครงสร้างชั่วคราว: มันเหนี่ยวนำให้เกิดกระดูกสันหลังและคงอยู่ในกระดูกสันหลังที่โตเต็มที่เพียงแค่เป็นนิวเคลียสพัลโพซัส (nucleus pulposus) ของหมอนรองกระดูกสันหลัง

Clinical relevance

ความผิดปกติของการเหนี่ยวนำระบบประสาทและการปิดของท่อประสาทเชื่อมโยงกับความบกพร่องของท่อประสาท เช่น ภาวะไม่มีสมอง (anencephaly) และภาวะกระดูกสันหลังเปิด (spina bifida) และเนื้อเยื่อโนโตคอร์ดที่คงอยู่เป็นต้นกำเนิดของการเกิดคอร์โดมา (chordoma) ซึ่งเป็นเนื้องอกที่เกิดขึ้นตามแนวโครงกระดูกแกนกลาง ข้อมูลนี้อธิบายความสัมพันธ์ทางพัฒนาการเพื่อการอ้างอิงและไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการวินิจฉัย การให้คำปรึกษาเพื่อป้องกัน หรือการรักษา

Evidence & guidelines

ข้อมูลในที่นี้อ้างอิงจากการทดลองทางคัพภวิทยาและชีววิทยาพัฒนาการระดับโมเลกุลในสัตว์มีกระดูกสันหลัง โดยเริ่มจากการปลูกถ่ายออร์แกไนเซอร์และขยายผลโดยการระบุสัญญาณเหนี่ยวนำและกำหนดรูปแบบในระดับโมเลกุล ควบคู่ไปกับตำราคัพภวิทยาของมนุษย์มาตรฐาน แทนที่จะเป็นแนวทางปฏิบัติทางคลินิก

History

ความสามารถของออร์แกไนเซอร์ด้านหลังในการเหนี่ยวนำระบบประสาทได้รับการพิสูจน์ในการทดลองปลูกถ่ายของ Spemann และ Mangold ในปี 1924 ซึ่งแสดงให้เห็นว่าเนื้อเยื่อออร์แกไนเซอร์ที่ปลูกถ่ายสามารถเหนี่ยวนำให้เกิดแกนรองที่มีท่อประสาทในตัวรับได้ พื้นฐานระดับโมเลกุลยังคงไม่ชัดเจนจนกระทั่งทศวรรษ 1990 เมื่อมีการระบุสารต้าน BMP ที่หลั่งจากออร์แกไนเซอร์ เช่น น็อกกิน (noggin) และคอร์ดิน (chordin) และการเหนี่ยวนำระบบประสาทถูกจัดกรอบใหม่ว่าเป็นสถานะเริ่มต้นที่เผยออกมาโดยการยับยั้ง BMP

Debates

ชะตากรรมทางระบบประสาทเป็นสถานะ 'เริ่มต้น' ที่แท้จริง หรือต้องมีการชี้นำอย่างกระตือรือร้น?

แบบจำลองเริ่มต้นระบุว่าเอกโตเดิร์มจะกลายเป็นระบบประสาทเพียงแค่เมื่อการส่งสัญญาณ BMP ถูกยับยั้ง แต่ผลงานวิจัยต่อมาแนะนำว่าสัญญาณชี้นำเพิ่มเติม (เช่น FGF) มีส่วนร่วม ดังนั้นบทบาทสัมพัทธ์ของการยับยั้งเทียบกับการเหนี่ยวนำอย่างกระตือรือร้นจึงยังคงเป็นที่ถกเถียงกันอยู่

Key figures

• Hans Spemann
• Hilde Mangold
• Ali Hemmati-Brivanlou
• Douglas Melton
• Richard Harland

Seminal works

• spemann-mangold-1923
• smith-1992-noggin
• hemmati-brivanlou-melton-1997

Frequently asked questions

การเหนี่ยวนำระบบประสาทคืออะไร?

เป็นกระบวนการที่สัญญาณจากออร์แกไนเซอร์และโนโตคอร์ดชี้นำส่วนหนึ่งของเอกโตเดิร์มให้กลายเป็นแผ่นประสาท ซึ่งเป็นสารตั้งต้นของสมองและไขสันหลัง ส่วนใหญ่โดยการยับยั้งการส่งสัญญาณ BMP

เกิดอะไรขึ้นกับโนโตคอร์ดในผู้ใหญ่?

โนโตคอร์ดเป็นโครงสร้างตัวอ่อนชั่วคราวที่ช่วยกำหนดรูปแบบแกนกลางของร่างกาย; ส่วนใหญ่จะเสื่อมสลายไป และในกระดูกสันหลังที่โตเต็มที่ มันจะคงอยู่เพียงแค่นิวเคลียสพัลโพซัสภายในหมอนรองกระดูกสันหลัง