Cảm ứng thần kinh và sự phát triển của dây sống

Cảm ứng thần kinh là quá trình mà một vùng ngoại bì được định hướng để trở thành đĩa thần kinh, tiền thân của não và tủy sống. Quá trình này được thúc đẩy bởi các tín hiệu từ trung tâm tổ chức (organizer) và trung bì trục (axial mesoderm), đặc biệt là dây sống (notochord) — một cấu trúc dạng que ở đường giữa tạm thời vừa định hình trục cơ thể ban đầu vừa là cấu trúc đặc trưng của động vật có dây sống.

Definition

Cảm ứng thần kinh là sự xác định số phận của đĩa thần kinh trong ngoại bì lưng bởi các tín hiệu từ trung tâm tổ chức và trung bì trục; dây sống là cấu trúc dạng que ở đường giữa của trung bì trục phát sinh từ trung tâm tổ chức/nút nguyên thủy, định hình ống thần kinh và các đốt nguyên thủy (somite), và hình thành bộ xương trục phôi.

Scope

Chủ đề này bao gồm sự hình thành của dây sống từ trung bì trục, tín hiệu cảm ứng mà trung tâm tổ chức và dây sống dùng để thần kinh hóa ngoại bì bên trên, mô hình mặc định của cảm ứng thần kinh, và vai trò của dây sống trong việc định hình ống thần kinh và bộ xương trục. Đây là một tài liệu tham khảo về giải phẫu học phát triển và không cung cấp hướng dẫn lâm sàng.

Core questions

• Dây sống hình thành từ trung bì trục như thế nào?
• Trung tâm tổ chức và dây sống cảm ứng đĩa thần kinh như thế nào?
• Những tín hiệu phân tử nào là cơ sở của cảm ứng thần kinh?
• Dây sống định hình ống thần kinh và các mô xung quanh như thế nào?

Key concepts

• Trung tâm tổ chức (Trung tâm tổ chức Spemann-Mangold; nút nguyên thủy ở động vật có màng ối)
• Dây sống và trung bì trục
• Đĩa thần kinh và ngoại bì thần kinh
• Chất đối kháng BMP (noggin, chordin)
• Sonic hedgehog và định hình ống thần kinh bụng
• Phần còn lại của dây sống (nhân tủy)

Key theories

Mô hình mặc định của cảm ứng thần kinh

Ngoại bì vốn có khuynh hướng trở thành thần kinh và được giữ ở trạng thái biểu bì bởi tín hiệu BMP; các chất đối kháng BMP có nguồn gốc từ trung tâm tổ chức như noggin và chordin giải phóng sự ức chế này, cho phép số phận thần kinh tiềm ẩn bộc lộ.

Mechanisms

Trung tâm tổ chức (môi lưng ở động vật lưỡng cư, nút nguyên thủy ở động vật có màng ối) tạo ra tấm trước dây sống (prechordal plate) và dây sống, một cấu trúc dạng que của trung bì trục chạy dọc theo đường giữa phôi. Trung tâm tổ chức và dây sống tiết ra các chất đối kháng BMP — bao gồm noggin và chordin — ức chế cục bộ tín hiệu BMP trong ngoại bì bên trên; theo mô hình mặc định, sự giải phóng khỏi ức chế BMP này cho phép ngoại bì chấp nhận số phận thần kinh nội tại của nó và hình thành đĩa thần kinh, sau đó gấp lại thành ống thần kinh. Dây sống tiếp tục định hình ống thần kinh và các đốt nguyên thủy đang phát triển, một phần bằng cách tiết ra Sonic hedgehog để xác định các loại tế bào thần kinh bụng và để cảm ứng sclerotome. Bản thân dây sống phần lớn là tạm thời: nó cảm ứng các thân đốt sống và chỉ tồn tại trong cột sống trưởng thành dưới dạng nhân tủy (nucleus pulposus) của các đĩa đệm.

Clinical relevance

Rối loạn cảm ứng thần kinh và đóng ống thần kinh có liên quan đến các dị tật ống thần kinh như vô sọ (anencephaly) và tật nứt đốt sống (spina bifida), và mô dây sống còn sót lại là nguồn gốc phát triển của u dây sống (chordoma), một khối u phát sinh dọc theo bộ xương trục. Mục này mô tả các mối quan hệ phát triển để tham khảo và không phải là cơ sở để chẩn đoán, tư vấn phòng ngừa hoặc điều trị.

Evidence & guidelines

Tài liệu ở đây dựa trên phôi học thực nghiệm và sinh học phát triển phân tử trong các mô hình động vật có xương sống, bắt đầu bằng cấy ghép trung tâm tổ chức và được mở rộng bằng việc xác định phân tử các tín hiệu cảm ứng và định hình, cùng với các văn bản phôi học người tiêu chuẩn chứ không phải các hướng dẫn lâm sàng.

History

Khả năng của trung tâm tổ chức lưng trong việc cảm ứng hệ thần kinh đã được chứng minh trong thí nghiệm cấy ghép năm 1924 của Spemann và Mangold, cho thấy mô trung tâm tổ chức được ghép có thể cảm ứng một trục thứ cấp với ống thần kinh ở vật chủ. Cơ sở phân tử vẫn còn mơ hồ cho đến những năm 1990, khi các chất đối kháng BMP do trung tâm tổ chức tiết ra như noggin và chordin được xác định và cảm ứng thần kinh được định hình lại như một trạng thái mặc định được bộc lộ bởi sự ức chế BMP.

Debates

Số phận thần kinh có phải là trạng thái 'mặc định' thực sự, hay nó đòi hỏi sự hướng dẫn tích cực?

Mô hình mặc định cho rằng ngoại bì trở thành thần kinh đơn giản khi tín hiệu BMP bị chặn, nhưng công trình sau đó cho thấy các tín hiệu hướng dẫn bổ sung (ví dụ FGF) cũng đóng góp, vì vậy vai trò tương đối của ức chế so với cảm ứng tích cực vẫn đang được thảo luận.

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

Cảm ứng thần kinh là gì?

Đây là quá trình mà các tín hiệu từ trung tâm tổ chức và dây sống định hướng một phần ngoại bì trở thành đĩa thần kinh, tiền thân của não và tủy sống, chủ yếu bằng cách ức chế tín hiệu BMP.

Dây sống biến đổi như thế nào ở người trưởng thành?

Dây sống là một cấu trúc phôi tạm thời giúp định hình trục cơ thể; hầu hết nó thoái triển, và trong cột sống trưởng thành nó chỉ tồn tại dưới dạng nhân tủy bên trong các đĩa đệm.