Morphogenetic activity of the human brain neuroepithelium during early neurulation



如何引用文章

全文:

开放存取 开放存取
受限制的访问 ##reader.subscriptionAccessGranted##
受限制的访问 订阅或者付费存取

详细

BACKGROUND: During the embryonic period — from the emergence of the first neural folds to the formation of the primary neural tube closure zone — the neural plate undergoes active remodeling. According to current understanding, the first signs of the nervous system appear during neurulation on Carnegie stage 8. Two days later, the neural plate begins to form a tubular structure (stage 10). It has been established that during neurulation, the developing nervous system is particularly vulnerable to various damaging influences, yet this critical period remains the least studied stage of development.

AIM: The aim was to describe the embryonic remodeling events of the human neural plate from the presomite to the 8-somite stage in the developing brain region.

MATERIALS AND METHODS: We examined autopsy specimens of cytotrophoblasts from 18 women who died in accidents. After isolating cytotrophoblasts from the uterine wall, we performed macroscopic analysis of their contents and histological examination of embryos using serial sections.

RESULTS: Studies on human rostral neurulation dynamics have revealed previously unknown morphogenetic transformations of the neuroepithelium. These included duplication of the neural plate marginal folds, formation of transient neuroectodermal ridges, and other temporary embryonic structures. To date, these human-specific but provisional brain morphogenetic events have remained unrecognized, and their underlying mechanisms unexplored.

CONCLUSION: Early embryonic brain morphogenesis in humans involves a complex sequence of coenogenetic neuroepithelial movements. The rostral neural plate generates transient (provisional) structures that sequentially reshape the brain primordium. Their emergence and disappearance likely reflect hidden mechanisms encoding positional information, which ultimately determines the differentiation of major human brain regions.

全文:

Обоснование

Представления о нейруляции человека основаны на достаточно небольшом числе исследований [1-6]. Ключевые эмбриологические преобразования передней части будущего головного мозга, по коллекции Карнеги (США), происходят с 8-й по 10-ю стадию по Карнеги и завершаются на 11-й стадии закрытием рострального нейропора [7, 8]. Эти исследования были проведены на крайне ограниченном материале, который не всегда соответствовал нормальному развитию человека [9]. По этой причине эмбриональные события между 8-й и 10-й стадиями развития описаны недостаточно подробно, во-многом противоречивы и зачастую представляют собой обобщенные представления о нейруляции млекопитающих [8-10]. Основной проблемой изучения ранней нейруляции человека является малодоступность материала и отсутствие сведений о морфологических трансформациях нейроэпителия на микроанатомическом уровне. Как правило, нейруляцию описывают на основе реконструкций серийных гистологических серий препаратов, не видя внешней морфологии эмбрионов [1-6]. При этом многие детали развития человека ускользают от внимания и остаются неизвестными более двухсот лет. Это вынуждает исследователей использовать материал по развитию грызунов и других позвоночных животных [10, 11]. Однако, сопоставимость нейруляционных событий человека и мышей весьма условна [10, 12, 13]. Например, у мышей они завершаются формированием четырёх нейропоров, а у человека – двух.

Наши первые попытки детального исследования этого периода развития человека привели к выделению 5-и подстадий внутри 8-9-й стадий эмбрионального развития и еще 5-и на 10-й стадии [14]. Основанием для расширения периодизации развития мозга стали ранее неизвестные морфогенетические преобразования нейроэпителия, которые стабильно воспроизводятся в эмбриональном развитии человека. Однако до настоящего времени эти специфичные для человека, но провизорные морфогенезы мозга плохо известны, а их природа не исследована. Поэтому был проведен пересмотр ранее полученных препаратов с последующим детальным анализом.

Цель

Цель данного исследования – уточнить морфогенетические события во время раннего периода нейруляции и сопоставить последовательность провизорных морфогенезов нейроэпителия в зоне головного мозга человека.

Материалы и Методы

Исследованы гистологические препараты эмбрионов от 18 матерей (возраст 19-27 лет) из коллекции лаборатории развития нервной системы НИИМЧ им. ак. А.П. Авцына. Проведение исследования было одобрено локальным этическим комитетом Научно-исследовательского института морфологии человека им. ак. А.П. Авцына (Протокол №33(9) от 07 февраля 2022 года). Целостные цитотрофобласты фиксировали в нейтральном формалине (4% параформальдегид на 0,1М фосфатном буфере, рН 7,0–7,4). После макроскопического исследования оболочек цитотрофобласта проводили препаровку и фотографирование нейруляционных эмбрионов при смешанном освещении фотокамерой Leica R-3 с макрообъективом Olympus 20mm/3,5. Затем образцы обезвоживали в спиртах восходящей концентрации и диоксане, заливали в парафин и готовили серийные срезы толщиной 10 мкм, которые окрашивали гемтоксилин-эозином и по Маллори. Полученные препараты анализировали и фотографировали при помощи микроскопа (Ortholux 2Pol BK), оснащенного фотокамерой (Leica M11). Цветные иллюстрации публикуются впервые.

Результаты

Нейруляция у человека начинается с формирования парных ростральных нервных валиков длиной около 800 мкм. Валики представляют собой самостоятельные структуры, поскольку между ними формируется ясно видимый просвет (рис. 1 a). Наружный валик несколько длиннее внутреннего, и они напоминают форму спортивного лука. Каудальный участок валиков плавно переходит в нейруляционное поле и каких-либо структур не образует. Парные нервные валики рострального края нейруляционного поля возникают в период появления парной закладки двух передних сомитов.

Эта ситуация развивается несколько часов и завершается формированием временных медиальных складок нейроэпителия вдоль оси нервной пластинки (рис.1 b). Медиальные провизорные валики нервной пластинки изгибаются латерально и формируют угол, предваряющий первую пару сомитов. В результате парные ростральные валики близко подходят каудальным краем к латеральному плечу медиальных. К этому моменту развития у эмбриона на микроанатомическом уровне чётко видны три сомита и активно формируется ростральный участок четвёртого. Наличие медиальных пресомитных нейруляционных валиков позволяет выделить отдельную подстадию, которая завершается слиянием парных ростральных и медиальных нервных валиков головного региона.

После слияния медиальных и ростральных валиков нервной пластинки медиальные провизорные валики полностью исчезают. В результате формируется подковообразная головная часть нервной пластинки с довольно сложной внутренней структурой (рис. 1 c). Валиков, ограничивающих головную часть нервной пластинки, становится три. Необычная для нейруляции млекопитающих морфологическая фаза дифференцировки нервной пластинки может быть выделена в отдельную подстадию. Эта подстадия скоротечна и продолжается до полного обособления четвёртого сомита. Поперечные сегменты медиальных временных складок сливаются и образуют замыкающий головную область многослойный угол, направленный остриём в ростральном направлении. В этот момент нейруляции головной регион эмбриона полностью морфологически отделён многослойной границей из валиков, как от окружающих тканей, так и от спинного мозга. Эти морфогенетические события в головном регионе нервной пластинки сопровождаются формированием нервного желобка. Он начинается каудальнее уровня первого сомита и распространяется примерно на 1/4 центральной зоны нервной пластинки. При этом форма эмбриона резко изменяется. Начинает формироваться прогиб зародыша в зоне активной дифференцировки сомитов, который быстро углубляется (рис. 1 c). Затем начинается формирование нервной трубки (рис.1 d).

Дополнительную информацию об этих событиях дает рассмотрение эмбрионов с латеральной поверхности. Например, чёткое разделение парных ростральных валиков с дорсальной поверхности эмбриона не видно, но хорошо заметно с латеральной (рис. 2 a). Завершение морфогенеза пятого сомита совпадает с исчезновением уголковой каудальной пластинки и частичным распрямлением валиков, входивших в подковообразную структуру (рис. 2 b). Прогиб средней части зародыша (рис. 2 с) приводит к резкому сближению нервных валиков и углублению нервного желобка. В дальнейшем происходит формирование нервной трубки в центральной части зародыша (рис. 1 d, 2 c, d,).

Следует отметить, что на гистологических срезах через нейруляционную пластинку человека описываемые особенности микроанатомических событий не заметны (рис. 3). Это связано с тем, что плотность расположения клеток, как мезодермы, так и нейроэпителия невысока. Распрямление трёх нервных валиков сопровождается разворачиванием головной зоны нервной пластинки (рис. 3 a, b). Этот участок подвергается кратковременной эверсии, которая предшествует началу замыкания нервной пластинки. Результатом этих пространственных перестроек эмбриона становится начало нейруляции. На гистологических срезах она выглядит как зональное сближение нервных валиков (рис. 3 c).

Нервная трубка формируется после приподнимания латеральных краев нейроэктодермы на уровне 2-6 сомитов. В зонах контактов нервные валики дорсально сливаются и формируют небольшой участок нервной трубки (рис. 3 d). У человека нейруляция начинается с 3-4 точечных контактов между нервными валиками (рис. 4). На это слияние уходит несколько часов. От зоны первичного срастания нервных валиков начинается ростральное и каудальное движение нейруляционных волн, что сопровождается ещё более сложными морфогенетическими событиями. Они требуют более подробного рассмотрения, которое будет подготовлено позднее.

Обсуждение

Формирование нервной пластинки является наименее исследованным периодом развития человека. Традиционно считается, что сворачивание нервной пластинки в нервную трубку у различных видов позвоночных происходит достаточно однотипно и почти не отличается от человеческого [11]. Однако этот процесс протекает в различных группах позвоночных крайне своеобразно [10]. У человека, как ни парадоксально, нейруляция практически не описана, хотя она имеет ряд существенных отличий даже от нейруляции приматов. Ранее мы были вынуждены рассмотреть этот вопрос подробнее и частично переописать нейруляцию человека, введя несколько новых подстадий [14]. Тем не менее, за четверть века после этих исследований были накоплены новые материалы, позволяющие уточнить описанные ранее особенности морфогенеза человека. В морфогенезе человека обнаружены многочисленные временные валики нейроэпителия, которые существуют несколько часов и затем бесследно исчезают. Их роль в формировании нервной системы не совсем понятна, но явно недооценена. Не исключено, что они существуют как эмбриональный механизм детерминации или кодирования позиционной информации нейроэпителиальных клеток. Учитывая развитие методов молекулярно-генетического анализа, существует реальная надежда на понимание причин усложнения нейрогенеза человека.

По принятым представлениям нейруляция начинается у человека на досомитной 8-й стадии (по коллекции Карнеги). В разных источниках возраст эмбрионов варьирует на этой стадии от 18 до 23 дней после оплодотворения, а размер - от 0,5 до 2 мм [7-10]. Необходимо исправить некоторые неточности нейро- и сомитогенеза, которые существуют много лет в описаниях нейруляции человека [1-3, 6]. В соответствии с этими представлениями, сомитогенез у человека начинается при появлении нервного желобка и ростральных нервных валиков [2, 5, 7]. По нашим новым данным это не так. В момент появления парных ростральных нервных валиков формируется, по меньшей мере, один сомит. Однако эти временные пространственные перестройки рыхлых эмбриональных тканей можно увидеть только на анатомическом уровне. Из-за того, что большинство исследований проводилось только с учетом данных гистологических исследований, в предыдущие работы и периодизацию нейруляции человека, по всей видимости, вкралась ошибка [7, 14]. Первичный сомитогенез с учетом микроанатомических данных начинается несколько раньше, чем считается в настоящее время.

Начало формирования первого сомита говорит о конце пресомитного периода. По новым данным он завершается, когда прекращается миграция мезодермы и образуется трёхслойный зародышевый диск. При этом сомитогенез начинается с выделения общей закладки первого и второго сомита, которые через несколько часов разделяются (рис. 1 a), но при гистологическом исследовании не видны (рис. 4). На протяжении 14 дней активного образования сомитов мы имеет четкие микроанатомические морфо-временные критерии для идентификации возраста эмбрионов и формирования нервной пластинки. Эта новая информация, возможно, потребует дальнейшего пересмотра признаков стадий, основанных только на гистологическом исследовании эмбрионов. Такой пересмотр потребует исследования большего числа эмбрионов с одновременным сопоставлением как микроанатомических, так и гистологических данных.

Не менее значимые вопросы возникают после описания донейруляционных событий в головном регионе человека. Как парные, так и тройные нервные валики рострального участка нервной пластинки специфичны для человека и у других млекопитающих (в том числе приматов) не отмечены. Таким образом, временное морфологическое отделение будущего головного мозга эмбриональными структурами пока никак не объяснено.

Также не были ранее описаны множественные контактные точки в зоне первичного смыкания нервных валиков, что требует пересмотра представлений о тангенциальных индукционных процессах. Недавно in vitro было показано, что ширина нервной закладки определяет форму нервной трубки. Таким образом, морфология нервной трубки по передне-задней оси зависит как от молекулярных градиентов, так и от геометрии нервной эктодермы [13].

Понимание того, как формируются органы человека, является научной задачей, имеющей большое значение для медицины. Формирование нервной трубки представляет особый интерес в связи с серьёзными врождёнными пороками развития — дефектами нервной трубки, которые возникают при нарушении её закрытия. Дефекты нервной трубки имеют серьёзные последствия и являются одними из самых распространённых врождённых аномалий, встречающихся в 0,5-2 случаях из 1000 беременностей [12, 13]. Неспособность к слиянию нервных валиков в ростральной области приводит к экзенцефалии, которая прогрессирует до анэнцефалии, и поражённые плоды рождаются мёртвыми или умирают после рождения, а в области спинного мозга - к различным порокам развития, наиболее тяжёлым из которых является миеломенингоцеле (spina bifida aperta) [12].

Заключение

Исследование посвящено описанию ранее неизвестных морфогенетических событий в нервной пластинке человека с досомитной стадии до начала формирования нервной трубки. Описано существование воспроизводящихся в индивидуальном развитии временных (провизорных) нейроэпителиальных структур. Их морфогенетическое происхождение связано, по всей видимости, с локальной агрегацией нейробластов нервной пластинки, что может быть причиной пространственной детерминации развития мозга человека.

×

作者简介

Sergey Saveliev

Avtsyn Research Institute of Human Morphology of Petrovsky National Research Center of Surgery

Email: braincase@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-1447-7198
SPIN 代码: 2079-6351

Dr. Sci. (Biology), Professor, Head of the Laboratory of Nervous System Development

俄罗斯联邦, ul. Tsurupy-3, 117418 Moscow, Russia

Alexandra Proshchina

Avtsyn Research Institute of Human Morphology of Petrovsky National Research Centre of Surgery

Email: proshchina@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-0515-8275
SPIN 代码: 8899-5104

Dr. Sci. (Biology), Senior Researcher, Laboratory of Nervous System Development, Associate Professor

俄罗斯联邦, ul. Tsurupy-3, 117418, Moscow, Russia

Victoria Gulimova

Avtsyn Research Institute of Human Morphology of Petrovsky National Research Center of Surgery

编辑信件的主要联系方式.
Email: gulimova@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-7997-8161
SPIN 代码: 3755-9666
Scopus 作者 ID: 56674408200
Researcher ID: JOZ-0797-2023

PhD in Biology, Senior Researcher, Laboratory of Nervous System Development

俄罗斯联邦, ul. Tsurupy-3, 117418 Moscow, Russia

Dmitry Otlyga

Avtsyn Research Institute of Human Morphology of Petrovsky National Research Center of Surgery

Email: otlyga@bk.ru
ORCID iD: 0000-0002-6719-3383
SPIN 代码: 7593-4951

Candidate of Medical Sciences, Senior Researcher, Laboratory of Nervous System Development

俄罗斯联邦, ul. Tsurupy-3, 117418, Moscow, Russia

Gleb Sonin

Avtsyn Research Institute of Human Morphology of Petrovsky National Research Center of Surgery

Email: glebs0nin@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-6844-700X
SPIN 代码: 5722-7347

Laboratory research assistant at the Laboratory of Nervous System Development

俄罗斯联邦, Ul. Tsurupy-3, 117418, Moscow, Russia

参考

  1. Muller F., O’Rahilly R. The first appearance of the major divisions of the human brain at stage 9 // Anat. Embryol. 1983. Vol. 168, N 3. P. 419-432. doi: 10.1007/bf00304278
  2. Muller F., O’Rahilly R. Somitic-vertebral correlation and vertebral levels in the human embryo // Am. J. Anat. 1986a. Vol. 177, N 1. P. 3-19. doi: 10.1002/aja.1001770103
  3. Muller F., O’Rahilly R. The development of the human brain and the closure of the rostral neuropore at stage 11 // Anat. Embryol. 1986b. Vol. 175, N 2. P. 205-222. doi: 10.1007/bf00389597
  4. Muller F., O’Rahilly R. The development of the human brain, the closure of the rostral neuropore and the beginning of secondary neurulation at stage 12 // Anat. Embryol. 1987. Vol. 176, N 4. P. 413-430. doi: 10.1007/BF00310083
  5. O’Rahilly R., Muller F. The first appearance of the human nervous system at stage 8 // Anat. Embryol. 1981. Vol. 163, N 1. P.1-13. doi: 10.1007/bf00315766
  6. Muller F., O’Rahilly R. The development of the human brain from a closed neural tube at stage 13 // Anat. Embryol. 1988a. Vol. 177, N 3. P.203-224. doi: 10.1007/bf00321132
  7. O’Rahilly, R., Muller F. The Embryonic Human Brain. An Atlas of Developmental Stages. 3rd ed. Hoboken, Wiley-Liss, 2006.
  8. Hill M.A. Early Human Development // Clin. Obstet. Gynecol. 2007. V. 50, N 1. P. 2–9.
  9. O'Rahilly R., Müller F. Developmental stages in human embryos: revised and new measurements // Cells Tissues Organs. 2010. V. 192, N 2. P. 73-84. doi: 10.1159/000289817
  10. Copp A.J. Neurulation in the cranial region--normal and abnormal // J. Anat. 2005 V. 207, N 5. P. 23-35. doi: 10.1111/j.1469-7580.2005.00476.x
  11. Darnell D., Gilbert S.F. Neuroembryology // Wiley Interdiscip. Rev.: Dev. Biol. 2017. V. 6, N 1. P. e215. doi: 10.1002/wdev.215
  12. Nikolopoulou E., Galea G.L., Rolo A., Greene N.D., Copp A.J. Neural tube closure: cellular, molecular and biomechanical mechanisms // Development. 2017. V. 144, N4. P. 552-566. doi: 10.1242/dev.145904
  13. Karzbrun E., Khankhel A.H., Megale H.C., et al. Human neural tube morphogenesis in vitro by geometric constraints // Nature. 2021. V. 599, N 7884. P. 268-272. doi: 10.1038/s41586-021-04026-9
  14. Saveliev SV. Stages of embryonic development of the human brain. Moscow: VEDI; 2002. (In Russ).

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
下载

版权所有 © Eco-Vector,


Периодический печатный журнал зарегистрирован как СМИ Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор): № 0110212 от 08.02.1993.
Сетевое издание зарегистрировано как СМИ Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор): ЭЛ № ФС 77 - 84733 от 10.02.2023.