Нервные клетки приобретают свои уникальные свойства и образуют четко организованные и удивительно точные синаптические связи во время развития под влиянием генетических факторов и факторов среды. Такими факторами являются: происхождение клеток; индукционные и трофические взаимодействия между клетками; метки, благодаря которым осуществляются миграция и рост аксонов; специфические маркеры, при помощи которых клетки узнают друг друга, а также постоянная реорганизация связей в зависимости от активности клетки.

Развитие нервной системы позвоночных начинается с формирования нервной пластинки из дорзальной эктодермы. Нервная пластинка затем сворачивается, формируя нервную трубку и нервный гребень. Нейроны и глиальные клетки в ЦНС образуются в результате деления клеток-предшественников вентрикулярной зоны нервной трубки. Постмитотические нейроны мигрируют от вентрикулярной поверхности нервной трубки и образуют серое вещество НС взрослых позвоночных. В пределах каждой из областей в развивающейся нервной системе судьба клеток в значительной степени зависит от их расположения. Недавно появилась возможность установить механизмы развития мозга на молекулярном уровне, что позволило объяснить такие механизмы, как рострокаудальный и дорзовентральный паттерны развития, которые до этого были описаны только феноменологически, без каких либо идей о механизмах. Например, экспрессия серии гомеобоксных генов вдоль рострокаудальной оси способствует дифференцировке сегментов заднего мозга; дорзовентральный паттерн определяется отчасти градиентом протеина, известного как Sonic hedgehog.

Клетки нервного гребня образуют периферическую нервную систему. Фенотип, в который дифференцируются клетки нервного гребня, определяется сигналами, поступающими от соседних клеток. Таким образом, если клетки нервного гребня были пересажены в раннем возрасте, они будут дифференцироваться в соответствии со своим новым расположением.

Для установления синаптических контактов со своими мишенями, нейроны образуют аксоны, имеющие на концах конусы роста, которыми они исследуют окружающее пространство. Было идентифицировано два класса молекул, играющих важную роль в продвижении конусов роста: молекулы клеточной адгезии надсемейства иммуноглобулинов и молекулы адгезии внеклеточного матрикса. Навигация конуса роста контролируется при помощи аттрактантов и репеллентов, действующих на коротких и длинных дистанциях. Хемоаттрактанты управляют ростом аксона либо до конечной, либо до промежуточной цели, например до клетки-ориентира (guidepost cell). Хеморепелленты не допускают вторжения аксонов в определенные «неблагоприятные» зоны. Проекции аксонов во время развития зачастую более сильно развиты, чем таковые у взрослых, у которых осуществляется усечение связей на основе механизмов, связанных с активностью и трофическими факторами.

Функциональные синаптические контакты формируются быстро, однако сначала они не имеют характерной специализации, свойственной синапсам взрослых. Только по прошествии нескольких недель синапсы созревают и приобретают свойства синапсов взрослых.

Характерной чертой развития центральной нервной системы всех позвоночных является первоначальное образование избыточного количества нейронов, часть из которых в дальнейшем погибает. Гибель нейронов регулируется при помощи конкуренции за трофические факторы. Фактор роста нерва является представителем семейства протеинов (нейротрофинов, neurotrophins), которые способны поддерживать активность определенных популяций нейронов.

Упорядоченность связей, образованных нервными клетками между собой, а также между ними и другими тканями на периферии является одним из условий для нормального функционирования нервной системы. Для создания такой точной нервной архитектуры во время развития необходимо, чтобы сформировались нейроны определенных типов в необходимом количестве и в строго определенных местах нервной системы, которые затем должны образовать связи со своими уникальными клетками-мишенями. Например, чтобы работал рефлекс растяжения, необходимо, чтобы афферентный сенсорный нейрон типа Ia спинномозгового ганглия послал свой аксон к определенному месту в области мышечного веретена, а другой аксон, идущий в ЦНС, должен образовать синаптический контакт исключительно с тем мотонейроном, который иннервирует мышцу, где находится это мышечное веретено. Другие веточки этого центрального аксона заканчиваются на спинальных интернейронах или уходят в дорзальные столбы для иннервации клеток, расположенных в ядрах спинного мозга. Кроме того, количество сенсорных и моторных нейронов должно находиться в определенном соотношении в зависимости от размеров мышцы и количества мышечных веретен, которые эта мышца содержит.

Большой спектр вопросов возникает при рассмотрении данного примера. Каким образом клетки дифференцируются в нейроны или клетки глии? По каким меткам следует нейрон, мигрируя к своему месторасположению? Какие клеточные механизмы позволяют нейрону направлять свой аксон строго к определенной цели, одной из мириада возможных, чтобы образовать на ней синапс? В поиске ответов на эти вопросы мы вспоминаем, что в нервной системе имеется 1010-1012 нервных клеток, причудливо связанных друг с другом, при этом количество генов, которые могут определять эту структуру, составляет всего 105 или около того. Более того, ЦНС демонстрирует большую гибкость во время критических периодов развития и даже у взрослых, у которых образуются новые синапсы, а старые либо изменяют свои свойства, либо просто исчезают, — и все это как результат изменения активности клеток.

Спектр проблем, относящихся к развитию, образованию синапсов, нервной специфичности и изменению свойств связей, настолько широк, что дать их полный обзор не представляется возможным. Многие аспекты этого уже подробно освещены в других руководствах. В этой главе мы осуществим короткий экскурс в нейроэмбриологию и опишем отдельные экспериментальные подходы к вопросам развития нервной системы. Темы будут освещаться нами в том порядке, как происходит процесс развития НС: начиная с нейроэктодермы и раннего морфогенеза нервной системы, затем мы рассмотрим региональную спецификацию нервной ткани и факторы, которые определяют идентификацию отдельных нейронов и клеток глии, и в конце мы поговорим о механизмах роста аксонов, иннервации ими определенной цели, образовании синапсов, а также о роли факторов роста и конкуренции в окончательном формировании нервной системы.

Терминология

Основная терминологическая проблема возникает при изучении развития на молекулярном уровне. В последние годы описывается все больше и больше молекул, для которых известен механизм их действия. Сюда относятся также белки и гены, важные для выживания клетки, ее роста и дифференцировки, для формирования аксона и его навигации, для образования синапса и управления его свойствами. Для того, чтобы еще больше усложнить ситуацию, большинство этих белков и генов получили своеобразные имена, связанные с историей их открытия или благодаря выдумке их первооткрывателей в лабо должен был познакомиться с таким чужеродным понятием, как «замедленное выпрямление» (delayed rectification) из нашей дискуссии о передаче сигнала, сейчас вынужден привыкать к серии новых необычных названий, таких как "Sonic hedgehog" («звучащий ежик») и эфрин ("Ephrin"), a также к бесконечному числу сокращений, типа "N-CAM", "BDNF" и "Elf-2", ни одно из которых непосредственно не говорит о функции того или иного агента. Мы постарались представить здесь минимальное количество генов и белков и, где возможно, использовать их полные имена.