Hoofdstuk 22: Early Brain Development
Formation of the Nervous System: Gastrulation and Neurulation
De ontwikkeling van de hersenen moet in goede oriëntatie gebeuren, de initiatie van neuronale
ontwikkeling hangt af van een proces wat gastrulatie heet. Dit begint als een lokale invaginatie van
een paar cellen in het vroege embryo. Na deze invaginatie bestaat het embryo uit 3 germ-layers: het
buitenste ectoderm, het middelste mesoderm en het binnenste endoderm. De gastrulatie bepaalt de
middellijn en de anterior-posterior + dorsal-central assen aan de hand van de invaginatie van het
embryo.
Een centrale gebeurtenis in de ontwikkeling van het zenuwstelsel is de formatie van de notochord bij
de middellijn tijdens gastrulatie. Dit is een cilinder van mesoderm cellen die in de middellijn ontstaat
als het mesoderm invagineert en verschuift van de mid-anterior naar de posterior kant. Het ontstaat
bij de primitive pit, die uitrekt en de primitive steak vormt, door deze bewegingen ontstaat de
middellijn. De ectoderm die direct boven de notochord ligt heet de neuroectoderm, hieruit ontstaat
het hele zenuwstelsel. De notochord zelf verdwijnt nadat de ontwikkeling voorbij is, hij is nodig voor
het aangeven van de middellijn en zorgt voor de goede positionering van het zenuwstelsel.
Cellen in de primitive pit en de notochord zenden inductieve signalen uit voor het ectoderm en zorgt
ervoor dat cellen differentieren naar neuroectodermal precursor cells. Tijdens dit proces, wat
neurulatie heet, wordt de middellijn met deze precursorcellen dikker en vormt het colomvormige
epitheel wat de neural plate heet. De laterale zijkanten van deze plate vouwen naar binnen en
vormen uit de neural plate een neural tube. De cellen die aan de ventrale middelkant van de tube
zitten differentieren in cellen die de floorplate vormen. Moleculaire signalen van deze flootplate
cellen en de notochordcellen zorgen voor de positie van de neuroectodermal precursors van de
wervelkolom en de achterhersenen. Voor de structuren in de voorhersenen gebeurt hetzelfde met d
non-floorplate cellen en centrale middellijn structuren.
Uit de multipotente neural stem cells in de neural tube ontaan de hele hersenen, wervelkolom en
bijna het hele perifere zenuwstelsel. Neruonale stamcellen produceren neuronen, astrocyten en
oligodendroglial cells. Signalen van de floorplate, somites en cranial neural crest voor de
voorhersenen zorgen voor differentiatie van cellen in de ventrale neural tube waaruit de
wervelkolom en achterhersenen motorneuronen en interneuronen uit ontwikkelen. Precursor cellen
die verder weg liggen van de ventrale middellijn ontwikkelen in sensorische neuronen en
interneuronen van de meer dorsaal gelegen delen van de wervelkolom en de achterhersenen. Dit
wordt gefaciliteerd door een kleine strip van neuroepitheelcellen.
Formation of the Major Brain Subdivisions
Na het vormen van de neural tube, ondergaat hij verschillende morfologische bewegingen waardoor
de voorlopers van de grootste breinregio’s ontstaan. Aan de anterior zijde ontstaat er een ‘’handle’’
en hier ligt de cephalic flexture, een buiging. Hier onder vormt het prosencephalon, een voorloper
van de voorhersenen. Boven de flexture vormt het mesencephalon, wat later de middenhersenen
vormt. Hier achter zit het rhombencephalon, wat de achterhersenen vormt.
, Prosencephalon
Na het vormen van de primitieve delen van de hersenen, ondergaan ze nog minimaal twee
verdelingen. Het rostale deel van het prosencephalon vormt het telecephalon. Het dorsale deel
hiervan vomt de cerebrale cortex en de hippocampus, het ventrale deel ontwikkelt in de basal
ganglia. Het caudale deel van het prosencephalon vormt het diancephalon, wat weer bestaat uit de
hypothalamus en thalamus en andere dingen zoals optic vesicles.
Mesencephalon
Het dorsale deel ontwikkelt door tot de superior en inferior colliculi. Het ventrale deel vormt het
midbrain tegmentum. Het rostale deel van het mesencephalon vormt het metencephalon, wat
ontwikkelt tot de pons en het cerebellum.
Rhombencephalon
Dit deel vormt het myelencephalon, wat ontwikkelt tot de medulla.
De neural tube is gemaakt uit neuromeres, hierdoor wordt er gedacht dat er segmentatie plaatsvindt
waardoor er bepaalde regio’s ontstaan in het ontwikkelende brein. In de fruitvlieg is er expressie te
zien van homeotic/homeobox genes die de differentiatie van het embryo in verschillende
segmenten begeleidt. De genen coderen voor DNA-binding proteins die de expressie van andere
genen reguleren. In dieren zijn een zelfde soort genen gevonden, deze heten Hox genes. Deze genen
hebben 4 clusters van homologe genen met vergelijkbare functies. In gewervelden is er geen hox gen
expressie in het mid- en forebrain, maar regionale verschillen in expressie van andere
transcriptiefactoren zijn eerder wel gezien in deze subregio’s. De hoxgenen zorgen zelf niet direct
voor het lot van neruonale precursors, maar het draagt bij aan bredere moleculaire en cellulaire
processen die dit wel doen.
The Molecular Basis of Neural Induction
Neuronale stamcellen moeten signalen krijgen zodat ze specialiseren, deze signalen komen van
omringende cellen. Experimenten lieten zien dat interacties tussen cellen in naast elkaar liggende
germ-layers essentieel zijn voor de ontwikkeling. De aanhechting van de notochord aan de ectoderm
is essentieel voor neuroectodermal stam cellen, dit proces heet ook wel neural induction.
De structuren van een embryo die erg belangrijk zijn voor de ontwikkeling van het CNS (notochord,
floorplate, roofplate, neuroectoderm) zenden allemaal inductieve signalen uit. Er zijn verschillende
receptoren voor deze signalen. Sommige effecten zijn werkzaam in een gradiënt die minder wordt
hoe verder van de bron je af bent. Andere signalen zijn juist weer erg actief bij de grens tussen twee
soorten cellen, en zijn specifieker.
Een inductief signaal is retinoic acid (RA), een derivaat van vitamine A. Het is een klein, hydrofoob
molecuul. Het activeert transcriptiefactoren die ook receptoren zijn voor RA en vergelijkbare
liganden, retinoid receptors. Als RA bindt stimuleert of inhibeert het de genexpressie van co-
activators of co-repressors. Dit zorgt voor cel differentiatie tot aan hun terminale differentiatie.
