Neurulacion

La neurulación se refiere al proceso de plegamiento en embriones de vertebrados , que incluye la transformación de la placa neural en el tubo neural . [1] El embrión en esta etapa se denomina neurula .

Neurulacion
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Secciones transversales que muestran la progresión de la placa neural al surco neural de abajo hacia arriba
Identificadores
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Terminología anatómica
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El proceso comienza cuando la notocorda induce la formación del sistema nervioso central (SNC) mediante la señalización de la capa germinal del ectodermo por encima de ella para que forme la placa neural gruesa y plana . La placa neural se pliega sobre sí misma para formar el tubo neural , que luego se diferenciará en la médula espinal y el cerebro , formando finalmente el sistema nervioso central. [2] Las simulaciones por computadora encontraron que el acuñamiento celular y la proliferación diferencial son suficientes para la neurulación de los mamíferos. [3]

Las diferentes porciones del tubo neural se forman mediante dos procesos diferentes, llamados neurulación primaria y secundaria, en diferentes especies. [ cita requerida ]

  • En la neurulación primaria , la placa neural se pliega hacia adentro hasta que los bordes entran en contacto y se fusionan.
  • En la neurulación secundaria , el tubo se forma ahuecando el interior de un precursor sólido.

Sección transversal de un embrión de vertebrado en la etapa de neurula
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Una descripción del proceso de neurulación en tres dimensiones.

Inducción neural primaria

El concepto de inducción se originó en el trabajo de Pandor en 1817. [4] Los primeros experimentos que prueban la inducción fueron atribuidos por Viktor Hamburger [5] a descubrimientos independientes tanto de Hans Spemann de Alemania en 1901 [6] como de Warren Lewis de los EE. UU. En 1904. [7] Fue Hans Spemann quien popularizó por primera vez el término "inducción neural primaria" en referencia a la primera diferenciación del ectodermo en tejido neural durante la neurulación. [8] [9] Se le llamó "primario" porque se pensó que era el primer evento de inducción en la embriogénesis. El experimento ganador del premio Nobel fue realizado por su estudiante Hilda Mangold . [8] El ectodermo de la región del labio dorsal del blastoporo de un embrión de salamandra en desarrollo se trasplantó a otro embrión y este tejido "organizador" "indujo" la formación de un eje secundario completo que cambió el tejido circundante en el embrión original de ectodérmico a tejido neural. Por tanto, el tejido del embrión donante se denominó inductor porque inducía el cambio. [8] Es importante tener en cuenta que si bien el organizador es el labio dorsal del blastoporo, este no es un conjunto de células, sino un grupo de células en constante cambio que migran sobre el labio dorsal del blastoporo formando una botella apicalmente constreñida. células. En un momento dado durante la gastrulación habrá diferentes células que componen el organizador. [10]

El trabajo posterior sobre inductores realizado por científicos durante el siglo XX demostró que no solo el labio dorsal del blastoporo podría actuar como inductor, sino también una gran cantidad de otros elementos aparentemente no relacionados. Esto comenzó cuando Johannes Holtfreter descubrió que el ectodermo hervido aún podía inducir . [11] Elementos tan diversos como pH bajo, AMP cíclico e incluso el polvo del suelo podrían actuar como inductores y provocar una considerable consternación. [12] Incluso los tejidos que no pueden inducir cuando están vivos pueden inducir cuando se hierven. [13] Otros elementos como manteca de cerdo, cera, cáscaras de plátano y sangre de rana coagulada no indujeron. [14] La búsqueda de una molécula inductora de base química fue emprendida por biólogos moleculares del desarrollo y una vasta literatura de elementos que demostraron tener capacidades inductoras continuó creciendo. [15] [16] Más recientemente, la molécula inductora se ha atribuido a genes y en 1995 se hizo un llamado para catalogar todos los genes involucrados en la inducción neural primaria y todas sus interacciones en un esfuerzo por determinar “la naturaleza molecular de la enfermedad de Spemann organizador". [17] Varias otras proteínas y factores de crecimiento también se han invocado como inductores, incluidos factores de crecimiento solubles , como la proteína morfogenética ósea , y un requisito de "señales inhibitorias" como noggin y folistatina .

Incluso antes de que se popularizara el término inducción, varios autores, comenzando con Hans Driesch en 1894, [18] sugirieron que la inducción neural primaria podría ser de naturaleza mecánica. Brodland & Gordon propuso en 1985 un modelo basado en mecanoquímicos para la inducción neural primaria . [19] Se ha demostrado que una onda física real de contracción se origina en la ubicación precisa del organizador de Spemann que luego atraviesa el presunto epitelio neural [20] y un modelo de trabajo completo de cómo se propuso la inducción neural primaria en 2006. [21] [22] Durante mucho tiempo ha habido una renuencia general en el campo a considerar la posibilidad de que la inducción neural primaria pueda ser iniciada por efectos mecánicos. [23] Queda por encontrar una explicación completa de la inducción neural primaria.

Cambio de forma

A medida que avanza la neurulación después de la inducción, las células de la placa neural se vuelven de columnas altas y pueden identificarse mediante microscopía como diferentes del presunto ectodermo epitelial circundante ( endodermo epiblástico en amniotas). Las células se mueven lateralmente y se alejan del eje central y cambian a una forma de pirámide truncada. Esta forma de pirámide se logra a través de la tubulina y la actina en la porción apical de la célula que se contrae a medida que se mueven. La variación en las formas de las células está determinada parcialmente por la ubicación del núcleo dentro de la célula, lo que provoca un abultamiento en áreas de las células que obliga a cambiar la altura y la forma de la célula. Este proceso se conoce como constricción apical . [24] [25] El resultado es un aplanamiento de la placa neural diferenciadora que es particularmente obvio en las salamandras cuando la gástrula previamente redonda se convierte en una bola redondeada con una parte superior plana. [26] Ver placa neural

Plegable

El proceso de plegado de la placa neural plana en el tubo neural cilíndrico se denomina neurulación primaria . Como resultado de los cambios de forma celular, la placa neural forma el punto de bisagra medial (MHP). La epidermis en expansión ejerce presión sobre el MHP y hace que la placa neural se pliegue, lo que da como resultado pliegues neurales y la creación del surco neural . Los pliegues neurales forman puntos de bisagra dorsolateral (DLHP) y la presión sobre esta bisagra hace que los pliegues neurales se unan y se fusionen en la línea media. La fusión requiere la regulación de moléculas de adhesión celular. La placa neural cambia de la expresión de E-cadherina a la expresión de N-cadherina y N-CAM para reconocerse entre sí como el mismo tejido y cerrar el tubo. Este cambio de expresión detiene la unión del tubo neural a la epidermis. El plegado de la placa neural es un paso complicado. [ cita requerida ]

La notocorda juega un papel integral en el desarrollo del tubo neural. Antes de la neurulación, durante la migración de las células del endodermo epiblástico hacia el endodermo hipoblástico, el proceso notocordal se abre en un arco denominado placa notocordal y se une al neuroepitelio suprayacente de la placa neural. La placa notocordal sirve entonces como un ancla para la placa neural y empuja los dos bordes de la placa hacia arriba mientras mantiene anclada la sección media. Algunas de las células notocodrales se incorporan a la placa neural de la sección central para luego formar la placa del suelo del tubo neural. La placa de notocorda separa y forma la notocorda sólida. [ cita requerida ]

El plegado del tubo neural para formar un tubo real no ocurre de una vez. En cambio, comienza aproximadamente al nivel del cuarto somita en la etapa 9 de Carnegie (alrededor del día 20 embrionario en humanos ). Los bordes laterales de la placa neural se tocan en la línea media y se unen. Esto continúa tanto cranealmente (hacia la cabeza) como caudalmente (hacia la cola). Las aberturas que se forman en las regiones craneal y caudal se denominan neuroporos craneales y caudales . En embriones humanos , el neuroporo craneal se cierra aproximadamente el día 24 y el neuroporo caudal el día 28. [27] La falla del cierre del neuroporo craneal (superior) y caudal (inferior) da como resultado condiciones llamadas anencefalia y espina bífida , respectivamente. Además, el hecho de que el tubo neural no se cierre a lo largo del cuerpo da como resultado una afección llamada raquisquisis . [28]

Modelado

Sección transversal del tubo neural que muestra la placa del piso y la placa del techo

Según el modelo French Flag, donde las etapas de desarrollo están dirigidas por gradientes de productos génicos, varios genes se consideran importantes para inducir patrones en la placa neural abierta, especialmente para el desarrollo de placodes neurogénicos . Estas placas se hacen evidentes histológicamente por primera vez en la placa neural abierta. Después de que la señalización del erizo sónico (SHH) de la notocorda induce su formación, la placa del piso del tubo neural incipiente también secreta SHH. Después del cierre, el tubo neural forma una placa basal o de piso y una placa de techo o alar en respuesta a los efectos combinados de SHH y factores que incluyen BMP4 secretados por la placa de techo. La placa basal forma la mayor parte de la porción ventral del sistema nervioso, incluida la porción motora de la médula espinal y el tronco encefálico; la placa alar forma las porciones dorsales, dedicadas principalmente al procesamiento sensorial. [29]

La epidermis dorsal expresa BMP4 y BMP7 . La placa del techo del tubo neural responde a esas señales expresando más BMP4 y otras señales del factor de crecimiento transformante beta (TGF-β) para formar un gradiente dorsal / ventral entre el tubo neural. La notocorda expresa SHH. La placa del piso responde a SHH produciendo su propio SHH y formando un gradiente. Estos gradientes permiten la expresión diferencial de factores de transcripción. [29]

Complejidades del modelo

El cierre del tubo neural no se comprende del todo. El cierre del tubo neural varía según la especie. En los mamíferos, el cierre se produce al reunirse en múltiples puntos que luego se cierran hacia arriba y hacia abajo. En las aves, el cierre del tubo neural comienza en un punto del mesencéfalo y se mueve hacia delante y hacia atrás. [30] [31]

Neurulación secundaria

La neurulación primaria se convierte en neurulación secundaria cuando el neuroporo caudal sufre un cierre final. La cavidad de la médula espinal se extiende hacia la médula neural. [32] En la neurulación secundaria, el ectodermo neural y algunas células del endodermo forman el cordón medular . El cordón medular se condensa, se separa y luego forma cavidades. [33] Estas cavidades luego se fusionan para formar un solo tubo. La neurulación secundaria se produce en la sección posterior de la mayoría de los animales, pero se expresa mejor en las aves. Los tubos de la neurulación primaria y secundaria finalmente se conectan alrededor de la sexta semana de desarrollo. [34]

En los seres humanos, los mecanismos de neurulación secundaria juegan un papel importante dado su impacto en la formación adecuada de la médula espinal posterior humana. Los errores en cualquier punto del proceso pueden generar problemas. Por ejemplo, la médula medular retenida ocurre debido a una detención parcial o completa de la neurulación secundaria que crea una porción no funcional en el extremo vestigial. [35]

La porción anterior del tubo neural forma las tres partes principales del cerebro: el prosencéfalo ( prosencéfalo ), el mesencéfalo ( mesencéfalo ) y el rombencéfalo ( rombencéfalo ). [36] Estas estructuras aparecen inicialmente justo después del cierre del tubo neural como protuberancias llamadas vesículas cerebrales en un patrón especificado por genes de patrón anterior-posterior, incluidos los genes Hox , otros factores de transcripción como los genes Emx, Otx y Pax, y factores de señalización secretados como como factores de crecimiento de fibroblastos (FGF) y Wnts . [37] Estas vesículas cerebrales se dividen aún más en subregiones. El prosencéfalo da lugar al telencéfalo y el diencéfalo , y el rombencéfalo genera el metencéfalo y el mielencéfalo . El rombencéfalo, que es la parte evolutivamente más antigua del cerebro cordado , también se divide en diferentes segmentos llamados rombómeros . Los rombómeros generan muchos de los circuitos neuronales más esenciales necesarios para la vida, incluidos los que controlan la respiración y la frecuencia cardíaca, y producen la mayoría de los nervios craneales . [36] Las células de la cresta neural forman ganglios sobre cada rombómero. El tubo neural temprano está compuesto principalmente por el neuroepitelio germinal , más tarde llamado zona ventricular , que contiene células madre neurales primarias llamadas células gliales radiales y sirve como la fuente principal de neuronas producidas durante el desarrollo del cerebro a través del proceso de neurogénesis . [38] [39]

El mesodermo paraxial que rodea la notocorda a los lados se convertirá en somitas (futuros músculos, huesos y contribuye a la formación de las extremidades del vertebrado ). [40]

Las masas de tejido llamadas cresta neural que se encuentran en los mismos bordes de las placas laterales del tubo neural plegable se separan del tubo neural y migran para convertirse en una variedad de células diferentes pero importantes. [ cita requerida ]

Las células de la cresta neural migrarán a través del embrión y darán lugar a varias poblaciones celulares, incluidas las células pigmentarias y las células del sistema nervioso periférico. [ cita requerida ]

La falla de la neurulación, especialmente la falla del cierre del tubo neural, se encuentran entre los defectos congénitos más comunes e incapacitantes en los seres humanos, y ocurren aproximadamente en 1 de cada 500 nacidos vivos. [41] La falla del cierre del extremo rostral del tubo neural da como resultado anencefalia o falta de desarrollo cerebral, y la mayoría de las veces es fatal. [42] La falla del cierre del extremo caudal del tubo neural causa una condición conocida como espina bífida , en la cual la médula espinal no se cierra. [43]

  • Ondas de diferenciación embrionaria
  • Pliegue neural
  • Placa neural
  • Cresta neural

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  • Resumen en uvm.edu
  • Animación de neurulación