Онтогенез. От клетки до человека - Джейми Дейвис

Из всех систем, развивающихся у человеческого эмбриона, самой удивительной является, несомненно, центральная нервная система. К концу развития она состоит из десятков миллиардов отдельных клеток, каждая из которых может быть связана более чем с тысячью других. В отдельных областях человеческого мозга насчитывается около ста миллионов взаимосвязей на кубический миллиметр. Это гораздо больше, чем в микропроцессоре компьютера, с помощью которого я работаю над этой книгой. Если сравнить количество нервных клеток (нейронов) в головном мозге с числом транзисторов в микросхеме компьютера, то окажется, что на один транзистор микропроцессора приходится около трех миллионов нейронов мозга. При этом сравнение будет не вполне корректно, потому что по своим функциям нейрон больше похож не на транзистор, а на микропроцессор в целом. Сотрудничая друг с другом в процессе создания и развития центральной нервной системы, простые клетки эмбриона совершают чудеса, непредставимые в рамках самой передовой инженерной мысли. Нам очень далеко до полного понимания того, как им это удается, но некоторые проблески уже есть.

Центральная нервная система развивается из нервной трубки раннего эмбриона, а та, в свою очередь, образуется при смыкании краев нервной пластинки на его спинной стороне (глава 5). Передняя часть этой трубки впоследствии увеличится и образует головной мозг, а остальная часть даст начало спинному мозгу. После образования нервной трубки ее клетки начинают активно размножаться. Размножение происходит быстрее, чем нужно для удлинения нервной трубки пропорционально росту эмбриона, и «лишние» клетки идут на утолщение стенок трубки. Процесс утолщения задействует довольно сложную «хореографию» движений клеток и ядер внутри клеток, но результат достаточно прост – образуются несколько клеточных слоев. Если не вдаваться в подробности, то можно сказать, что боковые стенки нервной трубки утолщаются сильнее всего, а верхняя и нижняя стенки остаются тонкими.

В предыдущих главах мы уже рассматривали разметку нервной трубки в двух направлениях. Напомню, что разметка в продольном направлении происходит за счет декомпактизации хромосом и активации экспрессии различных комбинаций HOX-генов на разных уровнях оси «голова – хвост» (глава 6). Разметка в поперечном направлении достигается благодаря градиентам концентрации сигнальных молекул, которые распространяются вверх от вентральной пластинки и вниз от дорзальной стороны эмбриона и заставляют клетки развиваться в соответствии с их положением относительно этой оси (глава 7). Образование слоев боковых стенок нервной трубки добавляет третье направление разметки – радиальное (рис. 64). Клетки в слое, обращенном в полость нервной трубки, могут развиваться по иному пути, чем клетки, залегающие в толще стенки, а те, в свою очередь, будут отличаться от клеток наружного слоя. Эти слои очень четко прослеживаются в структуре некоторых отделов центральной нервной системы, например коры головного мозга, где такое строение тесно связано с особенностями работы мозга. В других отделах «слоистое» строение нервной системы менее очевидно.

Оси, по которым идет разметка нервной трубки, по сути просты, но ситуация осложняется тем, что не все клетки остаются на своем месте. В головном мозге, например, очень многие нейроны мигрируют в плоскости нервной трубки, перемещаясь из одного места в другое. Многие нейроны коры головного мозга (то есть отдела мозга, отвечающего за то, что мы называем мышлением) не дифференцируются в этой ткани, а мигрируют в нее из других частей развивающегося мозга. Многие клетки обонятельной луковицы – отдела, отвечающего за восприятие запахов, – тоже мигрируют из других частей мозга.[225] Клетки ориентируются в пространстве с помощью знакомых нам механизмов (глава 8), и многие сигнальные молекулы, обеспечивающие их направленную миграцию, уже выявлены (хотя еще больше только предстоит обнаружить!).

Рис. 64. Нервные клетки способны определять свое положение относительно трех осей. От него зависит их дальнейшая дифференцировка. На схеме слева изображено туловище эмбриона (без головы), в том числе нервная трубка и сомиты по бокам от нее. На схеме справа показана увеличенная нервная трубка и три ее оси

Нейроны соединяются друг с другом главным образом за счет длинных тонких отростков – дендритов, которые получают сигналы от других нейронов и могут обрабатывать их на локальном уровне, и аксонов, которые передают сигналы нейрона другим нейронам или мышцам. Длина аксонов может в десятки тысяч раз превышать диаметр клетки, от которой они отходят. Аксоны, соединяющие нижнюю часть спинного мозга с ногами, достигают метра в длину, в то время как диаметр тела нейрона, от которого они отходят, составляет лишь несколько десятитысячных долей миллиметра. Длинные и тонкие аксоны, предназначенные для устанавливания связи, можно уподобить проводам. Как и электрические провода, они проложены на большие расстояния, причем обычно не по отдельности, а в виде «кабелей» – нервов, содержащих сотни отдельных отростков. Сравнить аксоны с проводами можно еще и потому, что передающиеся по ним сигналы имеют электрическую природу. Тем не менее не следует забывать, что это всего лишь аналогия, так как «ток», протекающий по аксонам, значительно сложнее электротока в проводах.

Когда аксоны встречают на своем пути другую клетку, они образуют особый межклеточный контакт – синапс, – через который передается их сигнал. Иногда синапсы основаны на непосредственном электрическом контакте с клеткой. Однако чаще встречаются так называемые химические синапсы: аксон выпускает в небольшую щель между собой и другой клеткой нейромедиатор – мелкую молекулу, стимулирующую рецепторы принимающей клетки, а они, в свою очередь, стимулируют электрическую и/или биохимическую активность в клетке. Так осуществляется передача сигнала. Разные типы нейронов используют разные нейромедиаторы. Именно работу нейромедиаторов имитируют или ингибируют медицинские препараты (а также наркотики), воздействующие на работу мозга за счет избирательного повышения или понижения активности некоторых его систем.

Основная задача развивающейся нервной системы – правильно «протянуть» все эти «провода». Нейроны должны надежно соединяться друг с другом и, когда это необходимо, с органами чувств (глаза, уши, нос, кожные рецепторы и т. д.) или с другими органами (мышцы, кровеносные сосуды, железы и т. д.). Существенную часть этой важной работы выполняют специальные структуры, расположенные на концах растущих аксонов, – конусы роста.

Конусы роста (рис. 65) состоят в основном из белков, которые обеспечивают миграцию клеток (см. главу 8).[226] У них есть ведущий край, где микрофиламенты организованы в сеть, способную продвигать его вперед. По мере сборки микрофиламенты сети удлиняются и толкают мембрану. Иногда продвижение сопровождается образованием длинных и тонких филоподий, способных вытягиваться далеко за пределы конуса роста, а затем снова втягиваться. Двигательные белки, расположенные в глубине конуса роста (например, миозин), взаимодействуют с микрофиламентами, организуя их в сократимые пучки, которые тянут лидирующий край назад. Если бы ничто не препятствовало этому, передний край конуса роста мог просто сокращаться, и никакого движения вперед не происходило бы. Однако конус роста также несет комплексы белков, прикрепляющихся к определенным участкам поверхности, по которой продвигается конус.[227] Эти белковые комплексы надежно заякоривают систему микрофиламентов, обеспечивая точку отталкивания для ведущего края. Благодаря этим комплексам не миозин тянет ведущий край в обратном направлении, а наоборот, центральная часть конуса роста подтягивается к ведущему краю. Таким образом, конус роста, а значит и аксон в целом продвигаются вперед.