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Neurulación

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

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

El proceso comienza cuando la notocorda induce la formación del sistema nervioso central (SNC) al enviar señales a la capa germinal del ectodermo que se encuentra sobre ella para que forme la placa neural , gruesa y plana . La placa neural se pliega sobre sí misma para formar el tubo neural , que posteriormente se diferenciará en la médula espinal y el cerebro , formando finalmente el sistema nervioso central. [ 2 ] Las simulaciones por computadora encontraron que la cuña celular y la proliferación diferencial son suficientes para la neurulación en mamíferos. [ 3 ]

En diferentes especies, distintas porciones del tubo neural se forman mediante dos procesos distintos, denominados neurulación primaria y secundaria. [ 4 ]

  • 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 mediante el ahuecamiento del interior de un precursor sólido.

neurulación primaria

Sección transversal de un embrión de vertebrado en la etapa de neurulación.
Descripción del proceso de neurulación en tres dimensiones.

Inducción neural primaria

El concepto de inducción se originó en el trabajo de Pandor en 1817. [ 5 ] Los primeros experimentos que probaron la inducción fueron atribuidos por Viktor Hamburger [ 6 ] a descubrimientos independientes de Hans Spemann de Alemania en 1901 [ 7 ] y Warren Lewis de los EE. UU. en 1904. [ 8 ] 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. [ 9 ] [ 10 ] Se la llamó "primaria" 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 . [ 9 ] El ectodermo de la región del labio dorsal del blastoporo de un embrión de salamandra en desarrollo fue trasplantado a otro embrión y este tejido "organizador" "indujo" la formación de un eje secundario completo cambiando el tejido circundante en el embrión original de tejido ectodérmico a tejido neural. Por lo tanto, el tejido del embrión donante se denominó inductor porque indujo el cambio. [ 9 ] Si bien el organizador es el labio dorsal del blastoporo, este no es un conjunto único de células, sino un grupo de células en constante cambio que migran sobre el labio dorsal del blastoporo formando células en botella con constricción apical. En cualquier momento dado durante la gastrulación, habrá diferentes células que componen el organizador. [ 11 ]

Trabajos posteriores sobre inductores realizados por científicos durante el siglo XX demostraron que no solo el labio dorsal del blastoporo podía 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 . [ 12 ] Elementos tan diversos como el pH bajo, el AMP cíclico e incluso el polvo del suelo podían actuar como inductores, lo que causó considerable consternación. [ 13 ] Incluso el tejido que no podía inducir en vida podía hacerlo al hervirlo. [ 14 ] Otros elementos como la manteca de cerdo, la cera, las cáscaras de plátano y la sangre de rana coagulada no inducían. [ 15 ] La búsqueda de una molécula inductora de base química fue retomada por biólogos moleculares del desarrollo y la vasta literatura sobre elementos que demostraron tener capacidades inductoras continuó creciendo. [ 16 ] [ 17 ]

Más recientemente, la molécula inductora se ha atribuido a genes, y en 1995, se hizo un llamado para que se catalogaran todos los genes involucrados en la inducción neural primaria y todas sus interacciones, en un esfuerzo por determinar "la naturaleza molecular del organizador de Spemann". [ 18 ] 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 el término inducción se popularizara, varios autores, comenzando con Hans Driesch en 1894, [ 19 ] sugirieron que la inducción neural primaria podría ser de naturaleza mecánica. Un modelo basado en la mecanoquímica para la inducción neural primaria fue propuesto en 1985 por GW Brodland y R. Gordon . [ 20 ] Se ha demostrado que una onda física real de contracción se origina desde la ubicación precisa del organizador de Spemann que luego atraviesa el presunto epitelio neural [ 21 ] y un modelo funcional completo de cómo se producen las inducciones neurales primarias fue propuesto en 2006. [ 22 ] [ 23 ] Ha habido durante mucho tiempo una reticencia general en el campo a considerar la posibilidad de que la inducción neural primaria pueda ser iniciada por efectos mecánicos. [ 24 ] Aún no se ha encontrado una explicación completa para la inducción neural primaria.

Cambio de forma

A medida que la neurulación progresa después de la inducción, las células de la placa neural se vuelven columnares altas y pueden identificarse mediante microscopía como diferentes del ectodermo epitelial presuntivo circundante ( endodermo epiblástico en amniotas). Las células se mueven lateralmente y alejándose del eje central y cambian a una forma de pirámide truncada. Esta forma piramidal se logra mediante tubulina y actina en la porción apical de la célula que se contrae a medida que se mueven. La variación en las formas celulares está parcialmente determinada por la ubicación del núcleo dentro de la célula, lo que causa abultamientos en áreas de las células que fuerzan el cambio de altura y forma de la célula. Este proceso se conoce como constricción apical . [ 25 ] [ 26 ] El resultado es un aplanamiento de la placa neural en diferenciación que es particularmente obvio en las salamandras cuando la gástrula previamente redonda se convierte en una bola redondeada con una parte superior plana. [ 27 ] Véase Placa neural .

Plegable

El proceso por el cual la placa neural plana se pliega para formar el tubo neural cilíndrico se denomina neurulación primaria . Como resultado de los cambios en la forma celular, la placa neural forma el punto de bisagra medial (PHM). La epidermis en expansión ejerce presión sobre el PHM, lo que provoca el plegamiento de la placa neural y la formación del surco neural . Estos pliegues neurales forman puntos de bisagra dorsolaterales (PHDL), y la presión sobre estos puntos hace que los pliegues neurales se unan y se fusionen en la línea media. La fusión requiere la regulación de las moléculas de adhesión celular. La placa neural cambia la expresión de E-cadherina a N-cadherina y N-CAM para reconocerse como el mismo tejido y cerrar el tubo. Este cambio en la expresión génica impide la unión del tubo neural a la epidermis.

La notocorda desempeña un papel fundamental 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 formando un arco denominado placa notocordal , que se une al neuroepitelio suprayacente de la placa neural. La placa notocordal sirve entonces de anclaje para la placa neural, empujando sus dos bordes hacia arriba y manteniendo anclada la sección central. Algunas células notocordales se incorporan a la sección central de la placa neural para formar posteriormente la placa del suelo del tubo neural. La placa notocordal se separa y forma la notocorda sólida. [ 4 ]

El plegamiento del tubo neural para formar un tubo propiamente dicho no ocurre de forma instantánea. En cambio, comienza aproximadamente a la altura del cuarto somita en la etapa 9 de Carnegie (alrededor del día embrionario 20 en humanos ). Los bordes laterales de la placa neural se tocan en la línea media y se unen. Este proceso 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 craneal y caudal . En embriones humanos , el neuroporo craneal se cierra aproximadamente el día 24 y el neuroporo caudal el día 28. [ 28 ] El fallo en el cierre de los neuroporos craneal (superior) y caudal (inferior) da lugar a afecciones llamadas anencefalia y espina bífida , respectivamente. Además, el fallo en el cierre del tubo neural a lo largo de todo el cuerpo da lugar a una afección llamada raquisquisis . [ 29 ]

Patrones

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

Según el modelo de la bandera francesa, donde las etapas del 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 placodas neurogénicas . Estas placodas se hacen evidentes histológicamente por primera vez en la placa neural abierta. Después de que la señalización de Sonic hedgehog (SHH) desde 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 del piso y una placa del techo o alar en respuesta a los efectos combinados de SHH y factores como BMP4 secretados por la placa del techo. La placa basal forma la mayor parte de la porción ventral del sistema nervioso, incluyendo la porción motora de la médula espinal y el tronco encefálico; la placa alar forma las porciones dorsales, dedicadas principalmente al procesamiento sensorial. [ 30 ]

La epidermis dorsal expresa BMP4 y BMP7 . La placa del techo del tubo neural responde a estas señales expresando más BMP4 y otras señales del factor de crecimiento transformante beta (TGF-β) para formar un gradiente dorsal/ventral en 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. [ 30 ]

Complejidades del modelo

El cierre del tubo neural no se comprende completamente. Este proceso varía según la especie. En los mamíferos, el cierre se produce por la unión de 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 extiende hacia adelante y hacia atrás. [ 31 ] [ 32 ]

Neurulación secundaria

La neurulación primaria se desarrolla en neurulación secundaria cuando el neuroporo caudal se cierra definitivamente. La cavidad de la médula espinal se extiende hacia el cordón neural. [ 33 ] 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. [ 34 ] Estas cavidades se fusionan para formar un solo tubo. La neurulación secundaria ocurre 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. [ 35 ]

En los seres humanos, los mecanismos de neurulación secundaria desempeñan un papel importante debido a su impacto en la correcta formación de la médula espinal posterior. Los errores en cualquier punto del proceso pueden generar problemas. Por ejemplo, la retención de médula espinal se produce debido a una interrupción parcial o completa de la neurulación secundaria que crea una porción no funcional en el extremo vestigial. [ 36 ]

Desarrollo temprano del cerebro

La porción anterior del tubo neural forma las tres partes principales del cerebro: el prosencéfalo ( prosencéfalo ), el mesencéfalo ( mesencéfalo ) y el rombencéfalo ( rombencéfalo ). [ 37 ] Estas estructuras aparecen inicialmente justo después del cierre del tubo neural como protuberancias llamadas vesículas cerebrales en un patrón especificado por genes de patrón anteroposterior, incluidos los genes Hox , otros factores de transcripción como los genes Emx, Otx y Pax, y factores de señalización secretados como los factores de crecimiento de fibroblastos (FGF) y Wnts . [ 38 ] Estas vesículas cerebrales se dividen a su vez en subregiones. El prosencéfalo da origen al telencéfalo y al diencéfalo , y el rombencéfalo genera el metencéfalo y el mielencéfalo . El rombencéfalo, que es la parte evolutivamente más antigua del cerebro de los cordados , también se divide en diferentes segmentos llamados rombómeros . Los rombómeros generan muchos de los circuitos neuronales más esenciales para la vida, incluidos los que controlan la respiración y la frecuencia cardíaca, y producen la mayoría de los nervios craneales . [ 37 ] Las células de la cresta neural forman ganglios sobre cada rombómero. El tubo neural temprano está compuesto principalmente por el neuroepitelio germinal , posteriormente llamado zona ventricular , que contiene células madre neurales primarias llamadas células gliales radiales y sirve como la principal fuente de neuronas producidas durante el desarrollo cerebral a través del proceso de neurogénesis . [ 39 ] [ 40 ]

Tejido ectodérmico no neural

El mesodermo paraxial que rodea la notocorda en los lados se desarrollará en los somitas (futuros músculos, huesos y contribuye a la formación de las extremidades de los vertebrados ). [ 41 ]

Células de la cresta neural

Las masas de tejido llamadas cresta neural , que se encuentran en los 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.

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.

Defectos del tubo neural

La neurulación defectuosa, especialmente la falta de cierre del tubo neural, se encuentra entre los defectos congénitos más comunes e incapacitantes en los seres humanos, ocurriendo en aproximadamente 1 de cada 500 nacidos vivos. [ 42 ] La falta de cierre del extremo rostral del tubo neural produce anencefalia , o falta de desarrollo cerebral, y suele ser fatal. [ 43 ] La falta de cierre del extremo caudal del tubo neural causa una afección conocida como espina bífida , en la que la médula espinal no se cierra. [ 44 ]

Véase también

Referencias

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Lecturas adicionales

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  • Animación de neurulación archivada el 3 de marzo de 2016 en Wayback Machine.