Предшественник позвоночника и мозга формируется пассивно

Исследователи из ETH Zurich детально изучили нейруляцию — процесс формирования нервной трубки в эмбриональном развитии. Они пришли к выводу, что это происходит менее активно, чем считалось ранее. Это также имеет значение для понимания дефектов, таких как spina bifida.

У человеческого эмбриона нервная трубка формируется между 22-м и 26-м днем беременности. Позже из этой трубки разовьются головной и спинной мозг. Она образуется, когда удлиненная плоская структура — нервная пластинка — изгибается вдоль в U-образную форму и смыкается в трубку. Что движет этим развитием, до конца не ясно. Исследователи под руководством профессора Дагмар Ибер показали, что, вероятно, значительную роль играет окружающая ткань, оказывая давление снаружи.

Формирование нервной трубки — чрезвычайно важный шаг в эмбриональном развитии. Примерно у одного из тысячи эмбрионов эта трубка формируется не полностью. Такие дети рождаются с пороком развития позвоночника — spina bifida («расщепленный позвоночник»); в крайних случаях — с «открытой спиной» (spina bifida aperta), требующей операции.

Компьютерное моделирование указывает путь

Исследователи ETH выдвинули альтернативный механизм, согласно которому нервная пластинка не изгибается активно под действием точек изгиба (hinge points). Вместо этого она изначально принимает слегка изогнутую форму по анатомическим причинам. Впоследствии ткань, лежащая по обе стороны от нервной пластинки (эктодерма и мезодерма), расширяется. Это оказывает давление на нервную пластинку сбоку и заставляет ее пассивно формироваться в трубку.

К этим выводам ученые пришли с помощью компьютерного моделирования. Используя существующие данные изображений эмбрионов человека и мыши, они создали компьютерную модель нейруляции на основе физических законов природы. Моделирование на суперкомпьютере ETH Zurich показало, что процессы лучше всего объясняются расширением окружающей ткани.

«Мы демонстрируем, что точки изгиба могут возникать в результате внешнего давления. Таким образом, они, вероятно, не являются движущей силой нейруляции, как считалось ранее, а ее побочным эффектом», — говорит Дагмар Ибер. Движущей силой, по-видимому, является окружающая ткань.

Дополнительный механизм в поясничном отделе

Особенно в верхней части спины нейруляция может объясняться расширением прилегающей ткани, потому что нервная пластинка уже слегка предварительно изогнута. Ниже по будущей спине этот начальный изгиб отсутствует; нервная пластинка в этой области плоская.

С помощью моделирования ученые ETH смогли показать, что и здесь нейруляцию можно объяснить внешними силами: белковые волокна и якорные белки помогают стянуть нервную пластинку, как молнию. Это заставляет нервную пластинку изгибаться и смыкаться в трубку.

По мнению исследователей, тот факт, что механизмы различаются в верхней и нижней части спины, может объяснить, почему пороки развития позвоночника встречаются не с одинаковой частотой по всей длине спины. Spina bifida чаще встречается в поясничном отделе, где окружающие ткани оказывают меньшую поддержку.

«Мы смогли показать, что за нейруляцию ответственны механические эффекты, и наше компьютерное моделирование было ключом к раскрытию этого», — говорит Роман Веттер. Экспериментальным исследователям теперь предстоит попытаться подтвердить предсказания ученых ETH в экспериментах на животных.

Цель также состоит в том, чтобы приблизиться к пониманию причин дефектов и, следовательно, их профилактики. Известно, что дефицит фолиевой кислоты, а также другие дефицитные состояния способствуют этим порокам развития позвоночника. Для детального понимания лежащих в основе механизмов необходимы дальнейшие исследования.