การเจริญของประสาทในมนุษย์

การศึกษาการเจริญของประสาทใช้ทั้งประสาทวิทยาศาสตร์และชีววิทยาการเจริญเพื่ออธิบายกลไกของเซลล์และโมเลกุลที่ทำให้ระบบประสาทซับซ้อนกำเนิดขึ้นระหว่างการเจริญของเอ็มบริโอและตลอดชีวิต

จุดกำหนดการเจริญของประสาทเอ็มบริโอบางจุดมีการเกิดและการเปลี่ยนสภาพของเซลล์ประสาทจากสารตั้งต้นสเต็มเซลล์ การย้ายที่ของเซลล์ประสาทที่ยังเจริญไม่เต็มวัยจากที่เกิดในเอ็มบริโอไปตำแหน่งสุดท้าย การเติบโตของแกนประสาทนำออกจากเซลล์ประสาทและการชี้ทาง (guidance) ของโกรธโคน (growth cone) เคลื่อนที่ตลอดเอ็มบริโอสู่คู่หลังประสานประสาท การสร้างจุดประสานประสาทระหว่างแกนประสาทนำออกกับคู่หลังประสานประสาทของมัน การเล็มประสาท (neuron pruning) ที่เกิดในวัยรุ่น และสุดท้ายการเปลี่ยนแปลงในจุดประสานประสาทตลอดชีวิตซึ่งคาดว่าเป็นฐานของการเรียนรู้และความจำ

โดยตรงแบบ กระบวนการเจริญของประสาทเหล่านี้สามารถแบ่งได้กว้าง ๆ เป็นสองประเภท คือ กลไกไม่อาศัยกิจกรรม (activity-independent mechanism) และกลไกอาศัยกิจกรรม (activity-dependent mechanism) กลไกไม่อาศัยกิจกรรมโดยทั่วไปเชื่อว่าเกิดขึ้นเป็นกระบวนการเปลี่ยนไม่ได้ที่กำหนดโดยโปรแกรมพันธุกรรมที่อยู่ในเซลล์ประสาทแต่ละเซลล์ ซึ่งรวมการเปลี่ยนสภาพ การย้ายที่และการชี้ทางไปยังพื้นที่เป้าหมายแรกเริ่ม คิดว่ากระบวนการเหล่านี้ไม่ขึ้นกับกิจกรรมประสาทและประสบการณ์รับความรู้สึก เมื่อแกนประสาทนำออกถึงพื้นที่เป้าหมายของมัน กลไกอาศัยกิจกรรมจะเข้ามามีบทบาท กิจกรรมประสาทและประสบการณ์รับความรู้สึกจะเป็นสื่อกลางการสร้างจุดประสานประสาทใหม่ ตลอดจนสภาพพลาสติกจุดประสานประสาท ซึ่งจะมีส่วนต่อการปรับปรุงวงจรประสาทอายุน้อย

ขั้นเอ็มบริโอ

ดูเพิ่ม: การเกิดเอ็มบริโอมนุษย์

นิวรูเลชัน

นิวรูเลชัน (neurulation) เป็นการก่อกำเนิดท่อประสาทจากเอ็กโทเดิร์มของเอ็มบริโอ เกิดขึ้นหลังแกสทรูเลชัน (gastrulation) ในสัตว์มีกระดูกสันหลังทุกชนิด

ระหว่างแกสทรูเลชัน เซลล์ย้ายที่ไปภายในของเอ็มบริโอ เกิดเป็นเนื้อเยื่อคัพภะ (germ layer) สามชั้น คือ เอนโดเดิร์ม (ชั้นลึกสุด) เมโซเดิร์มและเอ็กโทเดิร์ม (ชั้นผิว) ซึ่งให้เกิดเนื้อเยื่อและอวัยวะทั้งหมด อาจกล่าวอย่างง่ายว่า เอ็กโทเดิร์มให้เกิดผิวหนังและระบบประสาท เอ็นโดเดิร์มให้เกิดทางเดินอาหาร และเมโซเดิร์มให้เกิดที่เหลือ

หลังแกสทรูเลชัน แกนสันหลัง กายทรงกระบอกยืดหยุ่นซึ่งทอดตลอดหลังของเอ็มบริโอ เกิดขึ้นจากเมโซเดิร์ม ระหว่างสัปดาห์ที่สามของการตั้งครรภ์ แกนสันหลังส่งสัญญาณไปเอ็กโทเดิร์มที่อยู่ใต้ เหนี่ยวนำให้กลายเป็นนิวโรเอ็กโทเดิร์ม (neuroectoderm) ซึ่งส่งผลให้แผ่นเล็กยาวของสเต็มเซลล์ประสาทที่ทอดตลอดหลังของเอ็มบริโอ แผ่นเล็กยาวนี้เรียก แผ่นประสาท (neural plate) และเป็นจุดกำเนิดของระบบประสาททั้งหมด แผ่นประสาทนี้พับออกด้านนอกเพื่อให้เกิดร่องประสาท (neural groove) ต่อมา สันประสาท (neural fold) ของร่องนี้จะปิดเริ่มในบริเวณคอในอนาคตเพื่อสร้างท่อประสาท (นิวรูเลชันแบบนี้เรียก นิวรูเลชันปฐมภูมิ) ส่วนด้านหน้าของท่อประสาทเรียก แผ่นฐาน (basal plate) ส่วนด้านหลังเรียก แผ่นปีก (alar plate) ภายในกลวงเรียก คลองประสาท (neural canal) เมื่อสิ้นสัปดาห์ที่สี่ของการตั้งครรภ์ ปลายเปิดของท่อประสาท ที่เรียก นิวโรพอร์ (neuropore) จะปิด^[1]

การเกิดไขสันหลัง

ภาคตัดขวางของไขสันหลังที่กำลังเจริญเมื่อสี่สัปดาห์

ไขสันหลังเกิดจากส่วนล่างของท่อประสาท ผนังของท่อประสาทประกอบด้วยเซลล์นิวโรอิพิทีเลียม (neuroepithelial cell) ซึ่งเปลี่ยนสภาพเป็นนิวโรบลาสต์ (neuroblast) เกิดเป็นชั้นแมนเทิล (เนื้อเทา) ใยประสาทเกิดจากนิวโรบลาสต์เหล่านี้เพื่อเกิดเป็นชั้นขอบ (marginal layer) (เนื้อขาว)

ส่วนด้านหน้าของชั้นแมนเทิล (แผ่นฐาน) เกิดเป็นพื้นที่สั่งการของไขสันหลัง ขณะที่ส่วนด้านหลัง (แผ่นปีก) เกิดเป็นพื้นที่รับความรู้สึก ระหว่างแผ่นฐานและปีกเป็นชั้นกลาง (intermediate layer) ที่มีเซลล์ประสาทของระบบประสาทอิสระ^[2]

การเกิดสมอง

ปลายสัปดาห์ที่สี่ ส่วนบนของท่อประสาทงอที่ระดับสมองส่วนกลางในอนาคต คือ เมเซนเซฟาลอน (mesencephalon) เหนือเมเซนเซฟาลอน คือ โปรเซนเซฟาลอน (prosencephalon, สมองส่วนหน้าในอนาคต) และข้างใต้เป็นรอมเบนเซฟาลอน (rhombencephalon, สมองส่วนหลังในอนาคต) เกิดถุงตา (optic vesicle) ซึ่งสุดท้ายจะกลายเป็นเส้นประสาทตา จอตาและม่านตา ที่แผ่นฐานของโปรเซนเซฟาลอน

ในสัปดาห์ที่ห้า แผ่นปีกของโปรเซนเซฟาลอนขยายเพื่อเกิดครึ่งทรงกลมสมองใหญ่ (cerebral hemisphere) หรือทีเลนเซฟาลอน (telencephalon) แผ่นฐานกลายเป็นไดเอนเซฟาลอน (diencephalon)

ไดเอนเซฟาลอน เมเซนเซฟาลอนและรอมเบนเซฟาลอนประกอบเป็นก้านสมองของเอ็มบริโอ ก้านสมองยังงอต่อไปที่เมเซนเซฟาลอน รอมเบนเซฟาลอนพับไปข้างหลัง ซึ่งทำให้แผ่นปีกของมันผายออกและเกิดเป็นโพรงสมองที่สี่ ฝ่ายพอนส์ (pons) และสมองน้อยเกิดในส่วนบนของรอมเบนเซฟาลอน ขณะที่ก้านสมองส่วนท้ายเกิดในส่วนล่าง

• 
  สมองของเอ็มบริโอเมื่อสี่สัปดาห์
• 
  ระบบประสาทของเอ็มบริโอเมื่อหกสัปดาห์

การเจริญของสมองมนุษย์

การย้ายที่ของเซลล์ประสาท

การย้ายที่ของเซลล์ประสาทเป็นวิธีที่เซลล์ประสาทเคลื่อนจากแหล่งกำเนิดไปตำแหน่งสุดท้าย แบ่งได้หลายวิธี

การย้ายที่แผ่รัศมี

เซลล์ตั้งต้นของเซลล์ประสาทเพิ่มจำนวนในบริเวณโพรงสมองของนีโอคอร์เท็กซ์ (neocortex) ที่กำลังเจริญ เซลล์หลังไมโทซิสแรก ๆ ย้ายที่เพื่อสร้างพรีเพลต (preplate) ซึ่งสุดท้ายกลายเป็นเซลล์กะคัล-เรตเซียส (Cajal-Retzius cell) และเซลล์ประสาทใต้แผ่น (subplate) เซลล์เหล่านี้ย้ายที่โดยการเคลื่อนย้ายร่าง (somal translocation) เซลล์ประสาทที่ย้ายที่ด้วยการเคลื่อนที่วิธีนี้มีสองขั้วและยึดขอบส่วนยื่นนำกับเยื่อเพีย จากนั้น ร่าง (soma) จะถูกเคลื่อนไปยังผิวเยื่อเพียโดยนิวคลีโอคีนิซิส (nucleokenisis) อันเป็นกระบวนการซึ่ง "กรง" ไมโครทิวบูลรอบนิวเคลียสยืดออกแล้วหดตัวโดยสัมพันธ์กับเซนโทรโซมเพื่อชี้นำนิวเคลียสไปยังจุดหมายสุดท้ายของมัน^[3] ใยรัศมี (หรือเรียก เกลียรัศมี) สามารถเคลื่อนย้ายไปยังแผ่นเปลือกและเปลี่ยนสภาพเป็นแอสโทรไซต์ (astrocyte) หรือเซลล์ประสาทได้^[4] การเคลื่อนย้ายร่างสามารถเกิดได้ทุกเมื่อระหว่างการเจริญ^[5]

เซลล์ประสาทระลอกภัดมาแบ่งพรีเพลต (preplate) โดยการย้ายที่ตามเส้นใยเกลียรัศมีเพื่อเกิดเป็นแผ่นเปลือก เซลล์ที่ย้ายที่แต่ละระลอกเคลื่อนผ่านเซลล์ที่มาก่อนที่ก่อเป็นชั้นในลักษณะในออกนอก หมายความว่า เซลล์ประสาทที่อายุน้อยสุดจะอยู่ใกล้ผิวที่สุด^[6][7]

การย้ายที่แอกโซฟิลิก

เซลล์ประสาทจำนวนมากซึ่งย้ายที่ตามแกนหน้า-หลังของกายใช้ลำเส้นใยแกนประสาทเพื่อย้ายที่ตาม ซึ่งเรียก การย้ายที่แอกโซฟิลิก (axophilic migration) ตัวอย่างการย้ายที่วิธีนี้ คือ เซลล์ประสาทที่แสดง GnRH ซึ่งเดินทางจากแหล่งกำเนิดในจมูก ผ่านสมองส่วนหน้า และเข้าสู่ไฮโพทาลามัส (hypothalamus)^[8] เกิดหลายกลไกของการย้ายที่นี้ เริ่มจากสิ่งกระตุ้น (cue) ชี้นำนอกเซลล์^[9]ซึ่งกระตุ้นการส่งสัญญาณในเซลล์ สัญญาณในเซลล์เหล่านี้ เช่น การส่งสัญญาณแคลเซียม นำสู่พลวัตโครงร่างเซลล์แอ็กติน (actin cytoskeletal dynamics)^[10] ซึ่งผลิตแรงของเซลล์อันมีอันตรกิริยากับสิ่งแวดล้อมนอกเซลล์ผ่านโปรตีนยึดติดเซลล์^[11]เพื่อให้เกิดการเคลื่อนที่ของเซลล์เหล่านี้

การย้ายที่ขนานเส้นสัมผัส

เซลล์ประสาทเชื่อมกลาง (interneuron) ส่วนมากย้ายที่ขนานเส้นสัมผัสโดยการย้ายที่หลายวิธีเพื่อไปถึงตำแหน่งที่เหมาะสมในเปลือกสมอง ตัวอย่างของการย้ายที่ขนานเส้นสัมผัส คือ การเคลื่อนที่ของเซลล์กะคัล-เร็ตเซียสจากเฮมเปลือก (cortical hem) ไปส่วนผิวของนิวโรอิพิทิเลียมเปลือก

อื่น ๆ

นอกจากนี้ยังมีวิธีการย้ายที่ของเซลล์ประสาท เรียก การย้ายที่หลายขั้ว (multipolar migration)^[12][13] ซึ่งพบในเซลล์หลายขั้วที่มีมากในเขตกลางของเปลือกสมอง โดยเซลล์หลายขั้วเหล่านี้แสดงสารส่อ (marker) เซลล์ประสาทและเหยียดส่วนยื่นบางหลายส่วนในหลายทิศทางโดยไม่อาศัยเส้นใยของเกลียรัศมี^[14]

การเจริญของประสาทในระบบประสาทของผู้ใหญ่

การเจริญของประสาทในระบบประสาทของผู้ใหญ่มีกลไกอย่างการสร้างไมอีลินใหม่ (remyelination) การสร้างเซลล์ประสาท เซลล์เกลีย แกนประสาท ไมอีลินหรือจุดประสานประสาทใหม่ การสร้างใหม่ของประสาทแตกต่างระหว่างระบบประสาทนอกส่วนกลางและระบบประสาทส่วนกลาง โดยกลไกการทำหน้าที่และโดยเฉพาะขอบเขตและความเร็ว

อ้างอิง

1. Estomih Mtui; Gregory Gruener (2006). Clinical Neuroanatomy and Neuroscience. Philadelphia: Saunders. p. 1. ISBN 1-4160-3445-5.
2. Atlas of Human Embryology, Chronolab เก็บถาวร 2007-12-27 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน. Last accessed on Oct 30, 2007.
3. Samuels B, Tsai L (2004). "Nucleokinesis illuminated". Nat Neurosci. 7 (11): 1169–70. doi:10.1038/nn1104-1169. PMID 15508010.
4. Campbell K, Götz M (May 2002). "Radial glia: multi-purpose cells for vertebrate brain development". Trends Neurosci. 25 (5): 235–8. doi:10.1016/S0166-2236(02)02156-2. PMID 11972958.
5. Nadarajah B, Brunstrom J, Grutzendler J, Wong R, Pearlman A (2001). "Two modes of radial migration in early development of the cerebral cortex". Nat Neurosci. 4 (2): 143–50. doi:10.1038/83967. PMID 11175874.
6. Nadarajah B, Parnavelas J (2002). "Modes of neuronal migration in the developing cerebral cortex". Nat Rev Neurosci. 3 (6): 423–32. doi:10.1038/nrn845. PMID 12042877.
7. Rakic P (1972). "Mode of cell migration to the superficial layers of fetal monkey neocortex". J Comp Neurol. 145 (1): 61–83. doi:10.1002/cne.901450105. PMID 4624784.
8. Wray S (2010). "From nose to brain: development of gonadotrophin-releasing hormone-1 neurones". J Neuroendocrinol. 22 (7): 743–753. doi:10.1111/j.1365-2826.2010.02034.x. PMC 2919238. PMID 20646175.
9. Giacobini P, Messina A, Wray S, Giampietro C, Crepaldi T, Carmeliet P, Fasolo A (2007). "Hepatocyte growth factor acts as a motogen and guidance signal for gonadotropin hormone-releasing hormone-1 neuronal migration". J Neurosci. 27 (2): 431–445. doi:10.1523/JNEUROSCI.4979-06.2007. PMID 17215404.
10. Hutchins BI, Klenke U, Wray S (2013). "Calcium release-dependent actin flow in the leading process mediates axophilic migration". J Neurosci. 33 (28): 11361–71. doi:10.1523/JNEUROSCI.3758-12.2013. PMID 23843509.
11. Parkash J, Cimino I, Ferraris N, Casoni F, Wray S, Cappy H, Prevot V, Giacobini P (2012). "Suppression of β1-integrin in gonadotropin-releasing hormone cells disrupts migration and axonal extension resulting in severe reproductive alterations". J Neurosci. 32 (47): 16992–7002. doi:10.1523/JNEUROSCI.3057-12.2012. PMID 23175850.
12. Tabata H, Nakajima K (5 November 2003). "Multipolar migration: the third mode of radial neuronal migration in the developing cerebral cortex". J Neurosci. 23 (31): 9996–10001. PMID 14602813.
13. Nadarajah B, Alifragis P, Wong R, Parnavelas J (2003). "Neuronal migration in the developing cerebral cortex: observations based on real-time imaging". Cereb Cortex. 13 (6): 607–11. doi:10.1093/cercor/13.6.607. PMID 12764035.
14. Tabata H, Nakajima K (5 November 2003). "Multipolar migration: the third mode of radial neuronal migration in the developing cerebral cortex". J Neurosci. 23 (31): 9996–10001. PMID 14602813.