L EVOLUZIONE DEL TUBO NEURALE: ENCEFALO E MIDOLLO SPINALE Il cervello umano è probabilmente la struttura più complessa e organizzata dei viventi. Contiene ca 10 11 neuroni e un numero incalcolabile di connessioni sinaptiche ma questa complessità non viene dal nulla 1
Il primitivo tubo neurale costituisce l abbozzo del SNC si possono inizialmente distinguere 2 regioni una anteriore a cavità molto ampia - originerà l encefalo una posteriore allungata - originerà il midollo spinale 2
DIFFERENZIAMENTO DEL TUBO NEURALE Il differenziamento del tubo neurale nelle varie regioni del sistema nervoso centrale avviene simultaneamente su 3 livelli strutturali: 1. A livello anatomico il tubo neurale e il suo lume presentano rigonfiamenti e costrizioni da cui si sviluppano le parti dell encefalo e il midollo spinale 2. A livello tissutale le popolazioni cellulari si organizzano nella parete del tubo neurale a formare le differenti regioni funzionali di encefalo e midollo 3. A livello cellulare le cellule del neuroepitelio si differenziano nei numerosi tipi di neuroni e di cellule di sostegno, le cellule della glia
Differenziamento asse antero-posteriore Il tubo neurale dei mammiferi è inizialmente una struttura rettilinea Mentre la parte posteriore si sta formando, la parte anteriore va incontro a drastiche modificazioni PARTE ANTERIORE si dilata in 3 vescicole primarie: PROENCEFALO, MESENCEFALO e ROMBOENCEFALO (direzione rostrocaudale).
Il PROENCEFALO si suddivide in: TELENCEFALO (anteriormente) formerà gli emisferi cerebrali DIENCEFALO (caudalmente) formerà le regioni di talamo e ipotalamo che ricevono stimoli nervosi dalla retina MESENCEFALO: il suo lume diventa l acquedotto cerebrale ROMBOENCEFALO si suddivide in: METENCEFALO (anteriormente) origina il cervelletto che coordina movimenti, postura ed equilibrio MIELENCEFALO (caudalmente) diventa midollo allungato i cui neuroni formano i centri nervosi responsabili della ricezione di stimoli dolorifici dal capo e collo, delle connessioni con l organo uditivo, movimenti delle lingua, controllo equilibrio, motilità apparato respiratorio, gastrointestinale e cardiovascolare
Telencefalo Diencefalo Mesencefalo Metencefalo Mielencefalo
Schema dell encefalo basato sullo sviluppo delle vescicole encefaliche 7
Mentre il tubo neurale si sta chiudendo a livello posteriore, dal diencefalo si formano lateralmente per espansione 2 vescicole secondarie: le vescicole ottiche
IL RIGONFIAMENTO DELL ENCEFALO EMBRIONALE ALL INIZIO DEL SUO SVILUPPO È SORPRENDENTE PER LA SUA VELOCITÀ E LA SUA AMPIEZZA E il risultato dell aumento delle dimensioni della cavità e non dell accrescimento del tessuto Si ritiene che sia dovuto alla pressione esercitata sulle pareti del tubo neurale dal liquido in esso contenuto QUESTA PRESSIONE NON VIENE DISPERSA NEL MIDOLLO SPINALE Quando le pieghe neurali si chiudono, nella regione tra encefalo e midollo spinale presuntivi i tessuti dorsali circostanti si spingono all interno, determinando una costrizione del tubo neurale alla base dell encefalo Nell embrione di pollo il volume dell encefalo aumenta dal 3 al 5 giorno di sviluppo Meccanismi: Na+/K+ ATPasi crea gradiente osmotico che richiama acqua nei ventricoli Successivamente secrezione di liquido cerebrospinale (o cerebrorachidiano)
Sviluppo dei tessuti dorsali comprime tubo neurale creando una costrizione alla base dell encefalo Esperimento in pollo: Abolizione della pressione del liquido nella parte anteriore del tubo neurale occluso Risultato: Encefalo del pollo si ingrandisce a ritmo più lento e contiene meno cellule rispetto embrione normale La regione del tubo neurale occlusa si riapre dopo l iniziale rapida espansione dei ventricoli cerebrali (A) Occlusione tubo neurale: dalla parte anteriore del tubo neurale il colorante non passa nella regione del midollo spinale di embrione di pollo 3 giorno sviluppo Tubo neurale prima (B) e dopo dell occlusione (D) (C) Riapertura dell occlusione dopo iniziale espansione dell encefalo permette al colorante di passare alla regione del midollo spinale Il piano strutturale antero-posteriore del sistema nervoso è regolato da una serie di geni che comprende i complessi dei GENI HOX
Differenziamento asse dorso-ventrale Il modello di organizzazione ventrale è indotto dalla notocorda che secerne Sonic hedgehog mentre quello dorsale è indotto da proteine TGFβ originate dall epidermide CENTRI DI SEGNALAZIONE REGIONE VENTRALE: PRIMARIO: NOTOCORDA SECONDARIO: LAMINA DEL PAVIMENTO Cellule cardine mediale Notocorda secerne Shh che induce le cellule del cardine mediale a diventare LAMINA DEL PAVIMENTO del tubo neurale Queste cellule a loro volta producono shh che forma un concentrazione è nella parte più ventrale del tubo neurale gradiente in cui la massima
ASSE DORSO-VENTRALE CENTRI DI SEGNALAZIONE REGIONE DORSALE: PRIMARIO: EPIDERMIDE SECONDARIO: LAMINA TEGMENTALE In entrambi i casi i segnali induttivi vengono prodotti da cellule non nervose Il destino dorsale del tubo neurale è stabilito dalle proteine della superfamiglia TGFβ, in particolare le proteine morfogenetiche dell osso BMP4 e 7, Dorsalin e Activina Le cellule dell epidermide inducono l espressione di BMP4 nelle cellule della LAMINA TEGMENTALE del tubo neurale. BMP4 induce una cascata concatenata di proteine TGFβ nelle cellule adiacenti. Così una serie di neuroni in senso dorsoventrale sono esposte a concentrazioni differenti di proteine TGFβ e a tempi differenti che stabilisce la loro identità
L importanza di shh nell organizzare la parte ventrale del tubo neurale può essere dimostrata sperimentalmente: 1) se si colloca in posizione adiacente al tubo neurale un altra notocorda, questa induce una seconda serie di neuroni della lamina del pavimento e anche altre 2 serie di neuroni motori 2) asportando la notocorda l embrione sarà privo delle cellule della lamina del pavimento Importanza dei fattori di TGFβ nell organizzare la parte dorsale del tubo neurale è stata dimostrata in mutanti di pesci privi di BMP: mancavano di neuroni dorsali e intermedi
Differenziamento dei neuroni Cellule epiteliali del tubo neurale danno origine a Cellule ventricolari (ependimali) Neuroni Cellule gliali Rappresentazione di un motoneurone (dendriti, soma, assone) 16
Cono di crescita guida l allungamento dell assone. Caratterizzato da filopodi appuntiti microspike (citoscheletro di actina) che variano di forma, aderiscono al substrato e tirano l assone. Hanno anche funzione esplorativa Tubulin 17
Trasmissione dell impulso nervoso attraverso i neuroni (dendrite-soma.assone) Per migliorare conduzione impulso nervoso, assone è isolato da cellule gliali, che formano la guiana mielinica SNC SNP 18
Differenziamento tissutale del SNC Evoluzione del neuroepitelio del tubo neurale Neuroepitelio germinativo è pseudostratificato (nuclei a diverse altezze) I nuclei si muovono a diverse altezze a seconda della fase del ciclo cellulare Cellule che si differenziano in nervose e gliali migrano lontano dal tubo neurale 19
Guida gliale: meccanismo importante nella determinazione della posizione dei giovani neuroni nella corteccia dell encefalo in sviluppo Es. precursori dei granuli nel cervelletto viaggiano su prolungamenti di cellule della glia di Bergmann. Riconoscimento attraverso specifiche molecole di adesione (es. astrotactina) 20
Sviluppo del midollo spinale Alla chiusura del tubo neurale, si formano lamine longitudinali dall estremità caudale fino al mesencefalo - creste neurali (o gangliari) Creste gangliari si frammentano precocemente originando gli abbozzi dei gangli 22
Il ganglio produrrà l innervazione sensitiva e il piano corrispondente del midollo spinale fornirà l innervazione motrice dei muscoli La frammentazione delle creste corrisponde a quella dei somiti: a ciascun abbozzo muscolare corrisponde un abbozzo gangliare Organizzazione metamerica 23
Differenziamento delle pareti del tubo neurale 24
Zona ventricolare Zona marginale 25
lamina tegmentale Sviluppo del midollo spinale: tubo neurale suddiviso funzionalmente in regione dorsale e ventrale (separate da sulcus limitans) lamina del pavimento Strato marginale (assoni + guaina mielinica) Strato mantellare (contiene corpi cellulari) Sostanza bianca Sostanza (o materia) grigia 26
Sviluppo delle vescicole encefaliche 27
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Mentre nei bassi Vertebrati le vescicole encefaliche sono praticamente in linea tra loro, negli Amnioti compaiono ripiegature (adattamento meccanico dovuto al progressivo aumento della massa cerebrale) 32 giorno nell uomo 25 giorno nell uomo (neuroporo anteriore ancora aperto; accrescimento delle parti dorsali del tubo neurale è maggiore - determina curvatura mesencefalica) 29
Mielencefalo, metencefalo e mesencefalo costituiscono il tronco cerebrale, sul quale è posto - per derivazione - il cervelletto 30
Il rombencefalo sviluppa una organizzazione segmentale che specifica le sedi in cui si originano determinati nervi Rigonfiamenti periodici, detti ROMBOMERI lo suddividono in compartimenti più piccoli I rombomeri sono territori di sviluppo separati con un differente destino Le cellule della cresta neurale sopra ciascun rombomero formeranno GANGLI, raggruppamenti di cellule nervose i cui assoni costituiscono un nervo
L origine dei nervi cranici dai rombomeri è stata studiata nel pollo, in cui i primi neuroni da cui si originano i nervi cranici compaiono nei NEUROMERI indicati con numeri pari (r2, r4, r6) I neuroni che si originano nei gangli: Gangli r2 originano il V nervo cranico (TRIGEMINO) Gangli r4 originano VII nervo cranico (FACCIALE) e VIII nervo cranico (VESTIBOLO-COCLEARE) Gangli r6 originano IX nervo cranico (GLOSSO-FARINGEO) Embrione di pollo di 2 giorni. Marcatura dei neuroni con Ab anti-neurofilamenti. I rombomeri 2-4-6 si distinguono per la densità dei neuroni
Mielencefalo A livello del mielencefalo le pareti del canale neurale si aprono a libro. La cavità centrale si allarga e diventa il 4 ventricolo Le cellule ependimali del tetto si sviluppano nei plessi coroidei che producono liquido cerebrospinale Negli Amnioti, i nuclei di sostanza grigia si 33 risolvono in masse discrete: nuclei rombencefalici deinervi cranici
Metencefalo Il pavimento darà origine al ponte, il tetto al cervelletto I nuclei del ponte derivano dalle lamine alari sensitive Il tetto deriva dalla parte più dorsale delle lamine alari Paleo-cervelletto Lobi laterali daranno origine agli emisferi cerebellari (compaiono solo nei Vertebrati superiori - neocervelletto) 34
Corteccia cerebellare 35
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Mesencefalo Vescicola mesencefalica è la sola che non si suddivide Il tetto originerà i tubercoli quadrigemini anteriori (vie ottiche) e posteriori (vie acustiche) Nei Vertebrati inferiori costituiscono veri e propri cervelli sensoriali. Nei vertebrati superiori questa funzione è assolta dalla neo-corteccia ottica ed acustica Notevole ispessimento delle pareti che determina restringimento della cavità mesencefalica (acquedotto di Silvio) 37
Acquedotto cerebrale (o di Silvio) connette il 3 ventricolo (diencefalico) al 4 ventricolo (rombencefalico). Idrocefalia Anomalia frequente - compatibile con la vita - caratterizzata da un accumulo abnorme di liquido cefalo-rachidiano nelle cavità ventricolari Nella maggior parte dei casi l idrocefalia del lattante è dovuta ad un ostruzione dell acquedotto di Silvio (x anomalia dello sviluppo, o processi infiammatori o tumorali) 38
Il cervello I derivati della vescicola prosencefalica (diencefalo e telencefalo) - al di sopra del tronco cerebrale - formano il cervello propriamente detto Il prosencefalo si caratterizza per il forte accrescimento delle lamine alari e la relativa regressione delle lamine fondamentali Produrrà molte più formazioni recettrici ed associative che motrici A causa dell enorme sviluppo, il telencefalo circonderà la vescicola diencefalica (alla fine avvolta da emisferi, tranne la parte posteriore in continuità con mesencefalo) 39
Diencefalo Corpo parietale Corpo pineale Anatomicamente si distinguono un tetto (epitalamo, due pareti laterali (talamo) e un pavimento (ipotalamo) Spiccata tendenza delle pareti a estroflettersi es. vescicole ottiche Corpo pineale si differenzia nell epifisi (in alcuni anfibi nel 3 occhio) Infundibolo nella pars nervosa dell ipofisi Infundibolo 40
Lo sviluppo del telencefalo è tanto maggiore quanto più si sale nella scala dei Vertebrati Nei Ciclostomi e nei Pesci la vescicola telencefalica resta unica A partire dagli Anfibi - 2 evaginazioni (emisferi) che delimitano ciascun un ventricolo laterale Con i Mammiferi gli emisferi si accrescono notevolmente inglobando diencefalo, mesencefalo e parte del metencefalo. I centri sottostanti (che erano i più elevati) perdono di autonomia e sono assoggettati al controllo del telencefalo 41
Corteccia cerebrale
Le meningi Membrane interposte tra l osso (cranio e rachide) ed il SNC (da int. verso ext) Meningi molli (leptomeningi) - pia madre - aracnoide Meninge dura - dura madre Pia madre (direttamente a contatto con tessuto nervoso) e aracnoide (inguaina i vasi sanguigni) derivano da ectomesenchima fornito delle creste neurali Dura madre deriva dal mesenchima ordinario 46
Ruoli delle meningi - protezione meccanica - antishock - vascolare - pia e aracnoide rivestono i vasi che penetrano nel tessuto nervoso (a livello dei capillari sanguigni endotelio direttamente a contatto con cell neuroglia - barriera ematoencefalica) - riassorbimento liquido cefalo-rachidiano a livello dello spazio subaracnoideo 47
La meningite: malattia del SNC, generalmente di origine infettiva, caratterizzata dall infiammazione delle meningi Meningite batterica da pneumococco: è visibile un infiltrato infiammatorio a livello della pia madre formato da granulociti neutrofili Mappa del rischio epidemico relativo alla meningite meningococca. Fascia meningitica africana Zona epidemica Casi sporadici 48
La barriera ematoencefalica (Blood-Brain Barrier, BBB) Obermeier et al. Nat Med. 2013 December ; 19(12): 1584 1596. Liebner et al., 2011. Current concepts of blood-brain barrier development. Int. J. Dev. Biol. 55: 467-476