Desenvolvimento do sistema nervoso em humanos - Development of the nervous system in humans

O desenvolvimento do sistema nervoso em humanos , ou desenvolvimento neural ou neurodesenvolvimento envolve os estudos de embriologia , biologia do desenvolvimento e neurociência para descrever os mecanismos celulares e moleculares pelos quais o sistema nervoso complexo se forma em humanos, se desenvolve durante o desenvolvimento pré-natal e continua a desenvolver pós-natal.

Alguns marcos do desenvolvimento neural no embrião incluem o nascimento e a diferenciação de neurônios de precursores de células-tronco ( neurogênese ); a migração de neurônios imaturos de seus locais de nascimento no embrião para suas posições finais; o crescimento de axônios dos neurônios e orientação do cone de crescimento móvel através do embrião em direção aos parceiros pós-sinápticos, a geração de sinapses entre esses axônios e seus parceiros pós-sinápticos, a poda sináptica que ocorre na adolescência e, finalmente, as mudanças ao longo da vida nas sinapses que se pensa para fundamentar a aprendizagem e a memória.

Normalmente, esses processos de neurodesenvolvimento podem ser amplamente divididos em duas classes: mecanismos independentes de atividade e mecanismos dependentes de atividade. Em geral, acredita-se que os mecanismos independentes de atividade ocorram como processos fixos determinados por programas genéticos executados dentro de neurônios individuais. Isso inclui diferenciação , migração e orientação de axônio para suas áreas-alvo iniciais. Esses processos são considerados independentes da atividade neural e da experiência sensorial. Uma vez que os axônios alcançam suas áreas-alvo, mecanismos dependentes de atividade entram em ação. A atividade neural e a experiência sensorial mediarão a formação de novas sinapses , bem como a plasticidade sináptica , que será responsável pelo refinamento dos circuitos neurais nascentes.

Desenvolvimento do cérebro humano

Fluxograma altamente esquemático do desenvolvimento do cérebro humano.

Visão geral

O sistema nervoso central (SNC) é derivado do ectoderma - a camada de tecido mais externa do embrião. Na terceira semana de desenvolvimento embrionário humano, o neuroectoderma aparece e forma a placa neural ao longo do lado dorsal do embrião. A placa neural é a fonte da maioria dos neurônios e células gliais do SNC. Um sulco se forma ao longo do eixo longo da placa neural e, na quarta semana de desenvolvimento, a placa neural se enrola para dar origem ao tubo neural , que é preenchido com líquido cefalorraquidiano (LCR). Conforme o embrião se desenvolve, a parte anterior do tubo neural forma três vesículas cerebrais primárias , que se tornam as principais regiões anatômicas do cérebro: o prosencéfalo ( prosencéfalo ), o mesencéfalo ( mesencéfalo ) e o rombencéfalo ( rombencéfalo ). Essas vesículas simples e iniciais aumentam e se dividem nas cinco vesículas cerebrais secundárias - o telencéfalo (futuro córtex cerebral e gânglios da base ), diencéfalo (futuro tálamo e hipotálamo ), mesencéfalo (futuros colículos ), metencéfalo (futuro ponte e cerebelo ) e mielencéfalo ( medula futura ). A câmara central cheia de LCR é contínua desde o telencéfalo até a medula espinhal e constitui o sistema ventricular em desenvolvimento do SNC. Como o tubo neural dá origem ao cérebro e à medula espinhal, qualquer mutação neste estágio de desenvolvimento pode levar a deformidades fatais como anencefalia ou deficiências permanentes como espinha bífida . Durante esse tempo, as paredes do tubo neural contêm células-tronco neurais , que impulsionam o crescimento do cérebro à medida que se dividem muitas vezes. Gradualmente, algumas das células param de se dividir e se diferenciam em neurônios e células gliais , que são os principais componentes celulares do SNC. Os neurônios recém-gerados migram para diferentes partes do cérebro em desenvolvimento para se auto-organizarem em diferentes estruturas cerebrais. Depois que os neurônios atingem suas posições regionais, eles estendem axônios e dendritos , o que permite que eles se comuniquem com outros neurônios por meio de sinapses . A comunicação sináptica entre os neurônios leva ao estabelecimento de circuitos neurais funcionais que medeiam o processamento sensorial e motor e fundamentam o comportamento.

Indução neural

Durante o desenvolvimento embrionário inicial , o ectoderma torna-se especificado para dar origem à epiderme (pele) e à placa neural. A conversão de ectoderme indiferenciado em neuro-ectoderme requer sinais do mesoderma . No início da gastrulação, as células mesodérmicas presumíveis movem-se através do lábio dorsal do blastóporo e formam uma camada entre a endoderme e a ectoderme. Essas células mesodérmicas que migram ao longo da linha média dorsal dão origem a uma estrutura chamada notocórdio . As células ectodérmicas que recobrem a notocorda se desenvolvem na placa neural em resposta a um sinal difusível produzido pela notocorda. O restante do ectoderma dá origem à epiderme (pele). A capacidade do mesoderma de converter o ectoderma subjacente em tecido neural é chamada de indução neural.

A placa neural se dobra para fora durante a terceira semana de gestação para formar o sulco neural . Começando na futura região do pescoço, as dobras neurais desse sulco se fecham para criar o tubo neural . A formação do tubo neural a partir da ectoderme é chamada de neurulação . A parte ventral do tubo neural é chamada de placa basal ; a parte dorsal é chamada placa alar . O interior oco é chamado de canal neural . No final da quarta semana de gestação, as extremidades abertas do tubo neural, chamadas de neuropores, se fecham.

Um lábio de blastóporo transplantado pode converter ectoderma em tecido neural e tem um efeito indutivo. Indutores neurais são moléculas que podem induzir a expressão de genes neurais em explantes de ectoderme sem induzir genes mesodérmicos também. A indução neural é frequentemente estudada em embriões de xenopus, pois eles têm um padrão corporal simples e há bons marcadores para distinguir entre tecido neural e não neural. Exemplos de indutores neurais são as moléculas noggin e chordin .

Quando as células ectodérmicas embrionárias são cultivadas em baixa densidade na ausência de células mesodérmicas, elas sofrem diferenciação neural (expressam genes neurais), sugerindo que a diferenciação neural é o destino padrão das células ectodérmicas. Em culturas de explante (que permitem interações células-células diretas), as mesmas células se diferenciam em epiderme. Isso se deve à ação da BMP4 (uma proteína da família TGF-β ) que induz culturas ectodérmicas a se diferenciarem em epiderme. Durante a indução neural, noggin e chordin são produzidos pelo mesoderma dorsal (notocorda) e se difundem no ectoderma sobrejacente para inibir a atividade de BMP4. Esta inibição de BMP4 faz com que as células se diferenciem em células neurais. A inibição da sinalização de TGF-β e BMP (proteína morfogenética óssea) pode induzir eficazmente o tecido neural a partir de células-tronco pluripotentes humanas , um modelo do desenvolvimento humano inicial.

O cérebro inicial

No final da quarta semana, a parte superior do tubo neural flexiona no nível do futuro mesencéfalo - o mesencéfalo . Acima do mesencéfalo está o prosencéfalo (futuro cérebro anterior) e abaixo dele está o rombencéfalo (futuro cérebro posterior). A vesícula óptica (que eventualmente se tornará o nervo óptico, a retina e a íris) se forma na placa basal do prosencéfalo.

A medula espinhal se forma na parte inferior do tubo neural. A parede do tubo neural consiste em células neuroepiteliais, que se diferenciam em neuroblastos, formando a camada do manto (a substância cinzenta). Fibras nervosas emergem desses neuroblastos para formar a camada marginal (a substância branca). A parte ventral da camada do manto (as placas basais) forma as áreas motoras da medula espinhal, enquanto a parte dorsal (as placas alar) forma as áreas sensoriais. Entre as placas basal e alar está uma camada intermediária que contém neurônios do sistema nervoso autônomo.

Na quinta semana, a placa alar do prosencéfalo se expande para formar os hemisférios cerebrais (o telencéfalo ). A placa basal torna-se o diencéfalo .

O diencéfalo, o mesencéfalo e o rombencéfalo constituem o tronco encefálico do embrião. Ele continua a flexionar no mesencéfalo. O rombencéfalo se dobra posteriormente, o que faz com que sua placa alar se dilate e forme o quarto ventrículo do cérebro. A ponte e o cerebelo se formam na parte superior do rombencéfalo, enquanto a medula oblonga se forma na parte inferior.

Neuroimagem

A neuroimagem é responsável por grandes avanços na compreensão de como o cérebro se desenvolve. EEG e ERP são processos de imagem eficazes usados ​​principalmente em bebês e crianças pequenas, uma vez que são mais suaves. Bebês geralmente são testados com fNIRS . A ressonância magnética e a ressonância magnética são amplamente utilizadas para pesquisas sobre o cérebro devido à qualidade das imagens e análises possíveis a partir delas.

Imagem de ressonância magnética

As ressonâncias magnéticas são úteis na análise de muitos aspectos do cérebro. A taxa de transferência de magnetização (MTR) mede a integridade usando a magnetização. A anisotropia fracionária (AF) mede a organização usando a difusão de moléculas de água. Além disso, a difusividade média (MD) mede a resistência dos tratos de substância branca .

Imagem de ressonância magnética estrutural

Usando a ressonância magnética estrutural, a avaliação quantitativa de uma série de processos de desenvolvimento pode ser realizada, incluindo a definição de padrões de crescimento e a caracterização da sequência de mielinização. Esses dados complementam as evidências dos estudos de Diffusion Tensor Imaging (DTI) que têm sido amplamente usados ​​para investigar o desenvolvimento da substância branca.

Imagem de ressonância magnética funcional

Mentalização de teste de fMRI que é a teoria da mente ativando uma rede. O sulco temporal superior posterior (PSTS) e a junção temporoparietal (TPJ) são úteis na previsão do movimento. Em adultos, o pSTS direito mostrou maior resposta do que a mesma região em adolescentes quando testado em causalidade intencional. Essas regiões também foram ativadas durante o exercício "mente nos olhos", em que a emoção deve ser julgada com base em diferentes imagens dos olhos. Outra região importante é o córtex temporal anterior (ATC) na região posterior. Em adultos, o ATC esquerdo mostrou maior resposta do que a mesma região em adolescentes quando testado em testes emocionais de mentalização. Finalmente, o córtex pré-frontal medial (MPFC) e o MPFC dorsal anterior (dMPFC) são ativados quando a mente é estimulada pela psicologia.

Ultra-sonografia tridimensional

Imagens de resolução mais alta permitiram que o ultrassom tridimensional ajudasse a identificar o desenvolvimento do cérebro humano durante os estágios embrionários. Estudos relatam que três estruturas primárias são formadas na sexta semana de gestação . Estes são o prosencéfalo , o mesencéfalo e o rombencéfalo , também conhecidos como prosencéfalo, mesencéfalo e rombencéfalo, respectivamente. Cinco estruturas secundárias destas na sétima semana de gestação. Estes são o telencéfalo, diencéfalo, mesencéfalo, metencéfalo e mielencéfalo que mais tarde se tornam os ventrículos laterais, terceiros ventrículos, aqueduto e partes superior e inferior do quarto ventrículo do telencéfalo ao mielencéfalo, durante a idade adulta. As imagens de ultrassom 3D permitem representações in vivo do desenvolvimento ideal do cérebro, o que pode ajudar a reconhecer irregularidades durante a gestação.

Desenvolvimento da matéria branca

Usando a ressonância magnética, os estudos mostraram que, enquanto a massa branca aumenta da infância (~ 9 anos) à adolescência (~ 14 anos), a massa cinzenta diminui. Isso foi observado principalmente nos córtices frontal e parietal. As teorias sobre por que isso ocorre variam. Um pensamento é que a mielinização intracortical emparelhada com o aumento do calibre axonal aumenta o volume do tecido de substância branca. Outra é que a reorganização sináptica ocorre a partir da proliferação e, em seguida, da poda.

Desenvolvimento de massa cinzenta

O aumento e a diminuição do volume da substância cinzenta nos lobos frontal e parietal atingiram o pico por volta dos 12 anos de idade. O pico para os lobos temporais foi de ~ 17 anos, com o córtex temporal superior sendo o último a amadurecer. As regiões sensoriais e motoras amadureceram primeiro, após o que o resto do córtex se desenvolveu. Esta foi caracterizada por perda de massa cinzenta e ocorreu da região posterior para a anterior. Essa perda de substância cinzenta e aumento de substância branca pode ocorrer ao longo da vida, embora as mudanças mais robustas ocorram da infância à adolescência.

Migração neuronal

A migração neuronal é o método pelo qual os neurônios viajam de sua origem ou local de nascimento até sua posição final no cérebro. Seus meios de migração mais comuns são a migração radial e tangencial.

Migração radial

As células-tronco neurais proliferam na zona ventricular do neocórtex em desenvolvimento . As primeiras células pós-mitóticas a migrar da pré-placa que estão destinadas a se tornar células de Cajal-Retzius e neurônios da subplaca . Essas células o fazem por translocação somática. Os neurônios que migram com este modo de locomoção são bipolares e fixam a ponta do processo à pia . O soma é então transportado para a superfície pial pela nucleocinese, um processo pelo qual uma "gaiola" de microtúbulo ao redor do núcleo se alonga e se contrai em associação com o centrossoma para guiar o núcleo até seu destino final. As fibras radiais (também conhecidas como glia radial) podem translocar para a placa cortical e se diferenciar em astrócitos ou neurônios . A translocação de somalis pode ocorrer a qualquer momento durante o desenvolvimento.

Ondas subsequentes de neurônios dividem a pré-placa migrando ao longo das fibras gliais radiais para formar a placa cortical. Cada onda de células em migração passa por seus predecessores, formando camadas de dentro para fora, o que significa que os neurônios mais jovens são os mais próximos da superfície. Estima-se que a migração guiada glial represente 80-90% dos neurônios em migração.

Migração axofílica

Muitos neurônios que migram ao longo do eixo ântero-posterior do corpo usam os tratos axônicos existentes para migrar em um processo denominado migração axofílica. Um exemplo desse modo de migração está nos neurônios que expressam GnRH , que fazem uma longa jornada de seu local de nascimento no nariz, através do prosencéfalo e no hipotálamo. Muitos dos mecanismos dessa migração foram elaborados, começando com as pistas de orientação extracelular que acionam a sinalização intracelular. Esses sinais intracelulares, como a sinalização do cálcio , levam à dinâmica citoesquelética da actina e dos microtúbulos, que produzem forças celulares que interagem com o meio extracelular por meio de proteínas de adesão celular para causar a movimentação dessas células. A migração neurofílica refere-se à migração de neurônios ao longo de um axônio pertencente a um nervo diferente. A migração gliofílica é a migração da glia ao longo das fibras gliais.

Migração tangencial

A maioria dos interneurônios migra tangencialmente por meio de vários modos de migração para alcançar seu local apropriado no córtex. Um exemplo de migração tangencial é o movimento das células de Cajal-Retzius dentro da zona marginal do neuroepitélio cortical.

Outros

Também existe um método de migração neuronal denominado migração multipolar . Isso é visto em células multipolares, que estão abundantemente presentes na zona intermediária cortical . Eles não se parecem com as células que migram por locomoção ou translocação somática. Em vez disso, essas células multipolares expressam marcadores neuronais e estendem vários processos finos em várias direções, independentemente das fibras gliais radiais.

Fatores neurotróficos

Fatores neurotróficos são moléculas que promovem e regulam a sobrevivência neuronal no sistema nervoso em desenvolvimento. Eles se distinguem dos metabólitos ubíquos necessários para a manutenção e crescimento celular por sua especificidade; cada fator neurotrófico promove a sobrevivência de apenas certos tipos de neurônios durante um determinado estágio de seu desenvolvimento. Além disso, argumentou-se que os fatores neurotróficos estão envolvidos em muitos outros aspectos do desenvolvimento neuronal, desde a orientação axonal até a regulação da síntese de neurotransmissores.

Desenvolvimento neural adulto

O neurodesenvolvimento no sistema nervoso adulto inclui mecanismos como remielinização , geração de novos neurônios , glia , axônios , mielina ou sinapses . A neurorregeneração difere entre o sistema nervoso periférico (SNP) e o sistema nervoso central (SNC) pelos mecanismos funcionais e, principalmente, pela extensão e velocidade.

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Modelagem espaço-temporal do desenvolvimento do cérebro

No início do desenvolvimento (antes do nascimento e durante os primeiros meses), o cérebro passa por mais mudanças de tamanho, forma e estrutura do que em qualquer outra época da vida. Uma melhor compreensão do desenvolvimento cerebral durante esse período crítico é importante para mapear o crescimento normal e para investigar os mecanismos de lesão associados a fatores de risco de desenvolvimento inadequado, como nascimento prematuro. Portanto, há uma necessidade de uma cobertura densa dessa faixa etária com um atlas que varia com o tempo e depende da idade. Esses atlas espaço-temporais podem representar com precisão as mudanças dinâmicas que ocorrem durante o desenvolvimento inicial do cérebro e podem ser usados ​​como um espaço de referência normativo.

Além disso, estudos de expressão gênica em larga escala de diferentes regiões do cérebro, desde o início da gestação até o envelhecimento, foram realizados. Esse tipo de dado fornece uma visão única das mudanças que acontecem no cérebro durante esse longo período. Esta abordagem mostrou que 86 por cento dos genes foram expressos, e que 90 por cento deles foram regulados diferencialmente no transcrito inteiro ou nível de exon através das regiões do cérebro e / ou tempo. A maioria dessas diferenças espaço-temporais foi detectada antes do nascimento, com aumentos subsequentes na similaridade entre os transcriptomas regionais. Além disso, as diferenças interareais exibem um padrão de ampulheta temporal, dividindo o desenvolvimento neocortical humano em três fases principais. Durante a primeira fase, nos primeiros seis meses após a concepção, a arquitetura geral das regiões do cérebro é amplamente formada por uma explosão de atividade genética, que é distinta para regiões específicas do neocórtex. Essa pressa é seguida por uma espécie de intervalo que começa no terceiro trimestre da gravidez. Durante este período, a maioria dos genes que estão ativos em regiões específicas do cérebro são silenciados - exceto os genes que estimulam conexões entre todas as regiões do neocórtex. Então, no final da infância e no início da adolescência, a orquestra genética começa novamente e ajuda a moldar sutilmente as regiões do neocórtex que progressivamente realizam tarefas mais especializadas, um processo que continua até a idade adulta.

Regiões específicas

A pesquisa foi capaz de fazer novas descobertas em várias partes do cérebro graças às imagens não invasivas disponíveis.

• Córtex pré-frontal medial (MPFC)

Nesta região, mais atividade é observada em adolescentes do que em adultos quando confrontados com testes de tarefas de mentalização, bem como de intenção comunicativa e pessoal. Diminuição da atividade da adolescência à idade adulta. Em uma tarefa de mentalização empregando animação, o dMPFC foi mais estimulado em adultos, enquanto o MPFC ventral foi mais estimulado em crianças. Eles podem ser atribuídos ao uso de estratégia objetiva associada ao dMPFC. As teorias para a diminuição da atividade da adolescência à idade adulta variam. Uma teoria é que a estratégia cognitiva se torna mais automática com a idade e outra é que a mudança funcional ocorre paralelamente à mudança neuroanatômica, que é caracterizada por sinaptogênese e poda.

O MPFC é um exemplo de uma região específica que se tornou mais bem compreendida usando as técnicas de imagem atuais. A pesquisa atual fornece muito mais descobertas como esta.

Estresse precoce

O estresse na infância é definido como a exposição a circunstâncias durante a infância que sobrecarregam os recursos de enfrentamento da criança e levam a períodos prolongados de estresse. Os resultados de vários estudos indicam que os efeitos do estresse no início da vida no cérebro em desenvolvimento são significativos e incluem, mas não estão limitados ao seguinte: aumento do volume da amígdala, diminuição da atividade nas estruturas cerebrais frontais corticais e límbicas e estruturas alteradas da substância branca.

Acredita-se que o estresse precoce produz mudanças no desenvolvimento do cérebro ao interferir na neurogênese, na produção sináptica e na poda de sinapses e receptores. A interferência com esses processos pode resultar em volumes aumentados ou diminuídos da região do cérebro, explicando potencialmente os achados de que o estresse no início da vida está associado ao aumento do volume da amígdala e diminuição do volume do córtex cingulado anterior.

Da literatura, várias conclusões importantes foram tiradas. As áreas do cérebro que passam por um desenvolvimento pós-natal significativo, como aquelas envolvidas na memória e na emoção, são mais vulneráveis ​​aos efeitos do estresse no início da vida. Por exemplo, o hipocampo continua a se desenvolver após o nascimento e é uma estrutura afetada por maus-tratos na infância. O estresse no início da vida parece interferir na superprodução de sinapses típica da infância, mas não interfere na poda sináptica na adolescência. Isso resulta em volumes hipocampais menores, potencialmente explicando a associação entre o estresse no início da vida e a redução do volume hipocampal. Essa redução de volume pode estar associada aos déficits de regulação da emoção observados em pessoas expostas ao estresse no início da vida.

A amígdala é particularmente vulnerável ao estresse no início da vida. A amígdala também sofre um desenvolvimento significativo durante a infância, é estrutural e funcionalmente alterada em indivíduos que vivenciaram estresse no início da vida e está associada às dificuldades socioemocionais associadas ao estresse no início da vida.

O tipo de receptor é outra consideração ao determinar se uma região do cérebro é ou não sensível aos efeitos do estresse no início da vida. As regiões do cérebro com alta densidade de receptores de glicocorticóides são especialmente vulneráveis ​​aos efeitos do estresse no início da vida, provavelmente porque os glicocorticóides se ligam a esses receptores durante a exposição ao estresse, facilitando o desenvolvimento de respostas de sobrevivência às custas de outras vias neurais importantes. Alguns exemplos de regiões do cérebro com alta densidade de receptores de glicocorticóides são o hipocampo e o vermis cerebelar. O estresse ativa o eixo HPA e resulta na produção de glicocorticóides. O aumento da produção de glicocorticóides resulta no aumento da ativação dessas regiões do cérebro, facilitando o desenvolvimento de certas vias neurais às custas de outras.

Anormalidades na estrutura e função do cérebro são frequentemente associadas a déficits que podem persistir por anos após a remoção do estresse e podem ser um fator de risco para psicopatologia futura. As regiões do cérebro mais sensíveis ao estresse no início da vida são aquelas que passam por mudanças de desenvolvimento durante a exposição ao estresse. Como resultado, o estresse altera a trajetória de desenvolvimento dessa região do cérebro, produzindo alterações duradouras na estrutura e função.

Os tipos comuns de estresse no início da vida documentados incluem maus-tratos, negligência e institucionalização anterior. Viver na pobreza também demonstrou influenciar de forma semelhante a função cerebral.

Veja também

• Linha do tempo de desenvolvimento do cérebro humano
• KCC2
• Distúrbios do neurodesenvolvimento
• Darwinismo Neural
• Psicologia pré e perinatal

links externos

• Sequências de lapso de tempo de migração radial (também conhecido como orientação glial) e translocação somática.

Referências