Omurga ve Beyin Formlarının Pasif Olarak Öncülü

Özet: Çevreleyen dokunun, dışarıdan basınç uygulayarak nöral tüpün gelişiminde önemli bir destekleyici rol oynaması muhtemeldir.

Kaynak: ETH Zürih

İnsan embriyosunda nöral tüp, gebeliğin 22. ve 26. günleri arasında oluşur. Daha sonra bu tüpten beyin ve omurilik gelişecektir. Nöral tüp, uzunlamasına düz bir doku yapısı olan nöral plaka, uzunlamasına bir U şeklinde büküldüğünde ve bir tüp oluşturmak üzere kapandığında oluşur. Bu gelişmeyi neyin tetiklediği henüz belli değil.

Basel’deki ETH Zürih Biyosistem Bilimi ve Mühendisliği Bölümü’nde Hesaplamalı Biyoloji Profesörü olan Dagmar Iber grubundaki araştırmacılar, artık çevreleyen dokunun dışarıdan baskı uygulayarak önemli bir rol oynayabileceğini gösterebildiler.

ETH Profesörü Iber’in işaret ettiği gibi, nöral tüpün oluşumu embriyonik gelişimde son derece önemli bir adımdır. Yaklaşık bin embriyodan birinde bu tüp tam olarak oluşmaz.

Bu çocuklar spina bifida (Latince’den “bölünmüş omurga” anlamına gelen) adı verilen bir spinal malformasyonla doğarlar; aşırı durumlarda, “açık sırt” ile doğarlar (spina bifida açık) bu ameliyat gerektirir.

En azından, bu tür doğum kusurlarını daha iyi önlemek için bilim adamları, nörülasyonu – nöral tüpü oluşturma sürecini – mümkün olduğunca ayrıntılı olarak anlamak istiyorlar.

Iber’in grubundan bir bilim adamı ve araştırmacıların şu anda dergide yayınladığı yeni çalışmanın ortak yazarı Roman Vetter, “Son yıllarda bu soru yoğun araştırmaların odak noktası oldu” diyor. PNAS.

Nöral plakanın ortasındaki ve yanlarındaki lineer bölgelerin özellikle kuvvetli kavisli olduğu bilinmektedir. Bu bölgelere menteşe noktaları denir.

Şimdiye kadar bilim adamları, nöral plakanın hücrelerindeki lokal biyokimyasal sinyallerin bu menteşe noktalarının oluşumuna yol açtığını ve menteşe noktalarının nöral tüpün oluşumunda aktif bir rol oynadığını varsayıyordu. Ancak, menteşe noktalarının neden tam olarak nerede oluştuklarına dair bir açıklama yapılmadı.

Bilgisayar modellemesi yol gösteriyor

ETH araştırmacıları şimdi, nöral plakanın bir tüp oluşturmak için menteşe noktaları tarafından yönlendirilen aktif olarak bükülmediği alternatif bir mekanizma varsayıyorlar. Bunun yerine, nöral plaka başlangıçta anatomik nedenlerle hafif kavisli bir şekil alır.

Daha sonra, nöral plakanın (ektoderm ve mezoderm) her iki yanında bulunan doku genişler. Bu, nöral plakaya yandan basınç uygular ve pasif olarak bir tüp haline gelmesine neden olur.

Araştırmacılar bu bulgulara hesaplamalı modelleme yardımıyla ulaştılar. Araştırmacılar, insan ve fare embriyolarından elde edilen mevcut görüntü verilerini kullanarak, doğanın fiziksel yasalarına dayanan bir bilgisayar nörülasyon modeli oluşturdular.

Daha sonra, nöral tüpü oluşturmak için birkaç olası mekanizmayı simüle etmek için ETH Zürih’te bir süper bilgisayar kullandılar.

Bu, süreçlerin en iyi çevreleyen dokunun genişlemesiyle açıklandığını gösterdi. “Bunu, menteşe noktalarının dış baskının bir sonucu olarak ortaya çıkabileceğini göstermek için kullanıyoruz. Bu yüzden muhtemelen daha önce düşünüldüğü gibi nörülasyonun itici güçleri değil, bunun bir yan etkisi” diyor Iber. Bunun yerine, sürücü çevreleyen doku gibi görünüyor.

Alt sırtta daha fazla mekanizma

Özellikle sırtın üst kısmında nörülasyon, komşu dokunun genişlemesi ile açıklanabilir, çünkü anatomik nedenlerden dolayı nöral plaka zaten hafifçe eğilmiştir. Gelecekte daha aşağılarda, bu ilk eğrilik yoktur; nöral plaka bu alanda düzdür.

ETH bilim adamları modellemeleriyle burada da nörülasyonun dış kuvvetlerle açıklanabileceğini gösterebildiler: protein lifleri ve çapa proteinleri nöral plakayı bir fermuar gibi çekmeye yardımcı oluyor. Bu, nöral plakanın eğilmesine ve bir tüpe kapanmasına neden olur.

Araştırmacılara göre, mekanizmaların üst ve alt sırtta farklı olması, spinal malformasyonların neden tüm sırt boyunca aynı sıklıkta oluşmadığını açıklayabilir. Spina bifida, çevre dokuların daha az destekleyici olduğu alt sırtta daha sık görülür.

Vetter, “Nörülasyondan mekanik etkilerin sorumlu olduğunu gösterebildik ve bilgisayar modellememiz bunu ilk etapta ortaya çıkarmanın anahtarıydı” diyor.

ETH Profesörü Iber, “Bu tür simülasyonlar olmadan yalnızca biyolojik ve genetik deneyleri kullanarak mekanik bir etkiyi göstermek ve anlamak imkansız” diye ekliyor.

Deneysel araştırmacıların artık ETH araştırmacılarının tahminlerini hayvanlar üzerinde deneylerle doğrulamaya çalışması muhtemel.

Amaç, aynı zamanda kusurların nedenlerine bir adım daha yaklaşmak ve dolayısıyla bunların önlenmesidir. Folik asit eksikliğinin yanı sıra diğer eksiklik semptomlarının, omurganın bu malformasyonlarını desteklediği bilinmektedir. Altta yatan mekanizmaları ayrıntılı olarak anlamak için daha fazla araştırmaya ihtiyaç vardır.

Bu beyin gelişimi araştırma haberi hakkında

Soyut

Memeli spinal nörülasyonunda menteşe noktası ortaya çıkması

Nörülasyon, erken omurgalı embriyonik gelişiminde nöral plakanın nöral tüpü oluşturmak üzere katlandığı süreçtir.

Posterior nöropordaki spinal nöral tüp katlanması zamanla değişir, önce bir medyan menteşe noktası, ardından hem medyan menteşe noktası hem de dorsolateral menteşe noktaları ve ardından sadece dorsolateral menteşe noktaları gösterilir.

Memeli nöral tüpündeki menteşe noktası oluşumunun biyomekanik mekanizması tam olarak anlaşılamamıştır.

Burada nöral tüp oluşumunu incelemek için mekanik bir sonlu eleman modeli kullanıyoruz.

Hesaplamalı model, fare ve insan embriyolarından alınan mikroskopi verilerini kullanarak memeli nöral tüpünü taklit eder. Nöral plaka orta hattındaki içsel eğriliğin nöral tüpün katlanmasını sağladığı varsayılırken, simülasyonlarımızda içsel eğrilik tüpün kapanması için yeterli değildi.

Mezoderm genişlemesini, nöral olmayan ektoderm genişlemesini ve notokord’a nöral plaka yapışmasını birleştiren alternatif bir modelle nöral tüp kapatmayı başardık. Düşük mezoderm genişlemesi ve fermuarlama ile simülasyonlarda dorsolateral menteşe noktaları ortaya çıktı.

Fermuarlamanın, nöral plaka yan taraflarının mezodermin üzerine uzandığı ortamlarda dorsolateral menteşe noktası oluşumu için biyomekanik kuvveti sağladığını öneriyoruz.

Birlikte, bu sonuçlar memeli spinal nörülasyonunun biyomekanik ve moleküler mekanizması hakkında bir bakış açısı sağlar.