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

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

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

ส่วนด้านหน้าของชั้นแมนเทิล (แผ่นฐาน) เกิดเป็นพื้นที่สั่งการของไขสันหลัง ขณะที่ส่วนด้านหลัง (แผ่นปีก) เกิดเป็นพื้นที่รับความรู้สึก ระหว่างแผ่นฐานและปีกเป็นชั้นกลาง (intermediate layer) ที่มีเซลล์ประสาทของระบบประสาทอิสระ

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

การย้ายที่ของเซลล์ประสาทเป็นวิธีที่เซลล์ประสาทเคลื่อนจากแหล่งกำเนิดไปตำแหน่งสุดท้าย แบ่งได้หลายวิธี

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 ใยรัศมี (หรือเรียก เกลียรัศมี) สามารถเคลื่อนย้ายไปยังแผ่นเปลือกและเปลี่ยนสภาพเป็นแอสโทรไซต์ (astrocyte) หรือเซลล์ประสาทได้ การเคลื่อนย้ายร่างสามารถเกิดได้ทุกเมื่อระหว่างการเจริญ

เซลล์ประสาทระลอกภัดมาแบ่งพรีเพลต (preplate) โดยการย้ายที่ตามเส้นใยเกลียรัศมีเพื่อเกิดเป็นแผ่นเปลือก เซลล์ที่ย้ายที่แต่ละระลอกเคลื่อนผ่านเซลล์ที่มาก่อนที่ก่อเป็นชั้นในลักษณะในออกนอก หมายความว่า เซลล์ประสาทที่อายุน้อยสุดจะอยู่ใกล้ผิวที่สุด

เซลล์ประสาทจำนวนมากซึ่งย้ายที่ตามแกนหน้า-หลังของกายใช้ลำเส้นใยแกนประสาทเพื่อย้ายที่ตาม ซึ่งเรียก การย้ายที่แอกโซฟิลิก (axophilic migration) ตัวอย่างการย้ายที่วิธีนี้ คือ เซลล์ประสาทที่แสดง GnRH ซึ่งเดินทางจากแหล่งกำเนิดในจมูก ผ่านสมองส่วนหน้า และเข้าสู่ไฮโพทาลามัส (hypothalamus) เกิดหลายกลไกของการย้ายที่นี้ เริ่มจากสิ่งกระตุ้น (cue) ชี้นำนอกเซลล์ซึ่งกระตุ้นการส่งสัญญาณในเซลล์ สัญญาณในเซลล์เหล่านี้ เช่น การส่งสัญญาณแคลเซียม นำสู่พลวัตโครงร่างเซลล์แอ็กติน (actin cytoskeletal dynamics) ซึ่งผลิตแรงของเซลล์อันมีอันตรกิริยากับสิ่งแวดล้อมนอกเซลล์ผ่านโปรตีนยึดติดเซลล์เพื่อให้เกิดการเคลื่อนที่ของเซลล์เหล่านี้

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

นอกจากนี้ยังมีวิธีการย้ายที่ของเซลล์ประสาท เรียก การย้ายที่หลายขั้ว (multipolar migration) ซึ่งพบในเซลล์หลายขั้วที่มีมากในเขตกลางของเปลือกสมอง โดยเซลล์หลายขั้วเหล่านี้แสดงสารส่อ (marker) เซลล์ประสาทและเหยียดส่วนยื่นบางหลายส่วนในหลายทิศทางโดยไม่อาศัยเส้นใยของเกลียรัศมี

การเจริญของประสาทในระบบประสาทของผู้ใหญ่มีกลไกอย่างการสร้างไมอีลินใหม่ (remyelination) การสร้างเซลล์ประสาท เซลล์เกลีย แกนประสาท ไมอีลินหรือจุดประสานประสาทใหม่ การสร้างใหม่ของประสาทแตกต่างระหว่างระบบประสาทนอกส่วนกลางและระบบประสาทส่วนกลาง โดยกลไกการทำหน้าที่และโดยเฉพาะขอบเขตและความเร็ว