신경능선세포와 축삭의 특이성

신경능선

✓신경능선세포는 외배엽에서 기원하며 많은 종류의 분화된 세포를 만들기 위해광범위하게 이동함

✓신경능선의 세포 종류

1. 감각, 교감 및 부교감 신경계의 신경세포와 신경아교세포

2. 부신의 에피네프린(Epinephrine) 생성세포(수질)

3. 표피의 색소 소포

4. 머리를 구성하는 많은 수의 골격과 결합조직 구성요소

신경능선세포의 예정화

✓신경능선세포는 신경관의 등쪽 가까운 부위에서 기원

✓신경판-표피 경계에서 신경능선 예정화

✓ 신경판 가장자리의 위치에서 먼저 예정화가 일어남

1. 신경판 가장자리 예정자(neural plate border specifier) 집단(첫번째 전사인자 집단)인 BMP, Wnt, FGF 등(국소분비인자)이 작용. Distallis-5와 Pax3 같은 인자는 이 부위가 신경판이나 표피가 되는것을 방지

2. 2번째 전사인자 집단인 신경능선 예정자(neural crest specifier)인Foxd3, Sox9, Id, Snail, Twist 등임. Foxd3와 Snail은 신경상피세포가 신경능선 세포로의 분화를 유도하며 Sox9는 분층 후 몸통능선세포의 생존에 필요. Sox10은 신경능선세포의 분층뿐만 아니아 수많은 신경능선 계보의 분화에 필수적 임

✓신경능선의 영역화 : 신경능선은 4개의 주된영역으로 구분(그림 11.2)

1. 머리 신경능선(cranial & cephalic neural crest) 세포: 등쪽 측면으로 이동해 머리얼굴 간충조직을 생성⇒ 연골, 뼈, 뇌 신경세포, 신경아교세포, 연골조직등으로 분화. 인두궁과 인두주머니로 들어가 흉선세포, 치

아원기의 상아질모세포, 중이와 턱의 뼈 등을 형성

2. 심장신경능선(cardiac neural crest) : 귀기원판부터 세번째 체절까지 뻗은 머리신경능선의 소영역. 심장 신경능선세포는 멜라닌세포, 신경, 연골, 3, 4, 6번째 인두궁의 연결조직으로 발생. 심장에서 발생한 대동맥의 모든 근육성 연결조직의벽을 형성. 대동맥에서 폐순환(우심실-좌심방)을

구별하는 사이막 형성에 기여

3. 몸통 신경능선(trunk neural crest) 세포 : 두 가지 경로 중 하나 선택.

초기 이동 경로 ⇒ 뼈분절(sclerotome, 체절에서 유래된 중배엽세포 덩어리로 나중에

등뼈의 척추연골로 분화) 앞쪽을 통해 배쪽(ventral) 측면으로 이동. 뼈분절에 남아있

는 몸통 신경능선세포는 감각신경세포가 포함된 등쪽뿌리 신경절(dorsal root

ganglia)을 형성. 이들 세포가 배쪽으로 이동하여 교감 신경절, 부신수질과 대동맥

을 둘러싸는고 있는 신경다발 형성 두 번째 이동경로를 택하는 신경능선세포는

복부로 이동하여 멜라닌세포(melanocyte) 전구체가 됨

4. 미주와 엉치 신경능선(vagal and sacral neural crest) 세포 : 소화관의 부교감신경절(parasymphathetic ganglia)과 창자신경절(enteric ganglia)로 발생

몸통 신경능선✓몸통 신경능선세포의 이동 경로 : 두 가지 주요 경로를 따라 이동✓초기 : 몸통 신경능선세포는 배쪽 경로(ventral pathway)를 따라 신경관에서 멀

어지고 이들 세포는 감각신경(등쪽뿌리), 교감신경, 부신수질세포, 슈반세포(Schwann cell) 등으로 분화. 새와 포유류는(어류와 양서류 제외)는 이들 세포가 뼈분절의 뒤쪽이 아닌 앞쪽을 통하여 배쪽으로 이동

✓차후 : 나중에 떠나는 몸통 신경능선세포는 등쪽 측면 경로(dorsalateral pathway)를 따라 이동하여 멜라닌을 형성하는 색소세포인 멜라닌세포(meanocyte)로분화 ⇒ 표피와 진피 사이를 거쳐 기저판에 있는 작은 구멍을 통해 외배엽으로 들어감 ⇒ 피부와 모낭 세포들과 군집을 형성

신경능선세포의 다능성

✓신경능선세포는 배아 내의 위치에 따라 여러 종류의 다른 세포로 분화

✓1과 7번 체절에 인접한 미주 신경능선세포에서 형성되는 부교감신경은신경전달물질로 아세틸콜린(Acetylcholine)을 분비하는 콜린성(cholinergic) neuron으로 주로 창자에 분포

✓몸통(가슴) 신경능선세포에서 형성된 교감신경은 노르에피네프린(Norepinephrine)을 분비하는 아드레날린성 neuron

✓신경능선세포의 분화는 기원한 장소 뿐만 아니라 최종적인 위치에 의해결정되기도 함

✓신경능선세포의 최종 분화는 이들이 이동한 곳의 환경에 의해 결정(그림 11-8)

✓뇌 신경능선세포와 몸통 신경능선세포 모두 멜라닌세포, 신경세포, 신경아교세포등을 생성할 수 있으나 뇌 신경능선세포 만 연골과 뼈를 생성할 수 있음

머리 신경능선

✓ 머리는 머리 신경능선에서 분화되며 턱, 치아, 얼굴연골 등의 진화는 신경능선세포의 분포 변화를 통해 발생

✓머리신경능선은 색소세포, 아교세포, 말초신경뉴런, 뼈, 연골, 결합조직 등을 생성

✓머리 신경능선세포는 3가지 주요 경로 중 하나를 선택1. 1과 2번 능형분절의 신경능선세포는 첫 번째 인두궁(아래턱궁)으로 이동하여귀의 모루뼈, 망치뼈, 아래턱을 형성. 치아와 턱에 분포하는 3차신경(trigerminal)의 신경절로 분화하고 눈의 섬모체에 분포할 섬모신경절이 됨. 신경능선세포는표피의 확장으로 끌려와 이마코돌기(frontonasal, 얼굴의 뼈를 발생)을 형성(그림 10-10)

2. 4번 능형분절의 신경능선세포는 두 번째 인두궁에 모여 중이의 등자뼈와 목의목뿔뼈 연골을 형성

3. 6∼8번 능형분절의 신경능선세포는 3번째와 4번째 인두궁과 인두주머니로 이동하며 흉선, 부갑상선, 갑상선 등의 연골을 형성. 일부는 꼬리쪽 빗장뼈로 이동하여 특정 목근육을 형성

막내 골화

✓ 연골속골화(endochrondral ossification) : 간충직이 연골이되고 이후 연골이 뼈로 대치됨

✓ 막내 골화(intramembranous ossification) : 뼈 형성에 있어 간충직이 직접 뼈를 형성하는

방식(그림 11.13).✓ 중배엽과 외배엽 간충직이 막내골화를 거쳐 얼굴과 머리뼈(두개골)을 형성함✓머리 신경능선세포의 일부는 막내 골화(intramembranous ossification)를 통해 뼈를 생성✓머리 신경능선세포에서 유래된 간충조직세포는 증식하여 뼈모세포(osteoblast)가 됨✓뼈모세포는 칼슘과 결합할 수 있는 골성기질(osteoid matrix)을 분비✓석회화된 기질에 묻힌 뼈모세포는 뼈세포(osteocyte)가 됨✓뼈 침골은 골화가 시작된 부위에서 방사상으로 펴져 나감✓간충조직세포가 골막(periosteum)을 형성하여 침골을 둘러 쌈✓여러층의 뼈가 형성

✓막내골화경로는 머리신경능선세포가 머리표피에서 나오는 BMP 영향을 받아 응집하기 시작하며 높은 농도의 BMP는 연골이되도록 유도고 낮은 농도의 BMP는Runx2전사인자와 골라켄Ⅱ와 Ⅸ의 mRNA를 발현하여 초기 뼈모세포를 유도함(그림 11.14)

✓척추동물의 두개골(머리뼈)은 뇌머리뼈(neurocranium, 두개골의 천장과 바닥. 두개골의 뒤편은 뇌 신경능선과 중배엽에서 유래한 뼈의 조합으로 형성)과 얼굴머리뼈(viscerocranium, 턱과 다른 인두궁의 유도체. 뇌 신경능선세포의 분열 속도와방향이 얼굴의 형태를 결정하며 이는 뇌 신경능선세포 성장의 변이는 유전적임)로구성

치아의 형성✓첫 번째 인두궁의 뇌 신경능선세포는 턱 상피 바깥쪽으로 이동하여 치아 내부

의 상아질모세포(odontoblast)을 형성✓치아의 신호 중심은 신경능선세포에 의해 상피에서 유도된 세포집단인 에나멜

결절(enamel knot, Shh(Sonic hedgehog), BMP, FGF4를 포함하는 국소분비인자 혼합체를 분비, Shh와 FGF4는 치아돌기를 형성할 세포를 증식시키고BMP는 새로운 에나멜 결절의 형성을 억제)

심장 신경능선✓심장은 신경능선에서 나오는 세포가 처음에 인두궁 바로 아래 목 부분에서 형성✓머리 신경능선의 꼬리 부분을 심장 신경능선이라고 하며 이들 세포가 대동맥과

폐동맥 사이에 있는 사이막과 대동맥궁 동맥의 내피 형성(그림 11,17)✓심장 신경능선세포는 흉선, 갑상선, 부갑상선 등의 형성에 관여

뇌 기원판

✓상피와 신경 외배엽 사이의 앞쪽 경계는 머리와 목에서 외배엽 일부가 뇌 기원판(cranial placode)을 형성

✓뇌기원판은 신경형성 능력을 가지고 있어 소리, 평형, 맛, 냄새 등과 연관된 신경절의 말단 부위를 형성하는 neuron으로 발생(그림 10.16)

✓뇌 기원판은 인두 내배엽과 머리 중배엽의 상호작용으로 생성

✓앞쪽 신경관과 인접한 초기기원판 세포는 아무 기원판이 될 수 있음

✓후각기원판(olfactory placode) : 냄새에 관여하는 감각뉴런 뿐만 아니라 뇌 속으로 이동할 이동성 neuron과 생식소자극호르몬방출호르몬(GnRH)을 분비하는neuron 생성

✓귀 기원판(otic placode) : 귀의 감각세포와 달팽이관, 속귀 신경절을 형성하는neuron으로 발생

✓수정체 기원판 : neuron을 형성하지 않음

✓바깥아가미 기원판(epibranchial placode) : 인두주머니가 표피와 접촉하는 곳의등쪽에 형성. 바깥아가미 기원판 구조가 갈라져 무릎 신경절, 바위(이석), 미각등의 기원판을 형성하고 각각 얼굴, 혀인두, 미주신경 등의 neuron을 생성

신경세포의 예정화와 축삭의 특이성

✓신경세포는 세포체에서 축삭이 수 미터까지 뻗어 나갈 수 있음

✓사람의 뇌에는 1011개 신경세포가 있고 이들 각각의 세포는 수천 개의 다른 신경세포와 상호작용을 할 수 있으며 조롱박세포와 운동뉴런은 105개 이상의 다른neuron으로부터 정보를 받을 수 있음

✓신경형성 8단계(Goodman and Doe, 1993)1. neuron 형성(신경형성) 부위의 유도와 형태화2. neuron(신경세포)과 신경아교세포의 탄생과 이동3. 세포의 운명 결정4. 특정 표적으로 축삭 성장원추의 안내5. 시냅스(Synapse, 신경연접) 연결의 형성6. 생존과 분화를 위한 자극인자의 결합7. 기능적인 Synapse의 경쟁적 재배열8. 평생 지속되는 Synapse의 가소성

신경 분포 후 선택적인 생존 : 뉴로트로핀

✓척추동물의 충추신경계와 말초신경계 neuron의 절반 이상은 정상적인 발생과정에서 죽으며 종에 따라 차이가 있음

✓Neuron의 자살은 표적 조직이 뉴로트로핀(Neurotrophin, 향신경성 인자, 신경영양인자)의 공급을 제한하여 분포할 축삭의 수를 조절

✓성인은 뉴로트로핀이 끊임없이 분비되어 이들 인자의 결핍은 병을 초래

✓BDNF(Brain-derived neurotrophic factor, 뉴로트로핀의 일종)는 줄무늬체(striatum, 운동, 균형, 걷기 등 조화된 근육활동의 강도를 조절하는 것과 관련된뇌 부위)에서 특정 neuron의 생존에 필요하며 동시에 이들 neuron의 분화와 도파민 수용체를 합성 ⇒ BDNF가 결핍되면 줄무늬체 neuron이 죽으며 헌팅턴병(Huntington disease, 무의식적 근육운동)이 발생

✓GDNF(glial cell line-derived neurotrophic factor, 뉴로트로핀의 일종)는 중뇌의 도파민성 neuron의 생존을 향상시킴 ⇒ GDNF가 결핍되면 도파민성 neuron이 파괴되고 파키슨병(Parkinson disease)이 발생

행동의 발달 : 항상성과 가소성

✓행동의 항상성 : 복잡한 행동양식이 태어날 때 뇌의 회로에 이미 내재되어 있는 경우가 있음

✓닭 배아의 심장 박동은 고통스러운 소리를 들을 때 빨라짐

✓ 갓 부화된 병아리는 매의 그림자가 나타나면 즉시 숨을 곳을 찾음(유사 그림자도동일)

✓척추동물은 고유한(hardwired) 반응을 일으키는 어떤 neuron의 연결이 존재하는것으로 추정됨

✓신경가소성(neural plasticity) : 신경계는 매우 유연하여 원래의 neuron의 연결이새로운 경험으로 변형될 수 있고 새로운 neuron을 만들거나 기존의 신경세포 사이에 새로운 Synapse의 형성을 유도 할 수 있음

✓인간의 뇌는 태어난 후 고정된 것이 아니라 발생을 계속함

✓새와 포유류 성체에서 새로운 경험은 새로운 신경세포의 세대를 이끌어 냄

✓신경계는 성체에서도 발생을 계속하며 신경세포의 연결 형태는 물려받은 형태와경험에 의해 생성된 형태가 합쳐진 것임