Psicobiologia dello sviluppo

Psicobiologia dello sviluppo

Prove in itinere. 4 aperte (0 2) e 8 chiuse con giustificazioni (-0,25 1)

04/10

2 tappe nello sviluppo del cervello prima della nascita

• Formazione delle aree = abbozzo cervello; tubo neurale > regioni > neurogenesi > migrazione > differenziazione e morte cellulare.
• Formazione dei circuiti = sinaptogenesi e mielinizzazione.

Entrambe conosciute in maniera superficiale.

3 tappa

• Maturazione dei circuiti = post nascita.

Neurulazione e formazione del sistema nervoso

La neurulazione è un processo parte dell'organogenesi che porta, a partire dall'ectoderma, per induzione da parte della corda dorsale e del mesoderma paracordale, alla differenziazione del sistema nervoso nell'embrione.

Cellula uovo diventa blastula (con strato che si divide) > archenteron (gastrula) > pluripotente (con specificazione).

Come evolve un embrione

Cellula uovo fecondata = cellula staminale totipotente = cellula con capacità di creare tutti i tessuti.

I primi stadi dello sviluppo come moltiplicazione delle cellule primitive, staminali, senza specificazione > cellule non differenziate e la prima cosa che deve fare un embrione è creare cellule > che succede nei primi stadi (in strutture la cui parete è formata da strati di cellule che si dividono > cambiano forma via via blastula) > gastrula (archenteron).

Gastrula e blastula = dalle cellule staminali duodenti = gastrula pluripotenti.

• Totipotenti = cellula diventa qualsiasi cosa.
• Multipotente = diventa meno cose.
• Unipotente = diventa una sola cellula (precursore).

Cellule verdi = cresta neurale e SNP.

Se si analizza l’embrione a questa fase è formato da 3 tipi di cellule (staminali > ma non uguali alla cellula uovo perché hanno perso la capacità di dividere e diventare altro. Si capisce quali tessuti si formeranno già dallo strato in cui si trova):

• Ectoderma.
• Mesoderma.
• Endoderma.

Ectoderma = dà origine al sistema nervoso e alla pelle. C’è una parte, al centro, che si differenzia e diventa placca neurale > regione con cellule diverse dall’ectoderma circostante > primo abbozzo del sistema nervoso che avrà destino diverso.

La placca neurale diventa solco neurale e poi diventa un tubo neurale > prima struttura del SNC.

Le cellule verdi sono della cresta neurale.

Il tubo neurale ha porzione craniale (da dove viene fuori la testa; sopra) e caudale (dietro); il craniale va verso l’alto e poi si piega verso davanti (asse inclinato nell’uomo). Il tubo ha 3 vescicole all’inizio e poi diventano 5 e supportano il:

• Prosencefalo > che diventa telencefalo, diencefalo.
• Mesencefalo > mesencefalo.
• Romboencefalo > metencefalo, mielencefalo.

Poi 5:

• Telencefalo = telencefalo e cortecce.
• Diencefalo = talamo e ipotalamo.
• Mesencefalo = mesencefalo.
• Metencefalo = al ponte e al cervelletto.
• Mielencefalo = midollo allungato.

Già a inizi ’900 si poteva vedere questa cosa. Com’è possibile che da cellule uniformi venga fuori roba strutturata?

Esperimento di Mangold e Spemann

Cosa conduce l’ectoderma nell’embrione a diventare SNC? Esperimento con embrione di salamandra (Mangold, Spemann, 1924) = trapianto del labbro del blastoporo dorsale che darà origine al mesoderma e al tubo neurale (il blastoporo è un buco. Nei deuterostomi la prima cosa che si forma e il primo foro che si forma e sostanzialmente è l’ano e lì avvengono tutti i cambiamenti della cellula) per impiantarlo in una zona ectopica (organo situato in sede diversa > zona in cui teoricamente doveva diventare pelle) dell’embrione > si vedono due placche neurali che poi si chiudono e diventano due SNC diversi; quindi, si crea una salamandra con due teste.

La seconda testa di chi è? Si vede con due animali diversi (pollo e quaglia) > del ricevente perché si tratta di una questione di induzione di formazione del tubo neurale; non è il mesoderma che fa crescere la testa. (Due sistemi di pollo ma non fanno lo stesso individuo ma con stesso genoma). Nella zona c’era un centro di organizzazione nell’embrione chiamato organizzatore di Spemann che di per sé non forma il SN ma dice alle cellule vicine di farlo. Trapiantano una parte del cervello nell’embrione e gli dice di fare il SNC lì, in un certo punto.

Si induce quindi la formazione del tubo neurale > pollo con 2 teste grazie all’organizzatore di Spemann. Organizzatore/induzione da parte della quaglia.

Esperimento animal cap

Prendo ectoderma e lo faccio crescere in coltura = senza neuroni ma solo epidermide > e quindi da dove vengono i neuroni?

E allora metto ectoderma in coltura ma in maniera dissociata (le cellule non possono parlarsi) = solo neuroni. Le cellule assieme allora si dicono qualcosa e lo fanno con le molecole diffusibili (producono e diffondono in maniera passiva. Non possono parlare con 1 cellula e non un’altra ma diffondono fattori extracellularmente).

Il fato di default dell’ectoderma è diventare neurone ma dato che le cellule crescono assieme, si inibiscono e fato neurale, si dicono tra di loro “te devi diventare pelle” e si è visto che le cellule dissociate potevano differenziarsi in neuroni > se noi abbiamo una cellula da sola dell’ecto e la mettiamo in coltura, diventa un neurone; se invece c’è BMP4 (proteina della cellula dell’ectoderma), diventa una cellula dell’epidermide.

Sotto la placca neurale c’è zona diversa di mesoderma = notocorda > produce fattori che inibiscono l’azione del BMP4. Le cellule sono adese nell’ectoderma e tra loro si inibiscono il fato neuronale > in una zona con la placca neurale, sotto c’è la notocorda e la notocorda a un certo punto inizia a produrre dei fattori: la cordina e il noggin; e questa è l’interazione tra il BMP4 di una cellula e il recettore del BMP4 di un’altra cellula.

Quello che si vede qua è che il BMP4 interagisce con il recettore che inibisce il fato neuronale; l’organizzatore della notocorda produce le seguenti proteine: noggin, follistatina e SHH e va ad inibire l’interazione tra BMP4 e il suo recettore > nel punto in cui c’è notocorda, le cellule dell’ectoderma che si trovano sopra vengono inibite a differenziarsi in epidermide.

La notocorda non fa parlare le cellule tra loro con il BMP4 e quelli sopra la notocorda diventano neuroni e quelli sotto diventano pelle.

Da un lato c’è la parte dell’ectoderma che diventa epidermide che produce BMP4 e sotto la notocorda che produce SHH e le altre 2 e altra roba. A questo stadio succede che ci sono zone con tanto di quelle molecole e poche di altre e altre zone in cui succede il contrario. La parte dorsale del tubo neurale dove c’è l’ectoderma che produce BMP4, le cellule diventano pelle (BMP e WNT c’è) e sotto, ventralmente si trova SHH. Il motivo della produzione di questa roba da parte delle cellule è che è utile per le cellule per capire dove sono. Nel caso del tubo neurale, qua è solo cellule tutte uguali, quindi serve qualcosa alle cellule per capire dove sono e per capire cosa diventare.

Midollo spinale e gradienti molecolari

Midollo spinale es. = ogni porzione del midollo spinale deve fare cose diverse e la parte dorsale e ventrale fanno cose diverse: una motoria e una sensoriale e le cellule devono saperlo. Si devono identificare da un punto di vista molecolare e quello che succede qua è la presenza di gradienti molecolari che danno alle cellule la capacità di capire dove sono da un punto di vista posizionale dorsoventrale.

Il tubo neuronale si è chiuso e sopra troviamo l’epidermide e il roof plate che producono BMP e Wnt e sotto troviamo il floor plate che produce SHH e qui si vedono bene i gradienti. Parte sopra con tanta BMP4 e parte sotto con tanta SHH. Questo per spiegare che esistono i gradienti per far capire alle cellule dove sono > promuove la regionalizzazione del sistema nervoso. Migrazioni che seguono gradienti BMP4.

Es. ippocampo e nuclei della base distinti grazie ai gradienti.

Si formano 2 gradienti molecolari di SHH e BMP e c’è il manifesto del perché sono importanti. Es. con sezione del midollo spinale matura > da un lato c’è la parte ventrale (motori) e dall’altro i neuroni sensoriali e con tutta una serie di cellule omogenee/eterogenee e si devono differenziare e specificare e infatti la cosa complessa dell’organismo a questa età sono meccanismi di specificazione cellulare, presenti in tutti i tessuti, ma complessi nel SNC dove ogni tessuto è specifico e con tante cellule e ogni parte del SNC è formato da svariate cellule che in genere sono abbastanza specializzate di quel luogo lì e magari non possono avvenire cose generiche.

Es. del come i gradienti effettuano differenziamento da un punto di vista cellulare > nella parte in alto si vede come è formata la circuiteria di una parte del midollo spinale, si vede che i verdini sono i motoneuroni e poi V1 e V2 sono circuiterie di tipo inibitorio e siccome hanno una posizione diversa dal punto di vista ventrodorsale si è pensato fosse dovuto a diverse esposizioni dell’SHH e quindi questo esperimento fatto in vitro, si coltivano le cellule in vitro e si sono modulati i livelli di SHH > quello che succede è che sulla X sta la quantità di SHH e Y ci dice a cosa corrisponde e qui dice che se vado a fare questo esperimento ed espongo le cellule a una certa quantità di SHH, trovo tipi e linee di neuroni diversi. L’SHH controlla l’identità cellulare del tubo neurale ventrale; mentre l’identità dorsale è controllata dal BMP.

Ogni quantità è specifica per un tipo di neurone e qui si vede come funziona. Da sapere è perché una molecola all’esterno può influenzare il fato di un neurone. Se c’è molecola esterna, la cellula può interagirci oppure no > si basa sulla competenza che ha la cellula di interagire con quel tipo di molecole, ovvero, la cellula produce recettore che interagisce con quella sostanza > se sì il recettore provoca qualcosa, quando si attiva provoca cascata molecolare che fa roba complessa ma che a questo stadio influenza l’espressione genica > tutte le cellule del nostro corpo hanno le stesse istruzioni > se noi prendiamo una cellula dei nostri capelli e una cellula del nostro fegato o ecc, hanno sempre lo stesso codice dentro; ma com’è possibile? Chi glielo dice se le cellule dentro sono uguali?

Glielo dicono questi giochi qui e succede l’epigenetica (si occupa dei cambiamenti di caratteristiche morfologiche e funzionali di un organismo,) che modella l’espressione genica, cioè il fenotipo ereditabili da una cellula o un organismo ovvero essere esposti a un certo quantitativo di una molecola fa in modo tale che la cellula cambi il proprio assetto di espressione genica da un lato e dall’altro.

L’assetto dell’espressione genica è complesso e diventa comprensibile nell’ultimo secolo con scienza detta omica che studia tutti i geni insieme. L’interazione di una cellula con un certo ambiente molecolare cambia l’espressione genica del suo destino dal punto di vista differenziativo con esempi del recettore; questo invece ci dà una seconda funzione della presenza del gradiente molecolare che vedremo meglio nella sinaptogenesi > il fatto che la presenza di gradienti fa in modo tale da indirizzare le cellule alla propria destinazione finale > molti elementi del SNC non nascono dove poi stanno in adulto e ci sono cellule che nascono in posti assurdi e poi arrivano alla destinazione finale > ci sono cellule inibitori a livello del roof plate e poi migrano seguendo il gradiente > uno dei mezzi con cui una cellula o circuito trova la sua strada e qua si vede sempre la stessa cosa.

Es. cascata di eventi molecolari e poi arriva un disegno con la stanga che è il DNA e sopra le palline (fattori di trascrizione) che in base a quali vengono attivati, espressi, determinano l’entità della cellula stessa.

Il gradiente non permette di creare aree distinte > con solo i gradienti avremmo aree che sfumano una nell’altra perché non ci sono punti di rottura e quindi = com’è possibile che esistono nel cervello aree o dei punti distinti, di formazione o di piccoli nuclei? (a livello sottocorticale)

Geni Hox e regionalizzazione

Uno dei primi suggerimenti proviene dallo studio dei moscerini della frutta > si fanno tanti esperimenti su di loro perché vivono brevemente, si conosce il loro genoma.

Per quanto riguarda la regionalizzazione sono stati trovati dei geni interessanti = i geni Hox > nella mosca decidono il fato delle cellule dei segmenti del corpo della mosca stessa > questo gene dice alle cellule come e dove formare la proboscide ecc. > questi geni hanno un ordine particolare > il codice colore segue l’ordine sul corpo della mosca e ha portato a vari esperimenti > se io tolgo questo gene, una parte della testa non cresce ed è proprio il gene che si occupa di quella parte lì.

• Ma se io prendo un x gene e lo duplico, crescono due ali vicine tra loro.
• Se lo inverto, si invertono le parti del corpo.

I geni di hox su 4 cromosomi diversi nel topo mentre nella mosca su un segmento solo.

I geni conservati filogeneticamente, sotto l’aspetto e hanno funzione anche nei mammiferi > nei mammiferi non dicono dov’è il braccio ecc ma istruiscono la segmentazione nell’asse anteroposteriore (divisione dell’asse in tante aree), soprattutto dal rombencefalo in giù e qua c’è sempre un codice colore e se si fa questo gioco succede la stessa cosa che si fa nella mosca.

È più difficile isolare i fattori anteroposteriori > esiste l’acido retinoico più espresso posteriormente e meno davanti e quando si va poi davanti è molto difficile isolare un solo fattore molecolare > uno identificato è FGF e si è scoperto che antero-posteriormente l’acido retinoico è più presente caudalmente ma quello che si vede è che le varie concentrazioni di acido retinoico e di altre molecole fanno in modo da far produrre a diverse zone del rombencefalo, diverse combinazioni del gene di hox.

I segmenti dentro si chiamano:

Rombomeri (zone del rombencefalo nel cervello prematuro > poi funzionali in adulto) = si vede che ogni rombomero contiene combinazioni diversi dell’espressione del gene di Hox > fa sì che si specifichi la posizione da un punto di vista anteroposteriore. Con tanto acido retinoico si produce qualcosa, se ce n’è poco, nulla. (esperimenti su topi)

Ogni rombomero forma porzioni diverse del tronco encefalo > nel tronco encefalo ci sono zone da dove escono i nervi cranici (e non da zone a caso) > una cellula capisce di essere una cellula del nervo facciale se produce una combinazione precisa del gene di Hox (es. cosa succede nel topo wild type e mutanti (con quel gene e genoma uguale)).

I topi mutati sono topi a cui vengono mutati o tolti alcuni geni.

Wild type = con motoneurone trigeminale che si forma nel rombomero 2 e poi il motoneurone facciale nel 4 con Hoxb-1.

Mutato senza Hoxb-1 = r2 e r4 diventano uguali, si uniscono e formano un altro nervo facciale.

Ogni rombomero è l’espressione della combinazione dei geni hox > se io tolgo un gene Hox, le popolazioni di cellule nel rombomero pensano di essere più avanti e generano un altro nervo facciale > una funzione dei geni provata.

Istmo, mesencefalo e metencefalo

Istmo (nel mesencefalo) = zona organizzatrice di produzione di vari fattori tra cui WNT-1 (ponte e cervelletto) e FGF8. Permette maturazione del mesencefalo.

Il gradiente rostrocaudale di En regola lo sviluppo citoarchitettonico e le connessioni del mesencefalo. Si crea animale che non ha wnt1 e non si formano nell’animale mesencefalo (istmo) e il metencefalo non si forma > ponte, cervelletto e dal mielencefalo si va diretti al diencefalo. Lo stesso accade se manca En.

Queste mutazioni non compatibile con la vita. Non esistono persone senza ponte. Il ponte controlla battito, respiro.

Corteccia di topo

Corteccia (di topo):

I fattori più rinomati: FGF; la famiglia dei BMP è wnt; in questo caso il BMP fa cose diverse perché non è la molecola che specifica la funzione ma è il recettore prodotto dalla cellula > se una cellula produce un x recettore si ha un y effetto e via così. Es. gradiente tra FGF e BMP > FGF anteriore e BMP posteriore in corteccia.

La corteccia è una porzione di tessuto che sembra tutto uguale > distesa omogenea di cellule ma non lo è perché magari ci sono zone con specificazione funzionale > in tutti quei neuroni ordinati a strati, ci sono zone che fanno una cosa e altro e sono precisi > specificazione funzionale della corteccia e ogni colore è una corteccia primaria (es. occipitale con visiva, uditiva ecc). Queste zone non hanno un’identità dal punto di vista citoarchitettonico, le aree sono simili per le cellule dentro ma fanno cose diverse eccetto per la corteccia somatosensoriale. Queste zone hanno struttura simile ma hanno un ruolo distinto.

Come hanno provato che i gradienti specificano la posizione di una zona è stato con:

Impianto in zone ectopiche di un determinato fattore > es. animale che esprime meglio FGF > ne ha molto. Nel wild type, l’area somatosensoriale si va a trovare in x zona e 1) +FGF8 = se aumentiamo FGF8 andiamo a trovare in adulto aree più posteriori perché le cellule che stanno in zone dove c’è la somatosensoriale hanno più FGF e gli fa credere di essere più anteriori e 2) se noi prendiamo FGF lo impiantiamo ectopicamente nell’altro lato: la zona ectopica di FGF, con zona BMP si sposta e si formano due aree somatosensoriali specchiate e il cervello non capisce perché pensa che qualcosa sia avanti e altro posteriore.

FGF8 caudalmente =

1) Studio geni con gradienti opposti Emx2 (posteriori) e PAX6 (anteriori) > studio per gradienti FGF e BMP.

Emx2 = assente su entrambi gli alleli > il cervell