L'étude du développement embryonnaire et fœtal a connu une véritable révolution ces dernières années, grâce au développement de multiples techniques permettant de poser des questions fondamentales et de mieux comprendre les mécanismes sous-jacents à ces processus. Cet article se concentre sur le développement de la partie rostrale et ventrale de l'embryon, en explorant les processus de neurulation, la formation des muscles striés squelettiques, le développement du système nerveux périphérique et la morphogenèse de l'œil.
Introduction
Le développement embryonnaire est un processus complexe et finement orchestré qui transforme une simple cellule fécondée en un organisme multicellulaire complexe. Ce processus implique une série d'événements morphogénétiques, de différenciation cellulaire et de signalisation moléculaire. Comprendre ces mécanismes est crucial pour comprendre non seulement le développement normal, mais aussi les causes des malformations congénitales.
Neurulation Primaire: Formation du Tube Neural
La neurulation primaire est un processus morphogénétique clé qui transforme la plaque neurale, issue de l'induction neurale, en un tube neural. Ce processus n'est pas uniforme tout au long de l'axe antéropostérieur et présente des variantes morphologiques selon les régions. La neurulation primaire est décrite ici dans son aspect le plus simple. Ce temps morphogénétique rend compte de la déformation de la plaque neurale qui est initialement sous la forme d'un disque et qui se déforme pour prendre un aspect ovoïde (le grand axe est antéropostérieur, c'est-à-dire céphalocaudal ; le petit axe médiolatéral). Ce façonnage est aussi connu sous le terme générique de convergence - extension (convergence vers la ligne médiane et extension antéropostérieure).
Convergence-Extension et Façonnage de la Plaque Neurale
Ce temps morphogénétique rend compte de la déformation de la plaque neurale qui est initialement sous la forme d'un disque et qui se déforme pour prendre un aspect ovoïde (le grand axe est antéropostérieur, c'est-à-dire céphalocaudal ; le petit axe médiolatéral). Ce façonnage est aussi connu sous le terme générique de convergence - extension (convergence vers la ligne médiane et extension antéropostérieure). À l'issue de cette phase, le neurectoderme apparaît épaissi et prend le nom de plaque neurale. Le moteur de ce mouvement morphogénétique réside dans les changements de forme des cellules du neurectoderme, dans les mouvements d'intercalation cellulaire ainsi que dans la directionnalité des mitoses. Tout ceci est dicté par la voie Wnt comme pour tous les cas de convergence - extension au cours du développement. Une perturbation génétique de cette voie conduit à un défaut de fermeture du tube neural chez la souris.
Étapes de la Fermeture du Tube Neural
Le premier signe de cette phase morphogénétique est l'apparition d'un sillon médian au niveau de la plaque neurale. Puis, cette plaque se replie lors de la formation de charnières, la première qui se forme est la charnière médiane située dorsalement par rapport à la notochorde. La plaque repliée prend alors le nom de gouttière neurale. Puis, deux autres charnières se mettent en place dans les régions dorsolatérales. Ceci conduit les régions les plus latérales de la plaque neurale à se rapprocher de la ligne médiane dorsale. Ces régions latérales portent alors le nom de bourrelets neuraux. La plicature conduit au rapprochement des bords latéraux de l'ensemble plaque neurale - ectoderme de surface. À ce stade de développement, ces deux tissus sont fortement adhérents entre eux. Avec le rapprochement sur la ligne médiane dorsale, les deux régions latérales entrent en contact et les tissus homologues fusionnent : le neurectoderme (respectivement l'ectoderme de surface) avec son contingent controlatéral. Ainsi se forme le tube neural recouvert par l'ectoderme de surface.
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Implications Cliniques des Anomalies de Neurulation
Les anomalies de la neurulation primaire entraînent un défaut de fermeture du tube neural qui reste alors exposé à la surface. Si ce défaut touche l'extrémité céphalique, il porte le nom d'anencéphalie; s'il intéresse la moelle spinale, il se nomme myéloméningocèle; enfin le craniorachischisis, très rare, touche l'ensemble de l'axe nerveux. Il est important de constater que les deux lignes médianes du tube neural (en position ventrale et dorsale) n'ont pas du tout la même signification morphogénétique. Ceci suggère que la régulation de leur mise en place est différente et invite à une très grande prudence dans l'utilisation du terme « pathologies de la ligne médiane » pour rendre compte de toutes les malformations siégeant à ce niveau.
Développement des Muscles Striés Squelettiques
Les cellules musculaires striées squelettiques dérivent du mésoderme mis en place lors de la gastrulation. Rappelons que ce feuillet provient de la ligne primitive, les cellules épithéliales de cette ligne perdent leur caractère épithélial pour devenir mésenchymateuses (transition épithéliomésenchymateuse) et migrent entre ectoderme et endoderme. Elles forment alors le troisième feuillet ou mésoderme.
Origine et Différenciation des Cellules Musculaires
Selon sa position dans l'axe médiolatéral, le mésoderme se dispose en plusieurs domaines. Les muscles striés squelettiques dérivent essentiellement du domaine para-axial (situé de part et d'autre de la notochorde). L'origine des cellules musculaires striées squelettiques de la tête et de la région ventrale du cou diffère de celle des autres cellules. Le mésoderme para-axial issu de la ligne primitive se met en place selon un gradient rostrocaudal (les cellules les plus caudales s'ajoutent à l'extrémité déjà formée selon le mode de croissance appelé accrétion). Il forme alors le mésoderme présomitique dont l'extrémité rostrale se condense pour former un cube ou somite.
Formation des Somites et Myotomes
Cette structure mésodermique est constituée par un mur épithélial entourant un cœur mésenchymateux. Le somite subit l'action polarisatrice des tissus environnants et donne naissance au sclérotome ventral et au dermomyotome dorsal, ce dernier se divisant en dermatome situé sous l'ectoderme de surface et en myotome intermédiaire. Les cellules musculaires striées squelettiques du corps proviennent du myotome à l'exception des muscles sterno-cléido-mastoïdien et trapèze dont les cellules musculaires proviennent des lames latérales cervicales.
Maturation des Cellules Musculaires
Les myotomes génèrent des cellules mononucléées (les myoblastes) qui migrent pour atteindre leur lieu définitif de différenciation. Là, ils subissent une maturation caractérisée par leur fusion générant des myotubes (dont les noyaux occupent une position encore centrale). La maturation terminale conduit au déplacement des noyaux en périphérie et à la maturation de la jonction entre le motoneurone périphérique et le muscle (jonction neuromusculaire).
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Distinction entre Muscles Axiaux et Latéroventraux
Il convient de distinguer les muscles axiaux (ou domaine épaxial), dont les cellules musculaires proviennent du myotome médian (au contact du tube neural), et les muscles latéroventraux (y compris les muscles des membres) (ou domaine hypaxial), dont les cellules musculaires proviennent des myotomes latéraux. Par ailleurs, les tendons et les cellules conjonctives du muscle strié squelettique n'ont pas la même origine que les cellules musculaires. Enfin, la forme du muscle dépend non pas de l'origine des cellules musculaires striées squelettiques mais de celle des cellules conjonctives.
Développement du Système Nerveux Périphérique (SNP)
Le système nerveux périphérique est défini anatomiquement et histologiquement par les structures situées en dehors des centres nerveux. Il convient de séparer les neurones périphériques de projection (motoneurones périphériques et neurones végétatifs spinaux) et les cellules des ganglions périphériques (ganglions de la racine dorsale, ganglions végétatifs).
Origine des Neurones Périphériques
Les motoneurones périphériques, comme les neurones végétatifs de projection issus de la moelle spinale, naissent dans le tube neural. Leurs axones grandissent et quittent le tube, ils forment alors la racine ventrale des nerfs spinaux. Ces axones ne peuvent migrer qu'au niveau du sclérotome issu de l'hémisomite rostral. Le sclérotome issu de l'hémisomite caudal est imperméable pour la croissance des axones. De ce fait, les neurones de projection du système nerveux périphérique, même s'ils sont produits tout au long de l'axe antéropostérieur, forment des racines distinctes séparées les unes des autres.
Rôle de l'Environnement Somitique et de la Matrice Extracellulaire
La segmentation des racines est donc imposée par l'environnement somitique. Au-delà du sclérotome rostral, les axones grandissent en suivant les voies de migration déterminées par la matrice extracellulaire. Ainsi, la forme des plexus nerveux issus des racines dépend de cette matrice générée par le mésoderme somatopleural. De ce fait, la morphologie générale du SNP spinal dépend des tissus non neuraux qui permettent la pousse axonale. Les variations anatomiques des plexus et des nerfs (ex : anastomoses) s'expliquent donc par la propriété de l'environnement et non des axones nerveux.
Formation des Ganglions du SNP
Les ganglions du SNP sont générés par des cellules issues du toit du tube neural. Ce toit subit une transformation radicale: certaines de ses cellules s'engagent dans un processus de transition épithéliomésenchymateuse (elles perdent leur caractère épithélial pour devenir mésenchymateuses et elles s'individualisent isolément entre l'ectoderme de surface et le tube neural). Elles peuvent migrer selon trois voies: la voie sous-ectodermique (1) permet la migration des mélanocytes, la voie somitique (2) conduit les cellules à s'agréger pour former le ganglion de la racine dorsale, et la voie ventrale (3) permet la migration des neurones végétatifs. La situation est de loin plus complexe en ce qui concerne les nerfs crâniens.
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Rôle de la Crête Neurale Céphalique
La crête neurale des régions crâniennes est une structure qui participe non seulement à la genèse du SNP mais aussi à la genèse d'une partie du squelette de la face et de la région ventrale du cou. De plus, le SNP de ces régions ne dérive pas exclusivement de la crête neurale contrairement au SNP spinal. En effet, certains neurones ou cellules de soutien de ganglions des nerfs crâniens sont produits à partir d'épaississements de l'ectoderme de surface, dénommés placodes. Par exemple, la placode otique génère, entre autres dérivés, les neurones des ganglions auditifs et vestibulaires de la VIIIe paire de nerfs crâniens.
Interactions entre le Système Nerveux Central et la Crête Neurale
Les CCNC qui n’expriment pas de gène Hox sont en interaction avec le système nerveux central en développement. Cette interaction a été mise en évidence par l’ablation bilatérale des CCNC ce qui génère l’absence du massif facial ainsi qu’une malformation exencéphalique du mésencéphale et du prosencéphale coïncidant avec la perte bilatérale de l’expression de FGF8 dans la région correspondante des deux placodes olfactives. Il est possible d’éviter cette délétion conjointe de la face et du cerveau par la mise en place d’une source exogène de FGF8. La réparation faciale s’élabore à partir d’un petit contingent de CCNC laissé en place qui migre du rhombencéphale en colonisant transversalement et ventralement le bourgeon nasofrontal et le premier arc branchial. Ces résultats suggèrent que les cellules de la crête neurale céphalique à destinée faciale exercent une signalisation de type paracrine localisée qui induit et maintient la production de FGF8 dans le neuroépithélium prosencéphalique, production qui à son tour a une action proliférative trophique et migrative sur les CCNC de ce niveau. Ces dernières envahissent alors les structures péri-oculaires, le bourgeon nasofrontal et la face.
Développement du Cervelet
Le cervelet dérive du tube neural et plus précisément du premier rhombomère (c.-à-d. la région la plus rostrale du métencéphale). Il est aujourd'hui clairement établi, tant chez les oiseaux que chez les rongeurs, que le cervelet est initialement présent sous la forme de deux ébauches séparées par la ligne médiodorsale. Il est à noter que la polarité antéropostérieure initiale de ces ébauches correspond à la future polarité médiolatérale du cervelet.
Morphogenèse du Cervelet
Le tube neural de la région rhombomérique se déforme à la suite du développement de l'ébauche du 4e ventricule qui prend la forme d'un losange. Cette déformation conduit à une bascule des ébauches cérébelleuses, leurs régions initialement rostrales devenant plus médianes. L'évolution de ce mouvement morphogénétique conduit à la fusion des régions médianes. À l'issue de ce temps morphogénétique, le rhombencéphale apparaît losangique en vue dorsale. Ce losange représente le futur 4e ventricule, son toit est constitué d'un tissu épithélial très fin.
Morphogenèse de l'Œil
Afin d'appréhender les mécanismes qui sous-tendent la physiologie de la vision, la connaissance des bases embryologiques du développement de l'œil et de ses annexes est un prérequis indispensable. La morphogenèse oculaire débute au cours de la 4 semaine de vie embryonnaire, alors que l'ébauche oculaire s'individualise des diverticules latéraux du cerveau antérieur par des mouvements morphogénétiques complexes. Elle sollicite la contribution respective des divers feuillets de l'embryon, le neuro-ectoderme, l'ectoderme de surface, le mésoderme et les cellules de la crête neurale, pour l'élaboration de ses différentes composantes.
Étapes Initiales du Développement Oculaire
Au niveau céphalique, tandis que la plaque neurale commence à se replier pour former le tube neural, des dépressions ou diverticules apparaissent à la face interne de la plaque et marquent des évaginations latérales du neuro-ectoderme vers l'ectoderme de surface. À ce niveau, la partie médiale de la plaque neurale est destinée à former une division majeure du cerveau antérieur, le diencéphale, à partir duquel se forment d'autres structures telles que l'hypothalamus et le chiasma des nerfs optiques, pour une distribution des axones indispensable à la vision binoculaire. Une seconde division majeure se forme dans la partie latérale de la plaque neurale antérieure : il s'agit du télencéphale, à l'origine des hémisphères cérébraux qui vont croître en avant des diverticules optiques.
Formation de la Vésicule Optique et du Cristallin
Dans les jours qui suivent, les vésicules optiques issues des évaginations du neuro-ectoderme s'élargissent. La progression des vésicules optiques s'opère en direction de l'ectoderme de surface au contact duquel le neuro-ectoderme s'épaissit et détermine le disque rétinien vers J27. De façon réciproque, l'ectoderme de surface subit également une différenciation qui débute, là encore, par l'épaississement des cellules à son niveau. Cet épaississement délimite la placode cristallinienne qui secondairement s'invagine jusqu'à former une vésicule cristallinienne, puis s'individualise totalement de l'ectoderme de surface adjacent pour aboutir à la formation d'une lentille internalisée sous l'ectoderme, le cristallin.
Formation de la Cupule Optique et Fermeture de la Fissure Optique
À la fin de la 4 semaine de développement, la vésicule optique est globalement sphéroïde et composée d'une monocouche de cellules. L'accroissement de la cupule optique n'étant pas uniforme à sa circonférence, une croissance différentielle conduit à la formation d'un sillon le long de la face distale et ventrale, dont les bords convergent pour former la fissure optique. À J29, deux invaginations concomitantes - du disque de la rétine et de la placode du cristallin - sont presque achevées. À la fin de la 6 semaine de développement, les bords de la fissure se rejoignent et fusionnent en isolant dans le centre de la tige optique les vaisseaux hyaloïdes et le mésenchyme associé, à l'origine de l'artère et de la veine centrale de la rétine. La fermeture de la fissure optique commence au milieu de la tige optique et continue simultanément dans une direction proximale (vers le cerveau) et distale (vers la rétine). La fusion de la fissure s'achève en marge de la cupule optique en ménageant un orifice à l'origine de la pupille.
Rôle de la Crête Neurale dans le Développement Oculaire
Outre l'implication successive de l'ectoderme, du neuro-ectoderme et, dans une moindre mesure, du mésoderme, l'ontogenèse de l'œil mobilise une ultime population cellulaire qui contribue de façon essentielle à la morphogenèse, l'organogenèse et la physiologie optique: la crête neurale.
Colobome
Le terme « colobome » signifie « mutilation » en grec. Il s'agit d'une anomalie congénitale résultant d'une fermeture incomplète de la fissure optique au cours du développement embryonnaire. Cette malformation peut affecter différentes structures de l'œil, notamment l'iris, le corps ciliaire, la rétine et le nerf optique. Les colobomes peuvent être unilatéraux ou bilatéraux, et leur gravité varie considérablement en fonction de l'étendue de la fermeture incomplète de la fissure optique.
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