Có 2 phương thức chính trong sự thành lập ống thần kinh. Trong sự hình thành phôi thần kinh sơ cấp, các tế bào bao quanh ống thần kinh sẽ điểu khiển các tế bào của tấm thần kinh tăng sinh, cuộn lại thành một ống rông. Trong sự hình thành phôi thần kinh thứ cấp, ống thần kinh được thành lập từ một tế bào đặc, sau đó hình thành một ống rỗng bên trong. Hai phương thức thành lập phôi thần kinh khác nhau tùy theo lớp động vật. Ởchim, phần trước của ống thần kinh được thành lập theo phương thức sơ cấp, trong khi phần sau đến cặp thể tiết thứ 27 được hình thành theo phương thức thứ cấp.
1. Sự hình thành phôi thần kinh sơ cấp.
Trong quá trình thành lập phôi thần kinh sơ cấp ở gà và ếch, ngoại bào nguyên thủy được chia thành ba nhóm tế bào: (1) các tế bào nằm bên trong ống thần kinh sẽ tạo thành não bộ và tủy sống, (2) các tế bào nằm ở bên ngoài biểu bì của da và (3) các tế bào của mào thần kinh, được tạo thành trong vùng giữa ống thần kinh và biểu bì, sau đó di cư đến những nơi khác. Chúng tạo ra các tế bào thần kinh ngoại biên, thần kinh đệm, các tế bào sắc tố của da và nhiều loại tế bào khác.
Quá trình thành lập phôi thần kinh sơ cấp ở Lưỡng cư, chim và thú đều tương tự nhau. Khi tấm thần kinh vừa mới được tạo thành, hai mép của chúng dày lên và di chuyển về phía trên tạo thành các nếp thần kinh, trong khi ở trung tâm của tấm thần kinh xuất hiện một rãnh thần kinh hình chữ U, phân chia hai phía trái- phải tương lai của phôi. Hai nếp thần kinh ở 2 bên di chuyển từ phía ngoài vào trong, cuối cùng hợp nhất tạo thành ống thần kinh nằm bên dưới lớp ngoại bì. Các tế bào của ống thần kinh ở vùng ngoài cùng phía lưng trở thành các tế bào của mào thần kinh.
Sự hình thành phôi thần kinh ở những vùng khác nhau trên cơ thể xảy ra theo nhiều cách khác nhau. Mỗi vùng đầu, thân, và đuôi hình thành ống thần kinh theo phương thức phản ánh mối quan hệ cảm ứng giữa nội bì hầu, tấm trước dây sống, và dây sống với lớp ngoại bì nằm phía trên chúng. Vùng đầu và vùng thân đều hình thành phôi thần kinh theo phương thức sơ cấp và quá trình này có thể chia thành 4 giai đoạn: (1) thành lập tấm thần kinh, (2) tạo hình của tấm thần kinh, (3) sự uốn cong của tấm thần kinh tạo thành rãnh thần kinh, (4) sự đóng kín của rãnh thần kinh để tạo thành ống thần kinh.
a. Sự thành lập và tạo hình của ống thần kinh.
Quá trình thành lập phôi thần kinh bắt đầu khi trung bì lưng nằm phía dưới (và nội bì hầu trong vùng cổ) phát tín hiệu làm cho các tế bào ngoại bì phía trên kéo dài ra thành các tế bào tấm thần kinh hình trụ. Có khoảng 50% tế bào của ngoại bì trở thành tế bào của tấm thần kinh được tạo ra do chuyển động bên trong
của vùng biểu bì và tấm thần kinh. Tấm thần kinh kéo dài ra dọc theo trục trước – sau, hẹp lại và uốn cong tạo thành ống.
Ở Lưỡng cư, chim và thú, sự kéo dài và hẹp lại của tấm thần kinh là do sự hội tụ của nhiều lớp tế bào thành một ít lớp, đồng thời sự phân chia tế bào xảy ra chủ yếu theo hướng sau. Thậm chí những sự kiện này cũng xảy ra ngay cả khi mô đã bị cô lập. Nếu tấm thần kinh bị tách ra, các tế bào của chúng hội tụ lại và lan rộng ra thành một tấm mỏng nhưng không cuộn lại thành ống thần kinh. Tuy nhiên nếu vùng có chứa cả biểu bì tương lai và tấm thần kinh được cô lập, nó sẽ tạo thành ống thần kinh nhỏ khi nuôi cấy.
b. Sự uốn cong tấm thần kinh.
Sự uốn cong của tấm thần kinh nhờ sự thành lập các vùng khớp nơi ống thần kinh tiếp xúc với các mô xung quanh. tại vùng này, các tế bào biểu bì bám chặt vào mép bên của tấm thần kinh và kéo chúng về phía đường giữa. Ở chim và thú, các tế bào ở đường giữa được gọi là các tế bào MHP (media hinge point cell) bắt nguồn từ phần của tấm thần kinh ngay trước hạch Hensen và từ đường giữa phía trước hạch. Các tế bào MHP bám sâu vào dây sống bên dưới chúng và tạo thành một rãnh ở đường giữa lưng. Dây sống làm cho các tế bào MHP giảm chiều cao và trở thành dạnh hình chữ V. Ngay sau đó hai vùng khớp khác tạo thành rãnh gần nơi tiếp giáp giữa tấm thần kinh với phần còn lại của ngoại bì. Những vùng này được gọi là DLHP (dorsolateral hinge point), chúng cũng ăn sâu vào ngoại bì của nếp thần kinh.
c. Sự đóng kín của ống thần kinh.
Ống thần kinh được đóng kín lại khi 2 nếp thần kinh di chuyển từ bên ngoài vào giữa đường lưng, dính chặt vào nhau và hợp nhất.
Sự đóng kín của ống thần kinh không xảy ra đồng thời trên toàn bộ ngoại bì. Điều này có thể thấy rõ nhất ở những động vật có xương sống như chim và thú vì trục cơ thể của chúng được kéo dài ra trước khi thành lập phôi thần kinh. Ở vùng đầu sự thành lập phôi thần kinh đã gần hoàn tất trong khi vùng đuôi vẫn còn đang ở giai đoạn phôi vị hóa. Sự phân vùng của ống thần kinh cũng là kết quả của sự thay đổi hình dạng ống. Trong vùng đầu, thành ống rộng và dày. Tại đây có một loạt sự co và phình đã tạo thành các não thất. Ngược lại, ở vùng đuôi ống thần kinh vẫn được duy trì là một ống đơn giản. Hai vùng tận cùng của ống thần kinh thông ra ngoài được gọi là miệng thần kinh trước và sau. Ở thú, sự khép kín của phôi thần kinh khởi đầu từ nhiều vị trí khác nhau dọc theo trực trức sau. Ở người, sự khép kín của ống thần kinh là do sự tác động qua lại giữa các yếu tố di truyền và môi trường. Các gen Pax3, sonic hedgehog, openbrain cũng như các yếu tố dinh dưỡng cholesterol, acid folic có vai trò rất quan trọng trong sự hình thành ống thần kinh.
Ống thần kinh được thành lập có hình trụ, tách biệt khỏi lớp ngoại bì. Lúc đầu trong các tế bào sẽ thành lập ống thần kinh, phân tử E-cadherin được tổng hợo rất nhiều nhưng khi ống thần kinh được thành lập, sự tổng hợp phân tử này sẽ ngừng lại. Thay vào đó là sự tổng hợp N-cadherin và N-CAM, làm cho ống thần kinh và lớp ngoại bì bế mặt không còn dính với nhau.
2. Sự hình thành phôi thần kinh thứ cấp.
Sự hình thành phôi thần kinh thứ cấp do sự tạo thành bó tủy và sau đó là sự rỗng bên trong bó này tạo thành ống thần kinh.
Ở ếch và gà, sự thành lập phôi thần kinh thứ cấp thường thấy trong ống thần kinh của các đốt sống thắt lưng và đuôi. Cả hai trường hợp đều được xem là sự tiềp nối của quá trình tạo phôi vị. Ở ếch, thay vì cuộn vào bên trong phôi, cáctế bào của
môi lưng tăng trưởng về phía bụng. Vùng đang tăng trưởng ở đỉnh môi được gọi là khớp thần kinh dây sống có chứa các tiền tố cho phần sau cùng của tấm thần kinh và phần sau của dây sống. Sự tăng trưởng của vùng này sẽ làm biến đổi phôi vị từ hình cầu có đường kính khoảng 1,2 mm thành dạng nòng nọc dài khoảng 9 mm. Các tế bào lót trong miệng phôi tạo thành ống thần kinh ruột. Phần ở đầu gần hợp nhất với hậu môn trong khi phần ở đầu xa trở thành xoang của ống thần kinh.