Почти все нервные клетки расположены в головном и спинном мозге. Как мы уже знаем, спинной мозг развивается из нервной трубки эмбриона; во время этого процесса часть клеток в трубке превращается в моторные нервы, которым предназначено доносить импульсы до мышц нашего тела, и сенсорные нервы, которые будут приносить информацию со всей поверхностности нашего тела. Те клетки, которым суждено сформировать нервы, возникают в результате деления стволовых клеток. Повторяющиеся циклы деления и миграция вновь образованных нервных клеток во время развития эмбриона приводят к формированию слоев нервов в спинном мозге.
В ходе дальнейшего формирования нервов определяется, куда они протянут свои аксоны и с какими клетками произойдет их соединение. Данные обстоятельства обусловливаются расположением клеток. Считается, например, что там, где высока концентрация нашего старого приятеля «Акустического ежа», развиваются моторные нервные клетки. Вероятно, расположенные вдоль оси нервной трубки клетки обмениваются информацией для того, чтобы обеспечить максимальную точность в выборе своих позиций. В результате одни моторные нервы протягивают свои аксоны к мышцам на внешней стороне конечностей, а другие — к мышцам на внутренней стороне.
Чтобы нервы смогли дотянуться до своих конечных целей во время развития эмбриона, крайне важна правильная ориентация растущего аксона. Еще на ранней стадии развития нервной клетки на кончике аксона формируется бугорок роста. Он направляет движение растущего аксона и тянет его за собой: подобно клетке, мигрирующей в пределах организма, он постоянно выбрасывает вперед тонкие, похожие на пальцы отростки; они прикрепляются к той поверхности, над которой движется бугорок роста, и затем сокращаются. Выбрасывание и последующее сокращение этих отростков тянет бугорок роста вместе с растущим аксоном вперед. Эти отростки ощупывают окружающую среду и определяют, в какую именно сторону следует направиться растущему аксону. Направление движения бугорка роста определяется молекулами, испускаемыми поверхностью тех клеток, над которыми он проходит. Одни молекулы «отталкивают» его, другие, наоборот, «притягивают».
Как иллюстрацию к сказанному можно рассмотреть то, как оптический нерв, исходящий из сетчатки глаза, устанавливает необходимые соединения с соответствующими долями головного мозга. Этот механизм изучен на примере лягушек, однако те же самые принципы задействованы и в человеческом организме. Светочувствительные клетки сетчатки активируют нервы, которые образуют оптический нерв, и нервы из правого глаза протягиваются в левое полушарие мозга, в то время как нервы из левого глаза устанавливают соединение с нервными клетками правого полушария. Существует абсолютно точное соответствие между отдельными областями сетчатки и соответствующими им зонами головного мозга. Во время экспериментов на лягушках в случае, если оптический нерв перерезали и глаз лягушки поворачивали на 180 градусов так, что он оказывался направленным вниз, аксоны вырастали вновь и устанавливали прежний контакт с соответствующими им зонами головного мозга. Однако в этом случае взгляд лягушки был «повернут» на 180 градусов: когда лягушка хотела схватить муху, она совершала движение головой в противоположном от нее направлении.
Механизм, позволяющий нервам правильно соединяться с другими нервами и с соответствующими клетками головного мозга, работает благодаря особым молекулам на поверхности оболочки бугорка роста и их взаимодействию с молекулами, находящимися на оболочках тех клеток, с которыми движущийся вперед бугорок роста вступает в контакт. В настоящее время исследователи полагают, что и аксоны оптического нерва, и клетки головного мозга имеют характерные для них позиционные значения, которые позволяют им устанавливать правильные контакты. Это позволяет бугорку роста оптического нерва при движении по поверхности клеток мозга выбирать соответствующую ему клетку, с которой устанавливается контакт через синапс. Когда же движущиеся вперед аксоны пытаются установить контакт с клеткой, которая им не предназначена, то происходит реакция отторжения и они вынуждены двигаться дальше.
В ходе развития нервной системы многие клетки погибают и отмирают. В районе формирования растущей конечности образуется до 20 тысяч моторных нервов, однако затем половина из них исчезает. Перспективы дальнейшего существования нервов зависят от того, установят они контакт с мышечными клетками или нет. И даже если им удастся установить такой контакт, то в конечном счете из всех нервов, установивших контакт с мышцей, выживет лишь один — он и станет рабочим. Нервы соревнуются друг с другом, чтобы сохранить себе жизнь, и в результате контакт с мышцей устанавливает самый сильный из них. Соответственно и передаваемый по нему нервный импульс будет самым сильным. То, что аксоны обязательно находят надлежащие мышечные клетки, наглядно иллюстрируется экспериментом, во время которого часть спинного мозга переворачивается нижней стороной вверх: хотя теперь аксоны входят в конечность совсем не там, где должны, они все равно находят соответствующие им мышцы.