Visuaalisen järjestelmän kehitys alkaa useimmissa selkärangattomien ryhmissä fotoreseptorien erilaistumisella ektodermisessä epiteelissä. Fotoreseptorit erilaistuvat yleensä riippumatta hermokeskuksista, joita ne hermottavat, ja perifeerisesti johdetut visuaaliset interneuronit ovat poikkeuksellisia. Tämä on ristiriidassa selkärankaisten kanssa, joilla ”verkkokalvo” syntyy etuaivojen embryologisesta kasvusta, joka tuottaa useita interneuroniluokkia sekä valoreseptoreita. Suurin osa siitä, mitä tiedämme selkärangattomien visuaalisen järjestelmän kehityksen geneettisistä ja molekulaarisista perusteista, on peräisin hedelmäkärpäsen Drosophila melanogasterin yhdistelmäsilmiä koskevista tutkimuksista. Vaikka tämä keskittyminen yhteen ainoaan mallijärjestelmään palkitsee meidät syvällisellä ymmärryksellä kehitysmekanismeista, se on aiheuttanut huomattavan aukon usein alkeellisessa tietämyksessämme muista ansiokkaista ryhmistä: pääjalkaisista, pektiinisimpukoista, hämähäkeistä, kubomedusaneista ja salpeista, vain muutamia mainitakseni, joilla kaikilla on kehittyneet silmät. Sama pätee aivojen näkökeskusten hermoyhteyksien kehittymiseen (kuva 1). Tässäkin tapauksessa Drosophila on selkärangaton malli, jonka avulla selvitetään taustalla olevia molekyylimekanismeja. Ymmärryksemme monista selkärangattomien näköjärjestelmän kehityksen näkökohdista on kuitenkin katettava tietämys paitsi niveljalkaisten yhdistelmäsilmistä myös niinkin erilaisista silmistä kuin esimerkiksi pääjalkaisten pitkälle kehittyneistä yksisilmäisistä silmistä tai planarioiden kaltaisten muotojen, kuten planarioiden, esi-isien silmäkuppisilmistä.
Kuva 1. Drosilopatia. Yhteenveto Drosophila melanogasterin näköjärjestelmän kehityksestä, tarkasteltuna asteittain hienojakoisemman solutarkkuuden vaiheissa. (a) Silmä kehittyy silmäkiekosta, joka on yhdistetty näkövarren avulla (kaksoisnuolenkärjet) kehittyvään näkölohkoon toukan aivojen supraesofageaalisessa puoliskossa eli gangliossa. (b) Näköhermon varsi (os) tunkeutuu supraesofageaaliseen ganglioon (seg) puolikuun muotoisen ulomman näköhermon (ooa) keskellä. Myöhemmässä kehityksessä anlagen varret avautuvat X:n suuntaan, jolloin korteksit, joihin se johtaa, muuttuvat pyöreistä suorakaiteen muotoisiksi. Ulompi anlage ja konsentrinen sisempi optinen anlage (ioa) on esitetty suhteessa näkövarren tulokohtaan oikean aivopuoliskon posterolateraalisella pinnalla. Neuroblastit ja muut progenitorisolut anlageissa lisääntyvät nuolenkärkien suuntaisesti ja tuottavat ajallisesti lajiteltuja solukerroksia lamiinaan (lamiinaa muodostavat neuroblastit; lafn), medullaan (mfn) ja kolmanteen optiseen neuropiliin (lobula; lofn). Yksi kerros (esitetty ristiinviivattuna kussakin aivokuoressa) on syntynyt samaan aikaan, ja se on syrjäytynyt uudemmista kerroksista vastaavassa aivokuoressa (lan, lamina neuropil; mn, medulla neuropil). Näiden solupopulaatioiden väliset suhteet näkyvät selvimmin poikkileikkauksessa (kuvassa c). (c) Kaaviossa b esitettyjen solukorteksien sukupolven ja niiden välissä kasvavien aksonireittien välinen suhde kaavion b vaakatasossa, joka havainnollistaa imaginaalisen fotoreseptorinnervaation aaltojen ja toukkahermon Bolwigin (Bn) reitin läheistä yhteyttä. Tämä kulkee peripodiaalikalvon (pm) sisäpinnalta lamina plexukseen (Lap) ja medullaan (Me) näkövarren (os) kautta. Se ja/tai kolmen näköhermolohkon pioneerin (olp) aksonit, jotka ovat oletettuja interneuroneja, innervoivat toukan näköhermolohkoa (lon), joka on yhteydessä keskiaivoihin rataa (X) pitkin, joka ennakoi takimmaista näköhermorataa. Uudet ommatidiaaliryhmät (o) kerääntyvät morfogeneettisen uurteen (mf) taakse, ja ne tuottavat uusia aksonikimppuja, jotka fasikalisoituvat aiemmin laajentuneisiin aksoneihin näkövarressa verkkokalvon etupuolen laajentuessa (nuoli 1). Alla olevat solupopulaatiot laajenevat vastaaviin suuntiin: nuoli 2, lamina cortex (LaC); nuoli 3, medulla (Me) ja medulla cortex (MeC); nuoli 4, lobula (Lo) ja lobula plate cortex (LoPC). Solut liittyvät lamina cortexiin ulomman optisen anlagen (ooa) toiselta puolelta, lateraaliselta proliferaatiovyöhykkeeltä (A), ja medulla cortexiin toiselta puolelta, mediaaliselta proliferaatiovyöhykkeeltä (B). Ensimmäiset B:stä lähtevät jälkeläiset ovat ennenaikaisia medulla tangentiaaleja (Medulla tangentials, MeT), joista lähtevät kasvukartiot kutoutuvat medullan poikki ja risteävät etureunassa kasvavien uusien pylväselementtien kanssa. Muut tangentiaaliradat vastaavat anteriorisen näkökanavan (Y) ja lobulan tangentiaalisolujen (Z) myöhempiä polkuja. Sisempi optinen anlage (ioa) proliferoituu kahteen suuntaan: suuntaan C synnyttääkseen soluja lobulalevyn kuorikerrokseen ja suuntaan D synnyttääkseen solutyyppejä T2, T3 tai C, kuten voidaan arvioida ainoastaan suhteessa somatoiden sijaintiin aikuisen näköhermolohkossa. Solujen jälkeläisten aksonit ja niiden kasvukartiot synnyttävät kullekin aivokuorelle plexuksen, joka lopulta muodostaa aikuisen neuropilin. Kuitukimppujen risteäminen laminan ja medullan välillä johtuu kuitupolkujen valikoivasta fasikulaatiosta kuljetushihnan kaltaisessa innervaatiojaksossa sekä nipun ja plexuksen välisestä lähestymissuunnasta. (Niput läpäisevät lamina cortexin innervoidakseen sen plexusta, mutta kasvavat medulla cortexin sisäreunaa pitkin innervoidakseen medullaa). Suuret gliasolut sijaitsevat kuitujen reittien varrella ulkoisessa chiasmassa (ext.ch) ja sisäisessä chiasmassa (int.ch); sg, subesofageaalinen ganglio. (d) Proliferaatio ulomman anlaasin lateraalisesta proliferaatiovyöhykkeestä (ks. kaavio c). Solut siirtyvät asteittain neuroblasteista ulommassa anlaagessa solusyklinsä eri vaiheissa (G2/M, G1, S, G2/M) anlaagen huulen ympärille. Postmitoottiset solut sijaitsevat lamina cortexissa (LaC), jossa niitä innervoivat näkövarresta (os) tulevat valoreseptorin aksonikimput (nuolenkärjet), jotka käynnistävät siirtymisen G1:stä S:ään viereisen anlagen soluissa (täytetty nuoli) sekä erilaistumisen ja aksonogeneesin alkamisen jo postmitoottisissa soluissa (avoin nuoli). (e) Ommatidiaaliklusterit kypsyvät silmäkiekossa, morfogeneettisen uurteen (mf) takana, nähtävissä kohokuvassa (selkeät profiilit) ja vastaavissa poikkileikkauksissa, joissa tumat on tummennettu. Nuolet osoittavat ydinten siirtymissuuntia, jotka on sovitettu yhteen valoreseptoripareissa R1-R8 (merkitty 1-8). Poikkileikkaukset a:sta (nuorin) f:ään (vanhin) ovat esiklustereista (a, b), epäkypsistä (c) ja symmetrisistä (d) kahdeksan solun klustereista sekä kaksikärkisolu- (e) ja nelikärkisolu- (f) vaiheista. Kartiosolut on merkitty merkinnällä ”C.” (f) R1-R8 ommatidiaalisessa klusterissa (vastaa poikkileikkausta c kuvassa e) käsittää kaksi keskussolua (R8, R7) ja kolme paria (R2/R5, R3/R4, R1/R6). Induktioon R1-R6:ssa liittyy R2/R5:stä tuleva signaali, joka on riippuvainen karkean (ro) ilmentymästä kehityksen käynnistämiseksi R3/R4:ssä; karkeaa tuotetta esiintyy myös R3:ssa ja R4:ssä. Toisen symmetrialinjan neljä solua (R3, R4, R1 ja R6) vaativat kaikki sevenupin (svp) ilmentymistä saadakseen normaalin kohtalonsa. (c) Muokattu lähteestä Meinertzhagen IA (1973) Development of compound eye and optic lobe in insects. In: Young D. (toim.) Developmental Neurobiology of Arthropods, s. 51-104. Cambridge, UK: Cambridge University Press. (d) Muokattu lähteestä Selleck SB, Gonzales C, Glover DM, et al. (1992) Regulation of the G1-S transition in postembryonic neuronal precursors by axon ingrowth. Nature 355: 253-255. (e, f) Muokattu lähteestä Wolff T ja Ready DF (1993) Pattern formation in the Drosophila retina. In: Bate M ja Martinez Arias A (toim.) The Development of Drosophila melanogaster, s. 1277-1325. Plainview, NY: Cold Spring Harbor Laboratory Press, tekijöiden ja Cold Spring Harbor Pressin luvalla.