La croissance des axones et les facteurs qui l’affectent jouent un rôle important dans la détermination des circuits du cerveau. Les gradients moléculaires et les concentrations, ainsi que les schémas de tir, aident à déterminer la direction de la croissance axonale et où cet axone forme ses synapses. Un effort important en cours au sein de la communauté scientifique vise à cataloguer et à créer un aperçu complet de tous les facteurs qui déterminent la croissance axonale. Le processus de croissance des axones et la formation de synapses associée contrôlent quelles cellules du cerveau communiquent directement entre elles et comment les informations sont traitées.
Les sémaphorines et les plexines sont des classes de molécules exprimées dans le cerveau. Ils peuvent être exprimés soit sous forme de ligands à la surface des cellules, soit sous forme de molécules libérées flottantes, formant des gradients de densité moléculaire dans le cerveau. À certaines concentrations, ils ont la capacité d’attirer des axones de types cellulaires particuliers pour se développer vers eux et à d’autres concentrations, ils ont la capacité d’agir comme répulsifs. Cela leur permet de fonctionner comme des guides pendant les phases de croissance des axones, mais d’éviter de simplement tirer tous les axones locaux pour qu’ils se développent vers la cellule en libérant les molécules de guidage moléculaire.
Il existe encore d’autres associations de croissance axonale exprimées dans l’adage, « les cellules qui se déclenchent ensemble se connectent ». C’est-à-dire que les cellules de certains types de classe ou les cellules qui traitent une certaine classe d’informations auront une probabilité déterminée de former des synapses avec d’autres cellules dans des motifs de circuits neuronaux. Ce phénomène crée des schémas de circuits répétés dans le cerveau, que les scientifiques peuvent utiliser pour aider à comprendre comment le cerveau traite l’information.
Très tôt dans le développement cellulaire, un neurone possède de nombreux neurites indifférenciés. Ces processus somatiques cellulaires restent indéterminés jusqu’à ce que certaines circonstances se produisent, comme le contact avec d’autres cellules voisines ou l’exposition à certaines molécules ou facteurs de croissance qui provoquent la différenciation, où un neurite devient un axone et les neurites restants sur le soma cellulaire se développent comme des dendrites. Lorsque cela se produit, le neurite qui devient l’axone commence à s’allonger et à développer des caractéristiques semblables à celles de l’axone. Ces caractéristiques comprendront un manque d’épines dendritiques, une apparence plus mince que les autres neurites et des arborisations terminales communes.
Au cours du développement du cerveau, les axones ont également tendance à se développer dans des directions qui sont ensuite élaguées à mesure que l’organisme mûrit. Ceci est considéré comme un retour en arrière de l’évolution, car ces intrants ont peut-être déjà été utilisés mais ne le sont plus, de la même manière qu’un fœtus humain développe une queue mais que cette caractéristique disparaît rapidement. Bien qu’il puisse sembler redondant que la croissance des axones ne se développe que pour être systématiquement élaguée, il faut considérer les nombreux facteurs qui ont déterminé la façon dont les circuits neuronaux se sont formés. Une petite redondance apparente dans le développement pourrait avoir ses propres utilisations qui dépassent actuellement la compréhension scientifique.