Embryology

Skeletal System

Prof. Dr. Malak A. Al-yawer

Department of Anatomy/Embryology Section

At the end of this lecture, the medical student will 
be able to

•

State the embryonic origin of skeletal system

•

Define Mesenchyme (embryonic  connective tissue)

•

Distinguish between the two types of ossification

•

Describe the embryonic development of the skull( neurocranium and 

viscerocranium)

•

State the embryonic origin of sutures

•

State the characteristic of new born skull

•

Describe the embryonic  development of the vertebrae

•

State the significance of re segmentation in development of  vertebral column

•

State the embryonic development of ribs and sternum

•

State the embryonic development of limbs

•

Define apical ectodermal ridge and progress zone

•

Distinguish between the embryonic development of the forelimbs and hindlimbs

•

Define the embryonic origin of joints

•

State the significance of  appearance of ossification centers in determination of 

bone age

•

State some clinical correlates

The skeletal system develops from

• paraxial mesoderm
• lateral plate (parietal layer)

mesoderm

• neural crest.

 Somites differentiate into
 Sclerotome
 dermomyotome.
 At the end of the fourth week, 

sclerotome cells form a loosely 
woven tissue, the 
Mesenchyme, or embryonic 
connective tissue.

 Mesenchymal cells may 

become

 fibroblasts
 chondroblasts,
 osteoblasts

Mesenchyme in the parietal layer of the lateral

plate mesoderm of the body wall forms bones of 
the

pelvic and shoulder girdles
 limbs
sternum
Neural crest cells in the head region differentiate

into mesenchyme and participate in formation of 
bones of the face and skull.

Occipital somites and somitomeres contribute to 

formation of the cranial vault and base of the 
skull.

Bone formation

 Intramembranous ossification
• Mesenchyme in the dermis 

differentiates directly into 

bone such as the flat bones of 

the skull

 Endochondral ossification
• Mesenchymal cells first give 

rise to hyaline cartilage

models, which in turn become

ossified . Most bones formed 

by this way

The skull can be divided into two parts:

• the Neurocranium

around the brain

• the Viscerocranium forms the skeleton of the

face.

forms a protective case

Neurocranium

is divided into two portions :


Membranous Neurocranium , consisting of flat

bones ,which surround the brain as a vault

 Cartilaginous Neurocranium (Chondrocranium)

which forms bones of the base of the skull

.

Membranous Neurocranium

• Mesenchyme from

neural crest cells and 

paraxial mesoderm

invests the brain and 

undergoes

Membranous

ossification.

Cartilaginous Neurocranium or

Chondrocranium

• initially consists of a number of

separate cartilages.

 Prechordal chondrocranium 

Those that lie in front of the 

rostral limit of the notochord, 

they are derived from neural 

crest cells.

 Chordal chondrocranium Those 

that lie posterior  to rostral limit 

of the notochord .They  arise 

from occipital sclerotomes 

formed by paraxial mesoderm.

• The base of the skull is formed 

when these cartilages fuse and 

ossify by endochondral 

ossification

Viscerocranium

 bones of the face which  is formed 

mainly from the first two pharyngeal 

arches.

 The first arch gives rise to
 A dorsal portion ( the maxillary 

process) gives rise to the maxilla, the 

zygomatic bone, and part of the 

temporal bone

 A ventral portion(the mandibular 

process) contains the Meckel 

cartilage. Mesenchyme around the 

Meckel cartilage condenses and 

ossifies by membranous ossification 

to give rise to the mandible.

 The dorsal tip of the mandibular 

process, along with that of the 

second pharyngeal arch gives rise to 

the incus, the malleus, and the 

stapes

Skeletal structures of the head and face Mesenchyme for formation of the bones of the face is 

derived from neural crest cells, including the nasal and lacrimal bones  (blue), paraxial

mesoderm (somites and somitomeres) (red), and lateral plate mesoderm (yellow).

Newborn Skull

• At birth, the flat bones of the

skull are separated from each

other by narrow seams of

connective tissue, the sutures,

which are also derived from

two sources: neural crest cells

(sagittal suture) and paraxial

mesoderm (coronal suture )

.

• Several sutures and

fontanelles remain

membranous for a

considerable time after birth.

• The posterior fontanelle closes

by 1to 2months of age

• The anterior fontanelle closes

by 18months of age

• Many of the sutures disappear

during adult life.

Newborn Skull

• The bones of the vault

continue to grow after
birth because the brain
grows.

• Although a 5- to 7-year-

old child has nearly all 
of his or her cranial 
capacity, some sutures
remain open until 
adulthood.

After birth, palpation of 

the anterior fontanelle 
may give valuable
information about

 ossification of the skull
 intracranial pressure

At first, the face is small in comparison

with the neurocranium because of the

(a)virtual absence of the paranasal air sinuses
(b)the small size of the bones, particularly the 
jaws.
With the appearance of teeth and development 
of the air sinuses, the face loses its babyish 
characteristics.

Cranioschisis

• is due to failure of the

cranial neuropore to close

• The skull never forms, and

brain tissue degenerates.

Cranial meningocele and

meningoencephalocele

• Small defects in the

skull through which 
meninges and/or brain
tissue herniate.

Craniosynostosis

• A. Child with scaphocephaly caused by early closure of the

sagittal suture. Note the frontal and occipital bossing.

• B. Child with brachycephaly caused by early closure of

both coronal sutures.

• C. Child with plagiocephaly resulting from premature

closure of the coronal suture on one side of the skull.

Vertebrae and the Vertebral Column

• Vertebrae form from the

sclerotome portions of 
the somites.

• During the 4

th

week,

sclerotome cells migrate 

around the spinal cord and 

notochord to merge with 

cells from the opposing 

somite on the other side of 

the neural tube

• A definitive vertebra is 

formed by condensation of 

the caudal half of one 

sclerotome and fusion with 

the cranial half of the

subjacent sclerotome

through a process known as 

Re segmentation

• Mesenchymal cells between cephalic and caudal parts of

the original sclerotome segment do not proliferate but fill

the space between two precartilaginous vertebral bodies.

• Although the notochord regresses entirely in the region of

the vertebral bodies, it persists and enlarges in the region of 

the intervertebral disc.

• Here it contributes to the Nucleus pulposus, which is later

surrounded by circular fibers of the annulus fibrosus.

Combined, these two structures form the Intervertebral disc

Intervertebral disc

Re segmentation of sclerotomes into
definitive vertebrae causes :

• The myotomes to bridge the intervertebral discs, and this 

alteration gives them the capacity to move the spine

• Intersegmental arteries, at first lying between the

sclerotomes, now pass midway over the vertebral bodies.

• Spinal nerves come to lie near the intervertebral discs and 

leave the vertebral column through the intervertebral 

foramina.

As the vertebrae form, two primary curves of the 

spine are established:

 thoracic curvature
 sacral curvature
 Later, two secondary curves are established:
the cervical curvature, as the child learns to hold

up his or her head

the lumbar curvature, which forms when the 

child learns to walk.

Scoliosis

• Scoliosis (lateral curving 

of the spine): two 
successive vertebrae fuse 
asymmetrically or have 
half a vertebra missing

• A photograph of a patient 

with scoliosis taken from 
behind. The curvature is 
seen between the 
shoulder blades (thoracic 
spine.)

Spina bifida

• imperfect fusion or nonunion of the vertebral arches.
• (a) spina bifida occulta may involve only the bony

vertebral arches, leaving the spinal cord intact.

• (b)spina bifida cystica in which the neural tube fails to

close, vertebral arches fail to form, and neural tissue is

exposed.

Ribs and Sternum

The bony portion of each

 •

rib is derived from
sclerotome cells that
remain in the paraxial
mesoderm and that grow
out from the costal
processes of thoracic 
vertebrae.

Costal cartilages are

formed by sclerotome
cells that migrate across 
the lateral somitic frontier 
into the adjacent lateral 
plate mesoderm

The sternum develops
independently in the
parietal layer of lateral
plate mesoderm in the
ventral body wall.

• Two sternal bands are

formed in the parietal layer
of lateral plate mesoderm
on either side of the 
midline, and these later
fuse to form cartilaginous 
models of the manubrium,
sternebrae, and xiphoid 
process.

Limbs

Limb Growth and Development

• At the end of the 4

th

week of 

development, limb buds 

become visible as 

outpocketings from the

ventrolateral body wall

• The forelimb appears first 

followed by the hindlimb 1 to 

2 days later.

• Initially, the limb buds consist 

of a mesenchymal core derived

from the parietal layer of 

lateral plate mesoderm that 

will form the bones and 

connective tissues of the limb, 

covered by a layer of cuboidal 

ectoderm.

Apical ectodermal ridge (AER)

• Ectoderm at the distal border of

the limb thickens and forms the

Apical ectodermal ridge (AER) .

• This ridge exerts an inductive

influence on adjacent

mesenchyme, causing it to

remain as a population of

undifferentiated, rapidly 

proliferating cells, the progress

zone.

• As the limb grows, cells farther 

from the influence of the AER

begin to differentiate into

cartilage and muscle. In this

manner, development of the

limb proceeds proximodistally

.

• In  6

- week-old embryos, the terminal portion of the limb

buds becomes flattened to form the hand- and footplates

and is separated from the proximal segment by a circular

constriction.

• Later, a second constriction divides the proximal portion

into two segments, and the main parts of the extremities

can be recognized.

Fingers and toes are formed

• A. At 48 days. Cell death in the

apical ectodermal ridge
creates a separate ridge for
each digit.

• B. At 51 days. Cell death in the

interdigital spaces produces 
separation of the digits.

• C. At 56 days. Digit separation 

is complete

Development of the upper and lower
limbs is similar except that

• Morphogenesis of the lower limb is approximately 1

to 2 days behind that of the upper limb.

• During the 7

th 

week of gestation, the limbs rotate in 

opposite directions.

• The upper limb rotates 90 degrees laterally, so that

the extensor muscles lie on the lateral and posterior 

surface and the thumbs lie laterally

• The lower limb rotates approximately 90 degrees 

medially, placing the extensor muscles on the

anterior surface and the big toe medially.

Joints

• Joints are formed in the cartilaginous condensations 

when chondrogenesis is arrested, and a joint 

interzone is induced.

• Cells in this region increase in number and density,

and then a joint cavity is formed by cell death.

• Surrounding cells differentiate into a joint capsule.

Bone Age

• Radiologists use the appearance of various

ossification centers to determine whether a child 
has reached his or her proper maturation age.

• Useful information about bone age is obtained from

ossification studies in the hands and wrists of 
children.

• Prenatal analysis of fetal bones by ultrasonography

provides information about fetal growth and
gestational age.

Partial (meromelia) or complete absence (amelia) of 
one or more of the extremities

 A. Brachydactyly the digits are shortened.
 B. Syndactyly If two or more fingers or toes are fused.
 C. Polydactyly are usually bilateral, whereas absence of a digit (ectrodactyly), such

as a thumb, usually occurs unilaterally

 D. Cleft hand and foot (lobster claw deformity). consists of an abnormal cleft 

between the second and fourth metacarpal bones and soft tissues. The third 

metacarpal and phalangeal bones are almost always absent, and the thumb and 

index finger and the fourth and fifth fingers may be fused. The two parts of the 

hand are somewhat opposed to each other and act like a lobster claw.

Amniotic bands

• may cause ring constrictions and amputations of the 

limbs or digits.

Congenital hip dislocation

• consists of underdevelopment of the acetabulum

and head of the femur. It is rather common and 
occurs mostly in female newborns.

• Although dislocation usually occurs after birth, the 

abnormality of the bones develops prenatally.

• Since many babies with congenital hip dislocation

are breech deliveries, it has been thought that
breech posture may interfere with development of 
the hip joint. It is frequently associated with laxity of
the joint capsule.

Summary

• Skeletal system derives from paraxial mesoderm, 

parietal layer of lateral plate mesoderm and neural 

crest cells

• Bone ossification is of two types: intramembraneous

ossification and endochondral ossification

• Skull is divided into 2 parts: neurocranium and 

viscerocranium which have different embryonic origin

• Vertebrae is derived from sclerotomes which undergo

re segmentation

• Apical Ectodermal ridge play an important role in

development of limbs