神经发育及可塑性ppt课件.ppt

神经细胞的生长、发育和 损伤、修复及再生 1 2 神经发育无疑是自然科学中最具挑战性和吸 引力的研究领域之一。它整合包含胚胎学、发 育学、组织学、解剖学、分子生物学、细胞生 物学、生理学、生物化学及神经生物学等多种 学科为一体。 今天所讲述的这一章内容只能对其中极小一 部分的进展进行描述，仅能勾画出非常粗糙的 轮廓。 一、神经系统的个体发生 3 整个神经系统起源于外胚层，启动于中胚层。 4 5 原条：胚第3周初 ，胚盘尾端正中线的上 胚层细胞增生，形成的 一条纵行的细胞索。 脊索:原结深处的中胚 层细胞增殖，并向头端增 生迁移形成的细胞索。脊 索向头端增长，原条相对 缩短，最终消失。 6 NeuroscienceNeuroscience 神经板：脊索诱导 其背侧的外胚层细胞 增厚成板状，称神经 板。 神经管的形成 neural plate (神经板) neural groove（神经沟） neural fold（神经褶） neural tube(神经管) 神经板由单层柱状上皮 构成，称为神经上皮。 7 NeuroscienceNeuroscience neural plate (神经板) neural groove（神经沟） neural fold（神经褶） neural tube(神经管) q 神经板沿中线下陷 形成的沟，称神经沟。 q 神经沟两侧边缘隆 起，称神经褶。 8 NeuroscienceNeuroscience neural plate (神经板) neural groove（神经沟） neural fold（神经褶） neural tube(神经管) 两侧神经褶靠拢 并愈合成管状，称 神经管。是CNS的 原基，分化为脑和 脊髓等。 神经板外缘细胞 迁移到神经管背侧 形成细胞索，称神 经嵴。是PNS的原 基，分化为神经节 、周围神经、神经 胶质、肾上腺髓质 细胞等。9 10 11 问题？为什么神经板选在胚囊的背部形成 ，而不是其他地方呢？ 胚胎发育过程 中细胞的未来 命运取决于周 围组织的影响 ，神经系统则 是由非神经性 细胞释放出来 的信号分子所 诱导生成的。 胚孔背唇 12 问题？为什么神经板上的外胚层细胞能发育成神 经元，而其他地方不能？ 非洲爪蛙 将早期外胚层打散分离成单细胞； 将单细胞单独培养。 结果： 这些单细胞能发育形成神经组织。 原因（可能）： 这些外胚层细胞本身默认的基因调控程序是让他们 发育成神经元； 存在某种抑制因子，使得神经板以外的外胚层细胞 不能向神经元的方向发育； 神经板上的细胞必然接受到某些信号，使得它们最 终可成为神经细胞。 神经褶愈合过程中，头尾两端各有一开口，称前、后神经孔 。 前神经孔闭合脑泡 后神经孔闭合脊髓 13 基 本 保 持 三 层 结 构 边缘层白质 成神经细胞的轴突 套层脊髓灰质 成神经细胞的细胞体 室管膜层 神经上皮层 两侧壁套层神经母细胞和成胶质细 胞的迅速增生而增厚，称为侧板 神经管顶壁和底壁薄而窄 神经管的尾侧段分化、发育为脊髓 腹侧两基板灰质前角、侧角 背侧两翼板灰质后角 顶 板 底 板 14 三个原始脑泡是脑的原基 前脑泡 中脑泡 菱脑泡 15 前脑泡 中脑泡 菱脑泡 （后 ） 脑 泡 端脑泡 间脑 后脑 末脑 第三脑室 左、右大脑半球 两个侧脑室 翼板：四叠体 基板：被盖 中脑 脑桥 延髓 脑泡腔第四脑室 中：中脑导水管 丘脑、下丘脑 小脑 端脑纤维下延：大脑脚 16 五脑泡阶段 17 18 为什么到脑会在神经管的头端，而脊髓出现其后呢？ 转录因子决定细胞的命运 Hox蛋白是所有其他转录因子的总操纵者； 环境中各种可溶性诱导分子和相邻细胞膜上的信号 蛋白对神经细胞的共同作用。 例如：Lim-1基因敲除会造成无头的胎鼠 神经系统的形态发生的主要过程 ： 神经诱导(neural induction) 神经上皮细胞的增殖(proliferation) 细胞间的联系(connection)和黏附(adhesion) 细胞的迁移(migration) 神经细胞的分化(differentiation) 细胞群体中特殊联系的建立 神经元之间的联系和细胞死亡 已建立联系的神经组织的功能发育 19 20 神经诱导 蝾螈实验揭示：在胚胎发育过程中细胞的未来命运取决 于周围组织的影响，神经系统则是由非神经性细胞释放 出来的信号分子所诱导生成的。 神经系统发育过程中的三个特点： 中枢神经系统源自排列紧密、缺少细胞间质的神经上 皮细胞(早期的神经管管壁及后来的室管膜层) 在发育过程中，由于细胞间的相互作用导致细胞及其 突起的重新配布 发育过程中任一精密的时空整合程序均反映了基因及 基因外因素的相互作用，其中细胞间的相互作用是起 着关键作用的因素 21 参与神经系统发生的主要因子： 神经诱导因子：骨形成蛋白（BMP） 脊索信号因子（Shh） 神经发生基因：delta，notch，numb 神经营养因子：NGF，BDNF，PDGF，CNTF NT-3/4/5，FGF 细胞外基质（ECM） 神经黏附分子（CAM） noggin follistatin chordin 22 23 神经元结构发展的三个主要阶段：细胞增殖 细胞 迁移 细胞 分化 1、细胞增殖 (cell proliferation )： S期(合成DNA)，胞核靠近外侧膜处。 M期(有丝分裂)， 胞核移到靠近管腔的位置，分裂产生的子细胞又移行至外界 膜，再合成DNA并重复其增殖周期。 分裂后子细胞(daughter cell)的命运取决定很多因素， 其中非常重要的是基因表达(gene expression)的差异性， 而基因表达的调控取决于转录因子（transcription factors） 的类型。 24 室管膜层 边缘层 This mode of nerve cell division predomination in early development neuronal precursor This mode predominates in later development neuronal precursor The choreography of cell proliferation S M G1G2 25 2、细胞迁移（cell migration)：由靠近脑室的发源地出发， 新发育成的神经元向神经管外周迁移，然后定位于不同的层次 神经管闭合后，部分子细胞从管壁顺着放射状胶质细胞（ radial glial cells）发出的纤维移行，穿过合成DNA的神经上皮细 胞到达靠近外界膜下面，这些称为成神经细胞(neuroblast)，他 们开始伸出突起，成为树突和轴突的前身。放射状胶质细 胞在引导neuron迁徙过程中起着决定性作用。 26 放射状 胶质细胞 迁移神经元 27 大脑的组织生成 室下区 脑室区 皮质板 边缘区 中间区 端脑 神经管神经上皮显示一种空间梯度的增殖活性， 神 经元的产生呈现一种“内外”（inside-out）层状结构 ：较早分化的神经元位于皮层的深部，而新近分化的神 经元位于皮层的表层。故不论皮层的什么区域，其最内 层总是最早分化，而最外层则最后分化。 在多层结构的脑皮质区域，较大的神经元先迁移，并 形成最内层，顺序向外的层次，由较小的神经元，通过先 前已形成的层次迁移，并形成在其外的新的层次。 28 Inside-out原则：出生迟的神经细胞经过迁移，会超越已定 位的前辈们，定居在最外层。 由内而外皮质的发育 29 垂直方向上分层 水平方向上分层 最终分成6层 30 3、细胞分化(Neuron differentiation): 由一个neuroblast转变成具有neuron特性的多步骤过程， 不仅包括形态上的改变（细胞从圆形或卵圆形到有突起，轴突的 发生在前，树突的发生在后），更重要的是其内在的变化。 设想：大脑中有1011个神经元，一个神经元如何保证只与其中一个或一部分， 而不是其他神经元形成联系呢？ 大象脊髓运动神经元轴突在行走了2m多后如何只作用于脚趾这块肌肉而不是 另一块呢？ 31 32 细胞骨架：微管、微丝、中间丝 微管蛋白(tubulin)运输 肌动蛋白(actin)、肌球蛋白(myosin)伸缩、转向 1、轴突生长 在神经元发育的过程中，轴突沿着特定的路线生长、延 长，并伸向将与它发生突触联系的靶细胞。轴突是靠识别行 进道路上的导向分子朝向其正确方向行进的。 生长锥( growth cone)：神经突发育和再生时轴突末端 膨大呈扇形的结构。 通过阿米巴样运动引导轴突延伸，有利于轴突的生长、 途径的选择、对靶细胞的识别。 片状伪足 丝状伪足 33 轴突的生长 通路形成的三个阶段: 通路选择(pathway selection) 目标选择(target selection) 地点选择(address selection) 34 介导轴突生长的机制 轴突生长受到细胞外基质(extracellular matrix, ECM)、细胞 粘连分子(cell adhesion molecule, CAM)及其周围的可溶性物质 如生长因子和靶细胞释放的可溶性物质的影响，这些物质可 增强和吸引或抑制和排斥生长锥的生长。 35 通路选择 集束化(fasciculation): 轴突沿着ECM上分子行进，最后生 长在一起形成束状结构。 36 37 目标选择 依赖于细胞-细胞表面的相互作用，这是通过粘结 分子来起到剧集分类和导向作用。 生长锥上的粘结分子与现行的神经纤维表面上或者胶质细胞表面上的 同类分子粘连在一起，以保证它们沿着正确的方向前进。这些粘连同 时也会触发胞内有关的信号处理过程。 38 受体和配体相互结合作用是节细 胞生长锥使用的第一种导向机制 地点选择 通过受体和配体的结合产生趋向运动，受体分子在不同的部位表达的 浓度不同，从而使神经纤维能够精确地到达目的地。 39 2、生长锥的崩塌 神经纤维到达终点后必须停止生长，生长锥也必须崩塌 。 组织中抑制分子和生长锥膜上的受体分子相互作用来完成。他们和造成 生长锥的崩塌或者转向。 树突晚于轴突长出 轴突从支配的靶区中逆行运输一些化学信息(如NTF等) 到神 经元胞体，启动树突的生长 树突发育早期，会出现过多生长和分支，后来通过“修剪”过 程，把与功能不相适应的树突分支“修剪”，保留其基本分支 树突发育的时空规律：胞体大、轴突长的神经元树突发育起 始时间早于胞体小、轴突短的神经元树突 3、树突的生长发育 40 41 哺乳类神经系统发育在经历了神经管的产 生、背腹轴和头尾轴的形成、神经细胞的诞 生、分化、迁移、轴突的生长延伸，发现靶 细胞后，所面临的的任务就是形成突触联系 。只有突触形成后，神经元之间才能进行信 号处理。 42 突触的形成经历三个阶段： 发育中的轴突有选择地与靶细胞形成联系 ； 轴突的生长锥分化成神经末梢； 靶细胞将必要的构件安排到突触后膜上。 这些过程受到许多粘结分子、骨架蛋白等分子的调控。 突触形成的影响因素： 突触后成分与突触前成分 相互作用的结果Ca2+ 发挥 重要作用 蛋白聚集素(agrin)在突触 形成过程中发挥正性调节的 作用 当生长锥接触到相应target 后即形成了突触，在发育过程 中，突触后成分发育在前，突 触前成分发育在后。 43 程序性突触形成Programmed synapse formation q突触形成的启动是按照一个明确不变的程序发生的。突触是 突然出现，随后迅速增多，并形成过量的突触，最后多余无用 的突触迅速消失。 q在CNS发育期间，突触的消退被认为是一种消除错误结构的 机制，有利于neuron之间相互作用及其功能发挥的有效性考虑 ，消除一些与功能不相适应的synapse，确定最后有用的结构 是很必要的。通过neuron之间的相互作用, 选择性促进neuron 之间可以共存和依赖的结构发育，这样可以使得CNS的功能和 该动物的生存环境更加匹配。 44 突触重派是神经活动及突触传递的结果。 神经活动是驱动皮质内神经环路发育的重要因素，同时也 是突触联系通路三个阶段中address selection中的最后步骤。 45 46 突触容量保持不变 的情况下，神经元 从一种突触方式改 变为另一种突触方 式，称为突触重排 。突触重排是轴突 定位选择过程的最 后一步，通路形成 早期步骤主要受遗 传控制；而突触重 排却是活动依赖性 的主要发生于出生 后，并且受到婴幼 儿感觉经验的深远 影响。突触重排包 括突触分离、突触 汇聚和突触竞争。 神经元联系最终模式的建立与下列的五个过程有关 v 轴突的长出，选择合适的途径到达正确的靶细胞 v 树突的长出，并形成特定的树突形态 v 轴突选择特定的靶细胞 v 除去不正确的和多余的突触和轴突及树突的分枝，并剔除 错配的神经元 v 突触联系最终模式的功能性改造 47 48 在神经系统发育过程中， 第一步是产生足够数量和各种类型的神经元； 第二步是它们的包体迁移到合适的核团或皮层亚层中； 第三步神经元的轴突延伸、生长、投射到合适的位置上 ； 第四部与靶细胞形成突触联系。 大脑皮层神经元之间的联系由两个基本不同的发育程序即 分子线索和神经活动获得。 分子线索控制神经元的身份，引导轴突从特定周围区投射 到靶区并激发突触联系的形成。 然而突触接触一旦形成，他们的继续发育与成熟则主要取 决于突触前后成分之间的协调的神经活动。 49 PCD多是指发育过程中自然出现的或生理性的细胞 死亡； 凋亡（apoptosis）多是指由各种外源性因素诱导 的或病理情况下（如脑缺血、脑损伤）的细胞死亡； 细胞坏死（necrosis）多发生在突然及严重损伤的 情况下，如感染、严重缺血等，其形态学特征与PCD和 apoptosis不同。 50 第二节 神经的损伤、修复与再生 51 传统认为，只有周围神经系统损伤后能够再生，中 枢神经系统损伤后不能再生。现发现中枢神经在合适条 件下能够再生。 q 1928年，Cajal断言：CNS一旦发育完成，神经元损伤 后不能再生。 q 1958年，Liu Chambers的实验，证明了成年哺乳动 物的CNS具有较大的可塑性，可以再生。 52 （1）胶质瘢痕(glial scar)：CNS损伤后，受损神经纤 维发生溃变，星形胶质细胞反应性增生，当清除溃变产物 后，以其突起充填遗留的空隙，形成致密的glial scar。 尽管反应性胶质细胞能释放NGF，刺激神经元的生长 和再生，但glial scar构成的屏障阻止轴突的生长，使再生 流产。 53 （2）缺乏诱导结构：PNS中的雪旺细胞有引导轴突生长 的作用。CNS没有雪旺细胞，而少突胶质细胞有抑制神经 元突起生长的作用。 （3）产生神经生长抑制因子(NGI)：如少突胶质细胞的 NI-35、NI-250，星形胶质细胞的cytotactin/tenascin(CT) 和chondroitin-sulfate/keratan sulfate proteoglycan (CS/KS-PG)。 54 【可能机制】 Schwann可提供适当的神经营养因子 ，可能有引导中枢神经再生轴突的延伸。 （1）周围神经移植物的中枢移植：如坐骨神经段的视 网膜移植、脊髓移植等。 55 （2）中枢神经组织的异体移植（脑移植） 以供体胎脑组织为移植物，植入宿主脑内，从而 代替受损的神经元。 影响脑移植成功率的因素： 供体的胎龄：胎龄越小，移植后存活率越高 ，最好能获取尚未发出轴突的神经上皮细胞群移植 物，已处于成神经细胞阶段的组织增殖力低。 56 移植部位：最常用部位脑室 三要素：a. 能使移植物易于形成血管 b. 能充分接触脑脊液 C. 有足够的生长空间 移植方法：注射移植法 预制腔移植法 免疫因素：宿主对移植物的免疫排斥作用， 同种移植弱于异种移植；幼年期宿主的排斥率较 低。 57 （3）干细胞移植：以具有多向分化潜能的神经干细胞 (NSC)或骨髓间充质干细胞(MSC)作为移植物，植入CNS， 给以合适的条件，调控其分化为神经元。 MSC的优点： 具有多向分化潜能，可分化为成骨细胞、软骨细 胞、成肌细胞、脂肪细胞、神经元、神经胶质细胞、 心肌细胞等。 免疫原性弱，具有特异的移植后免疫耐受性。 自我更新能力强，来源丰富，取材方便。 58 59 神经元对损伤的反应 o 远侧段神经纤维的顺行性溃变（Waller溃变） o 近侧段神经纤维的逆行性溃变（间接Waller溃变） o 细胞体的变化轴突反应 o 跨神经元溃变 Waller溃变： 轴突的变化：先是线粒体的局部堆积，随之细胞器发生 颗粒性分解，后来轴突肿胀、断裂、溶解，最后被吸收。 髓鞘的变化：收缩断裂清除。 细胞体的变化： 胞体、胞核肿胀，尼氏体溶解或消失。 60 再生的条件：胞体存活；轴突基膜完整，围成神经膜管。 神经上皮发育为成神经细胞后，即失去合成DNA的能力， 故神经元一旦受损，不能以细胞分裂的方式进行修复，只能是 周围神经纤维再生。 再生的机制： 1、雪旺细胞增殖，形成Bungner带 雪旺细胞的作用：吞噬溃变的轴突和髓鞘，合成和分泌多 种NTF，合成和分泌ECM。 2、轴突的芽生 61 62 第三节 神经营养物质 63 NGF的发现者Levi-Montalcini、Cohen获1986年诺贝尔生理学奖 NTF 64 *NTF与神经元的存活、死亡与再生 发育期神经元的存活 成熟神经元的存活、死亡与再生 q NTF缺乏或不足，可导致CNS的退行性改变，如Alzheimer 病、Parkinson病 q NGF对实验性Alzheimer病大鼠，可防止90100%的胆碱 能神经元死亡 q bFGF、EGF可增强体外培养的胎鼠DA神经元存活及生长 PCD前期：不依赖于靶区 PCD期：依赖于靶区产生的NTF 自然死亡休止期：较少地依赖于靶区 65 1、神经生长因子（NGF） 【分布】 主要集中在海马等脑区，大部分Ach能神经元 为NGF阳性神经元。 【主要功能】 促进外周感觉神经元、交感神经元的分化 和成熟；促进脑内胆碱能神经元的发生、存活、损伤的保 护和修复。 66 2、 脑源性神经生长因子（BDNF） 【分布】 分布广泛，是脑中含量最多的NTF。 【主要功能】 促进感觉神经元、运动神经元、DA神经 元、基底前脑Ach能神经元的生长、分化和存活。 3、 神经营养素-3、4/5 【分布】 分布广泛，NT-3在海马、小脑较多，NT-4/5 在脑干和间脑含量最丰富。 【主要功能】 NT-3主要是促进脊神经节感觉神经元的 生长和存活；NT-4/5主要是促进交感神经的生长、分化和 存活。 67 【主要功能】 促进大多数来源于中胚层和神经外胚层细胞的分裂增殖 （包括成纤维细胞、神经元等）。 对神经元、神经胶质有营养活性，参与神经元的保护和 神经纤维的再生。如bFGF能维持脑内ach能神经元的存活。 FGF-1：酸性成纤维细胞生长因子（acidic FGF, aFGF） FGF-2：碱性成纤维细胞生长因子（basic FGF, bFGF） FGF-37 1、成纤维细胞生长因子（FGF） 68 【主要功能】 刺激皮肤和中胚层细胞的生长 加速胶质细胞的增殖 细胞培养实验中，能增加神经元的存活时间，促进轴突 生长。 2、上皮生长因子（EGF） 3、睫状节神经营养因子（CNTF） 【主要功能】 促进多种神经元（脊神经节、睫状神经节、交感神经节、